基于BIM的施工进度信息附加、跟踪与集成分析研究——以北京轨道交通19号线平安里站为例

张康宁， 刘志伟

(1. 中铁隧道勘察设计研究院有限公司， 广东 广州 511458； 2. 北京市轨道交通建设管理有限公司， 北京 100068； 3. 城市轨道交通全自动运行系统与安全监控北京市重点实验室， 北京 100068)

0 引言

随着BIM技术的发展，BIM技术已应用于越来越多的工程建设中。目前，BIM技术在建筑、机械等行业的运用相对较多，一方面体现在三维交底、4D模型、碰撞检测等技术方面[1-3]，且技术方面的BIM应用已趋向成熟； 另一方面，利用BIM的特点将BIM技术融入项目管理，主要体现在BIM技术的工程量统计[4]、危险源安全管理[5]以及深化设计管理[6]等方面。与建筑工程相比，地铁车站和隧道有其独特特征，多为带状分布且与地质关系密切。路耀邦等[7]以暗挖车站为例，研究了BIM的施工过程管理，验证了BIM技术可以提高施工效率和质量。戴林发宝[8]也明确指出目前隧道专业的BIM应用还多属于单点应用，BIM作为未来工程建设行业实现工业化和信息化的重要力量还未能更好地解决信息的离散性问题。考虑到施工管理是一个过程管理，而施工进度可以作为过程管理的主线，那么根据施工进度便可以跟踪整个施工过程。基于BIM的施工进度管理，也有不少研究者做了相关研究，例如： 陈礼松等[9]对基于BIM和PDCA的施工进度管理进行了研究； 郭红领等[10]探讨了BIM辅助施工管理的模式及流程； 冯为民等[11]阐述了BIM技术在超高层流水施工中的应用； 周永川等[12]研究了基于BIM的港珠澳大桥交通工程施工进度管理系统。这些研究均表明了各自对于BIM进度管理流程的理解，对于BIM信息集成有很强的指导作用。然而，BIM信息集成的实现除了要遵循施工逻辑外，还要明确信息的交互方式以及信息的反馈机制，例如： 满庆鹏等[13]研究的基于普适计算和BIM的协同施工方法，为BIM的信息交互系统提供了一种基于普适计算的框架； 胡珉等[14]和赖华辉等[15]对BIM数据交互标准及信息映射做了研究，表明了信息交互的原则。虽然关于BIM技术已有不少研究，但目前针对地铁车站及隧道的施工过程，以进度管理为主线的BIM信息集成手段仍存在细节落实不到位的情况，这些主要体现在施工现场信息量大、数据繁杂、交叉专业多，导致基于BIM的信息附加、跟踪、集成逻辑复杂、修正困难。为了解决此问题，进一步明确施工进度信息附加、跟踪与集成的问题，有必要通过实际工程来分析研究具体施工过程中基于BIM的施工进度信息附加、跟踪与集成方式，以便满足信息的准确性和完整性，达到通过BIM信息集成手段把控和指导现场的目的，以期为现场施工进度管理提供指导。

1 工程概况

本应用依托于北京地铁19号线1期工程平安里站施工，平安里站车站主体结构总长225.45 m，采用14 m岛式站台，标准段宽25.10 m，车站南端局部宽26.29 m。结构顶板覆土6.78～7.23 m，底板埋深20.70～21.15 m。主体结构采用超浅埋棚盖暗作(PBA)法施工，用于棚盖结构钢管施工的先行小导洞拱顶最小覆土约4.3 m。车站共设4个出入口(其中1号口为预留出入口)，2座风道，1座外挂厅。工程位置示意图如图1所示。

图1 工程位置示意图

2 平安里站BIM进度管理的逻辑

基于平安里站的BIM施工进度管理将三维可视化与施工计划进行连接，将空间信息与时间信息整合在一个可视化4D(3D+Time)模型中，不仅可以直观、准确地反映整个建筑的施工过程，还能够实时追踪当前的施工信息和进度状态，分析影响进度的因素，协调各专业，制定应对措施，缩短工期、降低成本、提高质量。

以平安里站为例的BIM施工进度管理主要通过资料收集、BIM模型建立、BIM模型划分、BIM模型分组制定、BIM模型时间轴的绑定、BIM数据交互平台的信息附加和进度分析等完成施工进度管理。基于平安里站的BIM进度管理逻辑如图2所示。

关键节点实现方式如下。

1)BIM模型划分。基于BIM的进度管理模型根据施工流水段以专业、工法等进行划分，划分后的模型以可以跟踪每日的施工进度、每一项独立的施工任务、每一个检验批为原则。针对平安里站的暗挖特性，为了实现现场进度跟踪计划并根据形象进度估算工程量，导洞模型纵向以现场最小进度单元即2榀钢格栅的间距(格栅间距为0.5 m)进行划分，横向整个断面作为一个整体。车站主体梁、板、墙采用和导洞一致的模型划分方式，即车站主体梁、板、墙纵向均按0.5 m划分，横向以施工幅宽为单位，取幅宽为横向划分宽度。为此，模型划分有2种可选择方式，第1种是在模型建立时分部位、分单元以0.5 m为单位建模； 第2种方式是通过插件切割模型，切割分块遵循模型划分原则。

2)BIM模型计划分组制定。将划分好的施工模型上传至BIM-GIS可视化交互平台，根据编制好的施工计划对相应模型进行绑定。值得注意的是，绑定模型进度计划并不需要计划制定者根据模型情况编制施工计划，管理人员仅通过平台的测量以及选择功能便可以快速地为每个构件赋予计划进度。为了避免模型更新后，进度计划丢失，建模时需备注模型编码，编码可通过软件自动识别，同时绑定好的模型构件可导出其编码对应的计划进度表格。这样便可以在模型更新后通过导入表格识别编码的方式快速地赋予构件进度计划。

3)BIM模型实际分组制定。对实际施工进度，需按日持续跟踪，对因特殊原因致使施工进度明显落后的情况，应在平台中注明影响因素。

4)进度对比。平台可以自动对比计划进度与实际进度，通过不同的色彩、显隐静态或动态地演示进度对比情况。

5)进度控制。自动生成节点进度统计、进度百分比统计和形象进度统计。

6)进度分析。进度分析中进行整个工程的进度自动统计，并对影响进度的因素进行分类整理。

7)进度模拟。自动根据计划进度和实际进度的执行日期，自动进行进度计划4D模拟，部分替代NAVISWORKS功能。

基于平安里站的BIM进度信息化管理平台如图3所示。

3 BIM施工进度信息附加、跟踪与集成

基于平安里站BIM进度管理的核心是通过三维构件可视化条件对进度信息进行附加、跟踪和集成。进行进度跟踪的构件通过直观的方式携带各种构件信息，包括构件的类型和几何尺寸、构件所用的材料和成本以及施工此构件所用工法和工序等。除此之外，进度管理中还对进度推进进行了条件限制，包括施工人员的安全交底情况、三级教育情况。基于BIM的进度管理是工点施工的信息集成，项目管理者可以通过BIM进度管理实时了解项目进度中所含构件的所有基本信息。

图2 基于平安里站的BIM进度管理逻辑

图3 基于平安里站的BIM进度信息化管理平台

Fig. 3 BIM schedule information platform management based on Ping′anli Station

3.1 BIM施工进度信息附加

在信息集成化管理中基于BIM的施工进度信息附加是第1步，是信息集成的基础。总的来说，信息的附加分为2类。

3.1.1 BIM模型建立时的信息附加

BIM模型在建立过程中根据建模标准附加构件信息。一套统一的建模标准对各层级构件的信息附加都有规定，BIM模型建立时所附加和生成的信息应是实际施工中相对重要的。那么BIM模型附加信息的来源应该是施工中重要的、关注的、有利于了解构件属性的信息。基于此点，需整理出施工中构建信息的要求并在建模过程中加以实现。同时，整体模型的名称以文件信息识别，模型构件的名称以空间位置、构件类型、几何尺寸和工艺属性信息识别，模型交互及传递以编码信息识别。BIM模型建立时的信息附加如图4所示。

图4 BIM模型建立时的信息附加

BIM建模时附加的信息类别分为：

1)文件信息，即工点、部位信息等，例如文件名称设置。文件命名需根据模型所属工点或部位确定，以便于识别和整合，命名时采用逐级递减的方式，例如： 平安里站-主体结构、平安里站-主体围护结构。

2)空间位置信息，即定位信息，例如构件名称设置。构件名称应能反映构件的空间关系，例如： 框架梁-站厅层、框架梁-站台层。

3)构件类型信息，即构件分类信息，例如构件名称设置。构件名称应能区分不同构件类型，例如： 框架梁-站厅层、连系梁-站厅层。

4)几何尺寸信息，即构件的几何属性，例如构件名称和尺寸标注。构件的名称中要直接体现构件的几何尺寸，例如框架梁-站厅层-1 400×1 000； 构件的尺寸标注往往根据建立的三维构件自动生成，例如构件的长度、面积、体积。

5)工艺属性信息，即构件的非几何属性，例如构件材质和分析属性。构件的材质和分析属性一般在建模时单独附加，查看材质信息和分析信息要通过阅读构件属性取得。

6)传递规则信息，即构件信息化编码，例如WBS编码和EBS编码等。WBS编码和EBS编码是模型和信息化管理平台交互的基础，例如： 根据单位工程、分部分项工程以及构件类别将构件编码为车站(D)-结构(JG)-主体结构(01)-柱(01)-矩形柱(01)、车站(D)-建筑(JZ)-附属结构(02)-柱(01)-圆形柱(02)。

BIM模型建立完成后的信息附加如图5所示。

3.1.2 BIM信息化管理平台施工过程中的信息附加

基于BIM的信息化管理平台又被称为BIM-GIS可视化交互平台，信息化平台在动态信息附加方面是对建模附加信息的补充和完善。不同参与方在信息化管理平台中对构件的材料用量、成本、工艺过程进行信息附加、共享和传递，如图6所示。

图5 BIM模型建立完成后的信息附加

3.1.2.1 BIM-GIS可视化交互平台进度管理

BIM-GIS可视化交互平台进度管理信息附加的核心是模型的计划分组制定和模型的实际分组制定。

图6 参建各方基于BIM平台的施工过程信息附加

Fig. 6 Additional information of construction process based on BIM platform provided by various participants

BIM-GIS可视化交互平台进度管理信息附加包括总体工况设置、总体工况查看、进度节点设置、进度节点查看、计划分组制定、计划构件制定、实际分组制定、实际构件制定、进度查询展示和进度对比。BIM-GIS可视化交互平台进度管理模块对总体工筹情况加以信息附加，对进度节点进行过程控制，同时可以通过自动提取相关信息进行进度分析对比。

3.1.2.2 材料用量、成本、工艺过程信息附加

BIM信息化平台中材料用量、成本、工序的信息附加是信息集成的前提和基础，对施工构件进行材料用量、成本、工序的信息附加可以获得施工量、成本的统计。根据信息管理的目的反推出信息附加的内容，如图7所示。

图7 基于BIM的施工过程信息附加

基于BIM的施工过程信息附加随着施工的推进对每一根构件附加材料、时间、成本、工序等信息。施工构件材料的工程量附加分为设计工程量和施工工程量； 构件施工进度信息附加分为计划进度和实际进度； 构件成本信息附加分为材料成本和人工成本； 构件工序信息附加一方面是对构件工序过程的信息记录，另一方面是对构件工序过程的控制。

以上信息的附加由施工单位相关管理人员负责，例如： 施工计划时间由计划编制者添加，施工实际时间由现场技术员添加； 计划材料用量由材料申请者添加，实际材料用量由材料管理者添加。对于同类重复性构件计划用量往往相同，可通过构件编码或批量复制等功能快速添加计划用量。但即便是同类重复性构件，其实际用量也需每日根据具体情况单独添加。施工单位添加并跟踪完相关信息后，监理单位可定时复核。

工序管理通过将施工构件和WBS分解体系绑定，在WBS分解体系中按构件类别设置工序信息，从而为构件绑定施工工艺信息。同时，在构件施工过程管理时还可以按不同的工序指派任务、选择人员、记录施工时间，从而更细致地进行施工过程控制，例如： 钻孔灌注桩分为护筒埋设、钻孔、吊装钢筋笼和灌注混凝土，以钻孔灌注桩为例说明基于BIM信息化管理平台施工过程信息附加内容，如表1所示。

表1基于BIM信息管理平台的钻孔灌注桩信息附加

Table 1 Bored pile additional information based on BIM information platform

时间材料 人工工序(护筒埋设)工序(钻孔)计划开始设计量定额人工计划结束最大量最大人工开始时间开始时间实际开始单价单价计划结束计划结束实际完工实际量实际人工实际完工实际完工

3.2 BIM施工进度信息跟踪

基于平安里站的BIM施工进度信息跟踪以信息附加为前提和基础，信息跟踪通过施工进度信息分解，分别对进度、材料和成本等信息进行跟踪。跟踪过程一方面是现场动态信息的数字化体现，另一方面是现场影响因素的记录和整理。

基于平安里站的BIM进度信息跟踪通过BIM-GIS可视化交互平台和BIM数据集成与管理平台共同进行。信息跟踪的范围包括信息附加的范围和监测信息，信息跟踪的方式主要通过信息定时填报和信息自动化传输。信息定时填报指的是根据施工过程对各种影响施工的因素信息进行添加，例如影响钻孔灌注桩施工的因素、影响时间、预计结束时间等。信息自动化传输主要指监控量测信息动态跟踪，监控量测的信息通过系统插件自动将实时数据传入信息化管理平台并进行分类跟踪。监控量测信息实时跟踪系统如图8所示。

3.3 BIM施工进度信息集成

BIM模型替代二维图纸以及传统的图像和数据形式进行施工进度跟踪，充分利用了模型可视化的特点，完成了“所见即所得”的虚拟与现实对接。图9示出平安里站站后渡线段轻量化模型。基于BIM的进度跟踪在信息集成方面，利用不同软件不同平台可以对施工构件的材料、工艺、成本等进行信息综合和提取。针对短时间内(如1周、1个月)，基于BIM的进度跟踪可以根据施工过程实时统计记录影响施工进度的因素，并统计分类，这种短期内的“小数据”可以避免变量不足导致的分析偏差，并能精确定位短期内影响进度的因素，并在下一个施工阶段加以调整规避。而后，通过汇总短期的进度情况，结合总体计划的节点控制，并统计先前所有影响因素进行分析，形成一定意义上的“大数据”，从而为阶段性或整体进度目标纠偏和成本核查提供基础。

图8 监控量测信息实时跟踪系统

Fig. 8 Real-time tracking system for monitoring and measurement information

图9 平安里站站后渡线段轻量化模型

Fig. 9 Lightweight model of crossing line section of Ping′anli Station

基于平安里站的施工进度信息集成依托于“BIM数据集成与管理平台”，集成信息分为施工过程基础信息和进度信息2类。施工过程基础信息对主要机械、材料、现场管理人员等进行集成化统计，如图10所示。基础信息集成有利于管理者实时了解现场作业情况，判断现场运行状态，把控施工过程。

图10 BIM数据平台施工过程基础信息集成

进度信息则对出图情况、规证办理情况、开竣工情况、产值统计情况、节点计划情况、百分比统计情况和进度横道图情况进行了信息集成和管理，如图11所示。同时，进度信息模块还集成了进度影响因素，例如影响进度执行的拆迁因素、风险因素、供货因素和其他因素。

进度信息集成模块在构件信息附加的基础上，统计构件的数量和材料以及人工等成本，自动整理出施工产值计划和实际施工成本，并进行二者的比较。值得注意的是，每一施工单元材料、人工、成本的施工产值统计以合同工程量清单为依据，实际施工成本的统计以现场管理人员考虑各项影响因素后上报的数据为依据。无法通过工程量核算的成本，例如文明施工成本，均由管理人员单列计入每天的其他成本中，如其他人工成本。这样可以一定程度上避免无法定量表达的零星工作得不到统计的情况。具体成本累计信息集成如图12所示。

4 基于BIM的施工进度信息获取量优势分析

施工进度信息包括施工计划、施工成本、施工材料、人员配备和产值统计等。传统的施工进度信息相互剥离，即使通过计算机辅助程序也很难在进度计划横道图上附加材料、成本等信息，且往往与材料、成本等信息同时发生，但却各自核算，独立存在，进度信息与材料、成本等信息的联系仅仅通过人力维系，容易丢失、错乱、不清晰。为了有效解决这种信息孤岛，是否可以采用信息集成手段使施工信息根据施工进度与材料、成本的逻辑关系同步附加、跟踪和集成?基于BIM的施工进度信息化管理就是为了解决施工过程信息的剥离情况，使施工信息随施工进度逻辑附加、跟踪与集成。基于BIM的施工进度信息获取量优势主要体现在以下几个方面。

1)可视化的信息传递。基于BIM的可视化效果是一种全新的沟通方式，其与传统的二维描述不同，可视化的效果使信息传递更有效、更直观。同时，可视化的构件可以进行碰撞检测，充分利用其三维的特点进行空间信息分析。

2)信息附加、跟踪。基于BIM的进度管理可以为施工构件绑定时间轴，对施工过程进行可视化的4D管理，同时，基于BIM的进度管理可以以构件为单位进行材料、成本、工序信息的附加和跟踪。而传统的施工进度管理大多停留在图表阶段，各种信息逻辑相互关联而表现形式相互剥离，不利于信息的查看和动态跟踪。

3)信息集成。基于BIM的进度管理在大量信息附加和跟踪的基础上对信息进行集成，集成后的信息根据施工进度逻辑统一整理、分析数据，从而动态地体现整个施工过程的进度信息、材料信息、成本信息，满足形象进度、产值统计、施工成本的三同步计算原则，有利于项目管理者掌握合同执行情况，把控管理方向。

图11 BIM数据平台进度信息集成

图12 成本累计信息集成

5 结论与体会

基于北京地铁19号线平安里站的BIM施工进度管理是施工信息集成管理的新手段。为了有效解决施工过程的信息孤岛，BIM技术结合信息化管理平台根据施工过程进行了信息的附加、跟踪与集成，其中，以施工进度管理为主线，附加、跟踪随进度而产生的材料、成本等信息，最后对各种信息进行集成、分析。对比传统的施工进度管理方法，基于BIM的施工进度管理能及时有效地对信息进行附加，使信息依附于虚拟现实而存在，保证施工过程管理的可追溯性。同时，依托BIM的信息化管理平台可以实时分类跟踪各种施工进度信息，包括施工材料、成本、工艺和时间等，使BIM施工进度信息得以持续，不间断地汇集。基于BIM的施工进度信息在附加和持续跟踪的基础上，通过信息化管理平台可以对进度信息进行集成，集成的信息分类详细，自动组序智能，有利于项目管理者把控项目整体进度，对项目资源做规划级调度。这种基于BIM的施工进度信息附加、跟踪与集成能有效地解决信息孤岛现象，使施工信息随施工进度逻辑附加、跟踪与集成。

当然，目前针对BIM技术在大型项目的施工信息化管理应用参考案例还不丰富，本文以一个车站作为研究对象，信息数据交叉相对较少，若要将基于BIM的信息化推广至更大的项目，后续还需进一步调整数据附加、跟踪、集成的方式。

本文以实例的方式研究阐述了基于BIM的施工进度信息管理方式，对后续开展基于BIM的全过程施工管理和数字化管理提供了重要经验，后续的研究中建议扩大BIM进度管理的信息化应用范围，例如以施工进度为主线的BIM信息化施工过程管理，包括施工过程中的施工质量信息、安全信息等。