基于BIM技術(shù)的軌道交通施工過程管理平臺(tái)開發(fā)及應(yīng)用

當(dāng)前為解決地鐵軌道交通施工中的難題，以BIM技術(shù)為代表的信息技術(shù)越來越多地被用于地鐵軌道交通的施工管理中。錢七虎認(rèn)為在隧道工程中應(yīng)用BIM技術(shù)輔助施工管理，可大幅降低項(xiàng)目參與方的項(xiàng)目管理難度。蘇立勇將BIM技術(shù)用于北京軌道交通19號(hào)線施工中，搭建了基于BIM的信息化管理平臺(tái)，推動(dòng)了工程施工過程朝著數(shù)字化、信息化、精細(xì)化方向發(fā)展。蘇婉君等將地鐵基坑風(fēng)險(xiǎn)演化規(guī)律與BIM相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)分享狀態(tài)的實(shí)時(shí)可視化展示，提高了地鐵車站施工的安全性。丁烈云等基于BIM開發(fā)了時(shí)間與工程三維實(shí)體結(jié)合的N維可視化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在三維空間和時(shí)間上的安全定位和風(fēng)險(xiǎn)跟蹤。1、工程概況廣州地鐵十八號(hào)線自萬頃沙至廣州東站，經(jīng)過南沙區(qū)、番禺區(qū)、海珠區(qū)及天河區(qū)，全長(zhǎng)超過60?km，設(shè)車站9座，其中換乘站8座，平均站間距7.6?km。沿線穿越水道、水塘、居民住宅、苗圃地、既有道路、高架橋等，其施工難點(diǎn)如下。

（1）本項(xiàng)目沿線地質(zhì)情況復(fù)雜，需穿越河流9處，在微風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、淤泥質(zhì)土、砂質(zhì)粘性土、粉砂等復(fù)合型地層中掘進(jìn)；其間經(jīng)過瘦狗嶺、廣三、白坭－沙灣、新會(huì)－市橋、南沙－東莞等斷裂帶；周邊地下管線多且下穿鐵路軌道。需及時(shí)精準(zhǔn)地管控掘進(jìn)施工。（2）本項(xiàng)目體量大，線路長(zhǎng)，多臺(tái)盾構(gòu)機(jī)同時(shí)施工，現(xiàn)場(chǎng)材料，機(jī)械、人員協(xié)調(diào)難度大，工程進(jìn)度、人員設(shè)備統(tǒng)一管理難度大。此外還需對(duì)項(xiàng)目部及施工人員進(jìn)行日常管理，傳統(tǒng)的工程管理模式很難滿足大單體軌道交通工程建設(shè)的全生命期管理要求。（3）本項(xiàng)目信息量巨大，施工過程涉及環(huán)節(jié)多，人員復(fù)雜，機(jī)械設(shè)備數(shù)量多，需要集成對(duì)復(fù)雜的信息進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)信息共享，對(duì)信息交流和工作溝通要求高。2、BIM的組織與應(yīng)用環(huán)境本項(xiàng)目體量大，貫穿土層地質(zhì)情況復(fù)雜，涉及人員、材料、機(jī)械眾多。涉及土建工程、建（構(gòu)）筑物保護(hù)、管線保護(hù)、管線拆除、管線改移、交通導(dǎo)改等多項(xiàng)工作內(nèi)容，涉及專業(yè)面廣泛。本項(xiàng)目施工涵蓋明挖法、盾構(gòu)法等多種工法，綜合性強(qiáng)，需多專業(yè)、多工種協(xié)同作業(yè)，對(duì)承包單位施工整體籌劃及綜合組織能力要求高。若按傳統(tǒng)管理模式進(jìn)行管理難度巨大，為此在全專業(yè)、全范圍內(nèi)應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行管理，以優(yōu)化管理模式，提高建造品質(zhì)，節(jié)約工程投資。2.1BIM組織機(jī)構(gòu)本項(xiàng)目的BIM組織以總承包部BIM中心為總體牽頭方和技術(shù)支持方。由項(xiàng)目總工程師為總負(fù)責(zé)人，根據(jù)項(xiàng)目應(yīng)用目標(biāo)確定所需專業(yè)BIM工程師及配合部門。為實(shí)現(xiàn)基于BIM的包括進(jìn)度、安全、質(zhì)量、人員、材料、機(jī)械設(shè)備等全面的施工過程管理，設(shè)置了協(xié)助BIM實(shí)施的分項(xiàng)實(shí)施部門，包含工程部、質(zhì)量部、安保部、物資部、設(shè)備部等。項(xiàng)目組織機(jī)構(gòu)如圖1所示。圖1BIM管理的組織架構(gòu)BIM信息中心的基本職責(zé)為：（1）貫徹執(zhí)行國(guó)家、部門頒發(fā)的法規(guī)、規(guī)范，嚴(yán)格執(zhí)行合同文件的有關(guān)條款要求及管理規(guī)定；（2）制訂BIM工作計(jì)劃，有序開展BIM應(yīng)用，根據(jù)項(xiàng)目部各業(yè)務(wù)部門的管理需求提供有效數(shù)據(jù)，支持項(xiàng)目信息化管理；（3）組織項(xiàng)目部人員進(jìn)行BIM培訓(xùn)，推廣BIM在項(xiàng)目管理中的應(yīng)用；（4）對(duì)BIM各階段性工作成果進(jìn)行匯報(bào)和總結(jié)；（5）貫徹落實(shí)領(lǐng)導(dǎo)小組交辦的各項(xiàng)工作，制定BIM規(guī)章制度，提供BIM技術(shù)支持，協(xié)調(diào)和督辦與BIM相關(guān)的工作；（6）承辦BIM相關(guān)的其他工作。2.2BIM施工管理平臺(tái)的結(jié)構(gòu)框架為更好地實(shí)現(xiàn)基于BIM的管理與協(xié)調(diào)。開發(fā)了一套基于BIM的地鐵軌道交通施工過程管理平臺(tái)，該平臺(tái)將BIM模型與人員、材料、機(jī)械、環(huán)境等信息集成在統(tǒng)一的平臺(tái)中。通過對(duì)信息的綜合集成管理實(shí)現(xiàn)施工進(jìn)度查看與模擬、人員調(diào)配、材料派送、機(jī)械運(yùn)行監(jiān)控和環(huán)境監(jiān)測(cè)等功能。該平臺(tái)還被開發(fā)成客戶端的形式，施工管理人員可通過電腦在辦公室內(nèi)進(jìn)行查看?；贐IM的施工管理平臺(tái)的框架如圖2所示。圖2基于BIM的施工管理平臺(tái)的結(jié)構(gòu)框架3、信息的采集與上傳3.1BIM模型的圖元分類本項(xiàng)目施工過程中建立了一套精度較高的隧道BIM模型，其中包含土建、地質(zhì)等專業(yè)的信息模型，先根據(jù)不同類別對(duì)圖元進(jìn)行分類，再根據(jù)不同圖元類別的關(guān)系形成圖形，使用者可根據(jù)查看需要對(duì)不同類別的圖元分別單獨(dú)查看。在儲(chǔ)存模型時(shí)根據(jù)模型所處的位置進(jìn)行分類，以便根據(jù)不同的施工位置進(jìn)行查看。BIM模型瀏覽效果如圖3所示。圖3在BIM施工管理平臺(tái)中查看管片BIM模型（計(jì)算機(jī)截圖）3.2人員的信息采集和管理本項(xiàng)目通過智能門禁系統(tǒng)和視頻監(jiān)控實(shí)現(xiàn)人員信息的采集和管理，其中智能門禁系統(tǒng)包括人行道閘系統(tǒng)和車輛道閘系統(tǒng)，分別對(duì)行人和進(jìn)出車輛進(jìn)行信息采集和進(jìn)出管理。2種道閘分別安裝在現(xiàn)場(chǎng)的進(jìn)出口和隧洞施工進(jìn)出口。所有施工人員進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)都需經(jīng)過智能門禁系統(tǒng)，該系統(tǒng)可通過人臉識(shí)別與預(yù)先儲(chǔ)存的人員信息進(jìn)行比對(duì)，確認(rèn)身份信息一致的人員方能進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)。當(dāng)日進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)的人員信息還可上傳至基于BIM管理平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)日現(xiàn)場(chǎng)人員信息的采集，加強(qiáng)了對(duì)人員的管理。視頻監(jiān)控設(shè)備安裝在隧道內(nèi)、施工場(chǎng)地內(nèi)和生活區(qū)中，進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)的作業(yè)人員實(shí)時(shí)被視頻監(jiān)控設(shè)備監(jiān)督。視頻采集的內(nèi)容可展示在基于BIM的軌道交通施工過程管理平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)了不同位置的施工過程統(tǒng)一管理。3.3基于二維碼的管片信息采集在地鐵軌道交通項(xiàng)目中，作為襯砌結(jié)構(gòu)的隧道管片數(shù)量多，質(zhì)量要求高。且管片的安裝均由盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)進(jìn)行，所以須管片的質(zhì)量和數(shù)量進(jìn)行精準(zhǔn)把控。管片安裝前，每片管片均貼有專屬的二維碼（圖4）。所有管片的編號(hào)、生產(chǎn)信息、材料信息均可通過掃描二維碼得到。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)每份材料的單獨(dú)全過程追蹤。若某管片發(fā)生問題，可根據(jù)管片上的二維碼實(shí)現(xiàn)過程追溯，從而快速找到問題的源頭，快速解決問題。圖4現(xiàn)場(chǎng)管片上張貼的二維碼3.4盾構(gòu)機(jī)狀態(tài)信息采集作為主要的施工機(jī)械，盾構(gòu)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)決定了地鐵隧道施工的進(jìn)度、效率和安全。但以往對(duì)盾構(gòu)機(jī)狀態(tài)的觀察只限于盾構(gòu)機(jī)內(nèi)，工程管理人員只能通過詢問盾構(gòu)機(jī)工程師了解地下盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)情況，不能及時(shí)從管理層面處理盾構(gòu)機(jī)事故。本工程多臺(tái)盾構(gòu)機(jī)同時(shí)掘進(jìn)，傳統(tǒng)的盾構(gòu)機(jī)監(jiān)測(cè)方法不能滿足工程需要。為此建立了一套盾構(gòu)機(jī)工作狀態(tài)信息的傳輸系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。盾構(gòu)機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)先通過有線傳輸實(shí)時(shí)傳遞給本地服務(wù)器。再由本地服務(wù)器將數(shù)據(jù)上傳到搭載在云端服務(wù)器的基于BIM的地鐵軌道交通施工過程管理平臺(tái)中，使用者可通過計(jì)算機(jī)等登錄管理平臺(tái)進(jìn)行查看。圖5盾構(gòu)機(jī)狀態(tài)信息傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意3.5環(huán)境數(shù)據(jù)3.5.1應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)施工環(huán)境為監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境，施工現(xiàn)場(chǎng)布置了多種傳感設(shè)備：包括監(jiān)測(cè)風(fēng)速、溫度、濕度、PM2.5濃度的傳感器等，以判定監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境污染程度的是否滿足相關(guān)要求。施工現(xiàn)場(chǎng)關(guān)鍵位置設(shè)置攝像頭監(jiān)測(cè)施工實(shí)時(shí)狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一把控不同位置施工過程，及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患，保證施工質(zhì)量。3.5.2應(yīng)用遙感技術(shù)測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)地理環(huán)境使用無人機(jī)在不同位置航拍地表照片，由多組二維照片生成三維地貌，計(jì)算地理信息，處理區(qū)域點(diǎn)云數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)場(chǎng)地面積數(shù)據(jù)，記錄移交時(shí)地容地貌，實(shí)現(xiàn)對(duì)地形、地貌的勘測(cè)，協(xié)助獲得地理環(huán)境特征，合理規(guī)劃場(chǎng)地位置，確定施工場(chǎng)地各區(qū)域的位置及面積。辨識(shí)施工對(duì)周邊建筑物的影響，規(guī)避安全風(fēng)險(xiǎn)及信訪風(fēng)險(xiǎn)。進(jìn)行征地拆遷工作參照、施工進(jìn)度監(jiān)測(cè)，動(dòng)態(tài)反饋現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況。將視頻監(jiān)控點(diǎn)與現(xiàn)場(chǎng)地貌融合，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)的視頻與地貌的結(jié)合，以針對(duì)性查看不同位置的現(xiàn)場(chǎng)情況。4、應(yīng)用功能與效果通過將以上的信息統(tǒng)一集成在平臺(tái)中，實(shí)現(xiàn)了BIM模型、人員、機(jī)械、材料、環(huán)境信息的融合。4.1施工進(jìn)度查看與模擬為直觀展示盾構(gòu)施工進(jìn)度，將盾構(gòu)機(jī)安裝的管片信息與BIM模型相關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)機(jī)狀態(tài)和盾構(gòu)進(jìn)度相結(jié)合的平臺(tái)展示。所有管片的安裝狀態(tài)均可通過不同的顏色進(jìn)行表示。通過對(duì)應(yīng)工程的施工時(shí)間與工程實(shí)體BIM模型，實(shí)現(xiàn)工程進(jìn)度的三維可視化查看，掘進(jìn)進(jìn)度與管片安裝進(jìn)度可做到一目了然。圖6中用不同顏色分別表示已經(jīng)完成、正在施工和未完成的部分，再與施工進(jìn)度橫道圖結(jié)合展示，施工進(jìn)度也可一目了然。本系統(tǒng)還可根據(jù)施工進(jìn)度計(jì)劃實(shí)現(xiàn)施工進(jìn)度模擬預(yù)演，提前分析不同時(shí)間段的施工內(nèi)容。圖6施工進(jìn)度三維展示（計(jì)算機(jī)截圖）4.2人員管理系統(tǒng)將所有人員的個(gè)人信息和活動(dòng)信息加載在BIM管理平臺(tái)當(dāng)中，可根據(jù)施工目標(biāo)實(shí)體內(nèi)容分配人員進(jìn)行施工，實(shí)現(xiàn)對(duì)人員的精細(xì)化管理。還可根據(jù)施工實(shí)體對(duì)象找到相應(yīng)的責(zé)任人員。若作業(yè)人員在施工現(xiàn)場(chǎng)的操作不規(guī)范時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)識(shí)別不規(guī)范行為，通過抓拍取證，識(shí)別畫面中的人，以便對(duì)其進(jìn)行針對(duì)性的教育。4.3盾構(gòu)機(jī)運(yùn)行監(jiān)測(cè)本系統(tǒng)對(duì)盾構(gòu)機(jī)的狀態(tài)數(shù)據(jù)設(shè)置了安全值域、報(bào)警值域和危險(xiǎn)值域。分別用黑、黃、紅色表示。該項(xiàng)功能包括土壓力、油缸的行程和油壓、注漿系統(tǒng)中各關(guān)鍵部位的流量和壓力均可在系統(tǒng)中查看，其界面如圖7所示。圖7盾構(gòu)機(jī)運(yùn)行監(jiān)測(cè)界面（計(jì)算機(jī)截圖）4.4環(huán)境預(yù)警本系統(tǒng)將施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境信息與現(xiàn)場(chǎng)地理信息相結(jié)合，可直接查看到關(guān)鍵位置的環(huán)境信息，發(fā)現(xiàn)某處環(huán)境信息不達(dá)標(biāo)，可直接反映到地圖上，再結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)視頻監(jiān)控可快速找到污染源，這種多維環(huán)境監(jiān)測(cè)的形式可大幅提高環(huán)境問題的解決效率（圖8）。圖8環(huán)境多維度監(jiān)測(cè)界面（計(jì)算機(jī)截圖）5、結(jié)束語廣州地鐵18號(hào)線工程項(xiàng)目施工中，以問題和需求為導(dǎo)向，綜合利用BIM及物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)建立綜合立體化的BIM施工管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)進(jìn)度、人員、材料、機(jī)械、環(huán)境的綜合管理，推動(dòng)了軌道交通項(xiàng)目的精細(xì)化管理，取得了一定的成效。本文根據(jù)該項(xiàng)目的實(shí)踐成果與經(jīng)驗(yàn)給出如下結(jié)論和建議。（1）基于BIM技術(shù)對(duì)施工進(jìn)度進(jìn)行管理，效果直觀，精細(xì)化程度高，可精確到每片管片。有利于提高地鐵施工管理的精準(zhǔn)度。（2）本系統(tǒng)將多種信