信息化协同管理系统在济青高铁项目中的应用

杨书生

(济青高速铁路有限公司，山东济南250000)

0 引言

随着《中长期铁路网规划》的实施，我国的铁路建设高潮已经在全国范围内展开[1]。铁路建设项目较为复杂，具有工程体量大、施工线路长、工期要求紧、建设标准高、参建单位多等特点，项目管理协调尤其复杂，需要多专业、多部门的协同工作[2]。国内外专家对工程项目协同管理的关键因素、步骤及工程项目组织管理模式等方面进行了研究[3-5]。传统管理模式在信息交换与传递方面存在数据共享与处理困难、管理手段单一等问题[6]。近年来，随着建筑信息模型 BIM(BuildingInformation Modeling)技术的不断推广应用，我国的工程建设管理模式发生了重大变化。以信息化技术为基础的新型管理模式在我国已开始初步研究与实践。以BIM技术为基础的信息化协同管理系统可以覆盖项目全寿命期，能够解决传统管理模式存在的问题，尤其适用于工程体量大且复杂的项目。邱迪[7]以“BIM＋物联网”技术为基础，提出了在预制装配式建筑中采用可视化协同管理技术，并阐述了装配式建筑协同可视化管理的系统框架及管理流程；宋战平等[8]以BIM技术为基础，研究构建了全寿命期内隧道协同管理平台的初步组成体系；王同军[9]以铁路工程建设协同管理为目标，提出了一种基于BIM技术的铁路工程建设管理模式；刘智红[10]将三维建筑模型与时间进行关联形成了4D协同管理平台，并在实践中进行了应用；赵媛媛[11]采用广联达BIM5D管理平台在沙坪坝综合交通枢纽改造工程施工中进行了应用。综上所述，目前以BIM技术为基础的协同管理模式多以理论研究为主，国内开发的BIM管理平台多以施工阶段的应用为目标，并未应用到项目的全寿命期管理。文章以济青高铁项目为背景，阐述了信息化协同管理系统在全寿命期的应用及效果。

1 济青高铁项目概况

济青高铁是山东省委、省政府确立的一项重大交通基础设施建设项目，是连接济南和青岛的一条高标准客运专线，设计速度为350 km/h。济青高铁线路自济南新东站出发，沿既有胶济铁路北向东经章丘、邹平、淄博、临淄、青州、潍坊，然后折向东南，经高密至胶州北，下穿青岛新机场，向南进入青岛枢纽红岛车站，再向东与新建的青连铁路并线引入青岛北站。济青高铁全线新设10个车站，改造1个车站，新建线路长307.9 km。建设工程于2015年10月开始施工，并于2018年12月建成通车。

2 铁路建设项目管理存在问题与济青高铁管理目标

2.1 目前我国铁路建设项目管理中主要问题

(1)管理部门众多，管理目标不统一，缺乏科学有效的沟通手段

我国很多铁路建设项目中设有许多主管部门，相互之间关系混乱，管理目标不一致。如计划部门负责项目决策，鉴定中心负责鉴定设计成果，工程管理中心负责施工单位招标等，项目实施过程中各自为政，相互之间缺乏及时的信息沟通方法，造成了极大的资源浪费。

(2)管理目标仅考虑施工过程，缺乏全寿命期管理的理念

铁路建设项目大都以百年使用为设计目标，受制于科学技术水平，传统的管理模式难以做到项目全寿命期管理。铁路建设项目由于工期紧，管理目标主要偏重于施工过程，对项目的全寿命期管理缺乏有效手段。铁路项目全寿命期中，运维阶段占据了大部分时间。运维期间除了常规设备的运营维护外，结构的安全性也至关重要。目前，国内有关BIM技术在运维阶段的应用总体处于探索研究阶段，实践应用较少[12-14]。

(3)信息化管理技术难以落地

虽然我国建筑业一直在大力提倡推进BIM信息化技术的应用，但目前此技术较多应用于一些大型项目，中小型项目难以推进，并且大多是单点应用，协同应用较少。此技术难以落地的原因很多，如BIM模型缺乏统一建模标准、建筑技术人员对其认知和掌握不高、技术应用费用较高、软件与国内实际不匹配等。目前，BIM技术主要是施工企业用来投标时进行项目展示的工具，并没有真正体现其应用价值。

2.2 济青高铁项目管理目标

济青高铁项目线路长，车站多，施工工期仅3年时间，参建单位较多，工程项目复杂，技术难点较多。针对铁路建设项目管理中存在的主要问题，以信息化协同管理理念为基础，济青高铁项目管理目标包括4个方面：

(1)建立总体建设指挥部，协同管理各利益相关者

为便于项目的统一管理，发挥各单位的协同作用，济青高铁项目设立一个总体建设指挥部门(济青项目总体)，不再分项目设立指挥部门，项目总体统一管控所有工作，充分发挥各参建单位的协同作用，产生“1＋1＞2”的协同效应。

(2)以信息化技术为基础，建立项目全寿命期协同管理体系

随着BIM、互联网、大数据、云平台等信息化技术的出现，项目全寿命期的管理得以从理论走向实践。济青高铁项目总体成立后，设立BIM信息管理中心，以“BIM＋互联网＋云平台”为基础，建立济青高铁信息化协同管理系统。前期决策阶段，以“BIM＋GIS”技术进行线路的规划；设计阶段用BIM技术进行初步设计和深化设计；施工阶段用BIM技术进行项目进度、质量、成本、安全等方面的控制；信息完善后的BIM竣工模型用于济青高铁的运营维护。

(3)建立设计与施工之间的协同机制，落实BIM技术应用效果

济青高铁项目要求所有的设计单位必须采用BIM技术，并采用BIM信息管理中心统一制定的建模标准进行实施和验收。设计单位的BIM模型上传至管理系统，施工单位根据此模型进行施工阶段的应用并不断的完善模型信息，真正做到一模到底，避免设计与施工之间信息传递的偏差。

(4)建立“BIM＋结构健康监测”的运维管理模型，完善信息化协同管理系统

为保证济青高铁运行的安全性，将结构健康监测与BIM技术相融合，建立“BIM＋结构健康监测”的运维管理模型，在济青高铁信息化协同管理系统中进行应用，提高济青高铁运行过程中的预警能力。

3 信息化协同管理系统在济青高铁项目中的应用

针对铁路建设项目管理中主要问题，围绕济青高铁项目信息化、协同性、全寿命期的管理目标，文章设计了覆盖全寿命期的信息化协同管理系统，并在项目决策、设计、招标、施工和运维等过程进行了应用。

3.1 济青高铁项目信息化协同管理系统设计

济青高铁项目信息化协同管理系统以项目全寿命期管理为目标，以信息化技术为基础，从信息协同、业务协同、资源协同等方面进行设计和定位。

3.1.1 系统用户层次设计

济青高铁项目信息化协同管理系统的用户层次按照级别、权限和信息传递过程分为4个层次，如图1所示。

(1)用户层次1为项目决策层，由济青高速铁路有限公司领导层组成。项目决策层在管理系统中拥有最高的级别和权限，可以直接查看项目进行过程中所有级别用户的实时进展信息，可以及时掌控项目的真实信息，并根据各用户的工作情况制定计划、发布命令，避免了传统管理模式中的信息滞后、信息传递失真等问题。

(2)用户层次2为项目总体中所设职能部门，济青高铁项目总体职能部门主要包括征拆部、物资部、工程部、安质部和财务部。每个职能部门虽然管理职责不同，但管理项目数量相同。职能部门通过管理系统可以对整个项目资源进行协调和优化，根据每个项目的实际进展和需要实现最大程度的一致性协作。

(3)用户层次3为BIM信息管理中心，是整个管理系统的核心。BIM信息管理中心主要负责信息化协同管理系统培训和应用、建模标准制定、检查设计模型完整程度、评估考核参建方应用效果、BIM5D管理、设计“BIM＋结构健康监测”运维管理模型等。BIM信息管理中心对项目全寿命期各阶段的信息和所有用户的信息进行集成，实现各用户之间的信息化协同管理。

(4)用户层次4由设计单位、施工单位、监理单位和结构健康监测单位组成。设计单位负责建立BIM模型、管综碰撞检查、上传模型至管理系统。施工单位负责实施BIM体系、BIM4D进度模拟、施工图深化设计、建立BIM竣工模型。监理单位负责按照实施方案加载现场监理数据信息、监督施工单位的BIM技术应用管理、BIM竣工模型审核。结构健康监测单位负责结构健康监测体系的设计和布置、监测系统与BIM模型的融合。各参建单位将业务信息上传至管理系统，并及时更新，经系统整合后进行统一管理。不同参建单位之间的业务需求可以做到及时有效的传递和响应，实现业务关联的最大协同。

图1 系统用户层次设计示意图

3.1.2 系统功能设计

济青高铁项目信息化协同管理系统以iTWO系统为基础，利用互联网技术，集成了多类型模型文件的导入和多项功能模块，形成企业云平台，所有用户都可在PC端或移动端登录。考虑到济青高铁项目数据的安全性，采取了私有云模式。根据项目的实际需求，结合BIM技术，二次开发了集成健康监测的运维管理功能模块，通过物联网设备将监测数据传递至监控中心，并通过互联网传递至系统服务器进行存储和分析。系统功能主要包括BIM三维模型、算量、计价、项目进度管理、总控管理和运维管理6大功能模块。

(1)BIM三维模型功能模块 是对模型进行检查评估和碰撞检测。系统可以兼容Revit、Bentley、Archicad、Tekla等全球主流建模软件创建的BIM模型。根据制定的建模标准创建项目建筑、结构、机电设备三维模型，将其导入BIM三维模型功能模块中，系统会对模型数据进行校核，检查导入模型的完整性和准确性，检查结果以数据评估的形式表现。评估合格的模型可以进行碰撞检测。碰撞检测的目的是检查各管线之间、管线与结构之间是否存在空间冲突，避免影响项目的实施，达到不同专业之间的三维协同设计[15]。检测结束后生成碰撞分析报告，详细说明冲突位置、原因、数量等情况，如图2所示。

图2 BIM三维模型功能模块示意图

BIM三维模型功能模块的主要使用方是设计单位、施工单位和BIM信息管理中心。设计单位将创建的项目三维模型上传至系统，并使用系统进行评估和检测。施工单位根据上传的模型，结合施工经验，提出施工单位的检测结果。BIM信息管理中心将二者的检测结果进行对比，并及时反馈信息，实现了不同单位、不同专业之间的工作协同。

(2)算量功能模块 是对项目所用的工程材料进行统计计算。济青高铁项目招标采用的是国内常用的清单计价方法，由济青项目总体中的工程部负责编制工程量清单。将编制完成的工程量清单导入算量功能模块中，完成清单与三维模型的挂接。根据建模标准和预先设置的算量规则，系统可以从三维模型中自动选择构件并套用相对应的算量规则，达到一键算量的效果。对于设计与清单不一致的情况可在生成的算量清单中及时检查与修改。如图3所示。

图3 算量功能模块示意图

(3)计价功能模块 是对完成的工程量清单进行组价。计价模块中的定额库包含全国所有地区的定额基础数据库、工作子目、清单项目库等数据，将计算完成的工程量清单导入新建的工程计价文件，在定额库中选取对应清单所需要的定额子目。若定额子目明细表中的材料与实际使用材料存在差异时，可在系统材料库中新建实际使用材料信息。当所有工程量都添加完成定额明细后，工程计价即可计算完成，如图4所示。

图4 计价功能模块示意图

算量功能模块和计价功能模块的主要使用方是业主、施工单位和监理单位。业主根据检测合格的三维模型，结合编制的工程量清单进行算量和计价，同时可以检查清单编制的准确性。施工单位根据系统中同一个项目模型，结合工程中出现的变更进行算量和计价，并与业主核对。监理单位将项目进行过程中实际发生的变更信息录入系统。成本控制过程中采用一模到底，实现了项目造价控制的协同一致，降低了造价人员的工作强度，提高了工作效率。

(4)项目进度管理功能模块 是对项目施工进度进行4D动态模拟，同时还可与成本进行关联，做到BIM5D控制。根据预期工期计划在系统中编制进度横道图，与BIM模型关联后形成BIM4D模型。通过4D模型动态模拟可以对工程实际进度与计划进度进行对比分析，提升工程各专业之间的协同效率[16]。项目管理人员通过4D可视化环境检查各项施工作业，分辨出潜在的作业顺序错误和冲突矛盾问题。项目实施过程中，根据实际进度可随时调整各工序工期变更，确保项目的整体工期计划。系统中进度与成本也可进行协同关联，根据项目的实际进展直观查看成本的发展，如图5所示。

图5 项目进度管理功能模块示意图

项目进度管理功能模块的主要使用方是业主、施工单位和BIM信息管理中心。施工单位将项目实际进度信息录入系统，BIM信息管理中心对实际进度和计划进度进行4D动态模拟对比分析，业主根据项目实际进度及对后续工作的影响制定应对计划。通过BIM5D模拟对比，业主及时对资源的投入进行调整和优化。通过进度管理功能模块，实现了进度和资源投入的实时动态监控与管理，避免了工期延误，做到了进度、成本的高度协同。

(5)总控管理功能模块 是对进度、成本的数据整合，对质量、安全、物资、合同、变更等信息资料的传递与集成。对施工现场的质量、安全问题可以及时上传图片和备注，督促有关负责人员进行整改。所有用户都可通过该功能模块查阅所需信息并上传所需业务需求，在BIM信息管理中心的协调下得到及时回复，实现了项目数据信息的共享，提高了项目各级用户的工作协同效率。

(6)运维管理功能模块 是对济青高铁运行期间的信息化运维协同管理。在BIM竣工模型的基础上，将传统的运行管理、维保管理、安保管理、信息管理等常规的管理内容与BIM模型进行整合，建立可视化的运维协同管理系统。此外，为确保济青高铁运行期间的结构安全性，运维管理功能模块中将BIM技术与结构健康监测技术进行了融合，建立了基于BIM的可视化结构健康监测系统，包括监测模型、监测管理、信息管理、预警设置4个功能。运维期间各车站和公司总部都可通过运维管理功能模块实时掌握济青高铁的运维信息，使济青高铁项目的全寿命期管理目标得以实现。

3.2 信息化协同管理系统在济青高铁项目中的应用效果

济青高铁项目信息化协同管理系统应用在项目决策、设计、招标、施工和运维过程中，在项目的质量管理、成本管理、进度管理、安全管理等方面起到了关键作用。

(1)项目决策阶段采用“BIM＋GIS”技术进行了线路的规划和车站的选址。采用固定翼无人机飞行平台(配备5台高清数码相机)，分区段对济青高铁拟通过区域进行倾斜摄影，构建真实的三维地面实景模型。根据初步设计方案，建立车站和线路的BIM模型，将其导入GIS平台进行融合，分析拟建方案中线路及车站的周边环境影响、线路走向对高铁速度的影响等因素，经多方案比选后确定最优的规划设计。由于临淄北和青州北之间有大量的古墓及古建筑遗址，通过“BIM＋GIS”技术建立了该区域真实的三维地面实景模型，模拟了多条不同的线路走向，结合高铁的速度要求，选取了最优的线路规划路径。

(2)设计阶段通过系统的BIM三维模型功能模块，共发现设计问题1 600余项。青州北站原设计图纸中屋面高位水箱与钢结构发生冲突，系统检测时发现此问题并及时向设计院提出，设计院根据优化建议对混凝土结构做出变更，避免后期钢结构屋面吊装过程中再进行变更；红岛站房出站层局部管线比较集中，电气桥架与母线槽碰撞，空调水管与给水管碰撞，母线槽与梁碰撞，与设计院沟通后降低母线槽标高，平移桥架路由，降低空调水管标高；临淄北站候车厅地面石材铺贴，原设计地面800 mm×800 mm的尺寸石材不满足对缝要求，调整增加了750 mm×800 mm的尺寸地砖，保证对缝效果。设计阶段提前对项目中各专业在空间上的冲突、碰撞问题进行预警，对相关问题进行记录和优化，避免由此产生的工程变更，提高了工程项目的设计质量，降低了成本增长和工期延误的风险。

(3)招标阶段通过系统的算量功能模块和计价功能模块发现清单问题约100余项，累计节约成本约1 000万元。淄博北站图纸上的桩顶标高与清单上的桩顶标高不统一；图纸中给水需用截止阀，清单中为闸阀；章丘北站地上混凝土工程量清单中存在误差。准确和全面的工程量清单是招标的重点控制环节，通过BIM信息化技术的应用，降低了由于人工算量导致的错误和偏差，提高了工作效率和算量的准确性。

(4)施工阶段通过项目进度管理功能模块和总控管理功能模块，对施工组织设计方案进行优化，节约了工程建造工期。济南东站钢结构屋面原定施工方案为顶推施工，通过BIM4D进度模拟，发现钢结构屋面安装完成需要5个月工期，按此方案将无法满足济青高铁2018年12月底通车的要求。为解决该问题，重新制定了“地面拼装、分段吊装、液压同步提升”的施工方案，并重新进行了施工模拟，工期节约了1个月时间，确保了工程进度目标的实现。

(5)运维阶段通过运维管理功能模块将BIM竣工模型与物业管理进行集成整合，做到了运维的三维可视化管理。选取了4个新建高铁站站房，根据提前制定的结构健康监测方案，施工阶段在混凝土结构、钢结构等不同的部位布置了监控结构安全的应变、应力、位移等永久性传感器，并将监测系统与BIM运维模型进行结合，实现了监测数据的三维可视化。自济青高铁开通运行至今，信息化运维管理系统正常运行，相较于传统运维管理模式，公司总部可以直观掌握各车站的运维状况，信息传递及时，同时降低了管理工作强度，提高了管理效率。

(6)通过济青高铁项目的实施发现系统应用还存在一些问题。如系统在运行前需要输入企业定额、建模规则、算量规则、人员分配、权限划分等大量信息，涉及到企业数据库的迁移，需要制定一套完整的工作管理流程，耗时较长；iTWO系统本身缺少运维模块，需要根据实际需求进行二次开发；系统对硬件、服务器的要求比较高，前期投入比较大。

4 结语

加快推进信息化技术在建筑全寿命期的集成应用是我国建筑业的发展方向，济青高铁项目立足于工程项目全寿命期，将信息化协同管理系统在项目的全过程进行了应用。采取预建造管理模式，以“BIM＋GIS”技术进行了线路的规划和车站的选址；对项目成本、进度进行了模拟和控制，项目最终竣工决算成本与概算成本差额不超过5%，项目按时完成投入运营；对施工期间的质量和安全及时追踪与跟进，做到了信息化协同管理，杜绝了质量事故和安全问题的出现；将结构健康监测与可视化运维模型相结合，真正实现了项目全寿命期的集成管理与应用。信息化协同管理系统有效地减轻了业主方项目管理团队的工作强度，减少了相应岗位的人员设置，减少了管理成本开支，打造了铁路建设信息化管理新模式。