基于BIM技术的高速铁路四电接口管理系统研发与应用

刘红良，杨斌，马西章，解亚龙，吴明杰

（1.北京经纬信息技术有限公司，北京 100081；2.中国国家铁路集团有限公司工程管理中心，北京 100844；3.雄安高速铁路有限公司，河北保定 071700；4.中国铁道科学研究院集团有限公司电子计算技术研究所，北京 100081）

0 引言

高速铁路是一个庞大的系统工程，为达到高铁建设的技术标准和质量要求，各要素、工序、节点之间必须精密匹配，确保高铁系统的安全性与可靠性［1］。高速铁路建设具有多单位参与、多专业协调、多方位推进、多工种交叉作业等特点，其建设过程涉及各专业间大量的接口问题，基于建设模式、工序衔接、结构安全、质量和投资控制等原因，部分四电基础设施由土建单位负责实施。由于专业和建设特点的巨大差异，四电接口工程管理质量不高成为高铁建设常见的通病和短板之一［2-6］。

概括来说，四电接口工程主要存在以下问题：

（1）相关单位对管理重视程度不够，缺乏相应的管理制度；

（2）设计“差错漏碰”，源头出现问题；

（3）施工过程卡控不严，存在事后返工等质量问题；

（4）接口交接不规范，忽视及时交接的重要性；

（5）没有有效的监督机制，不重视整改，未形成有效的闭环管理机制。

因此，亟需一种新的技术平台对高速铁路四电接口进行辅助管理，通过信息化手段，实现接口的自检、复查、交接，对发现问题进行填报、处理、销号，最终实现闭环管理。借助BIM （Building Information Modeling） 与 GIS （Geographic Information System） 技术，依托铁路工程管理平台［7-8］，研究开发高速铁路四电接口管理系统，为接口提供可视化、协同化管理，为后续四电施工创造更好的条件。

1 需求分析

1.1 建设目标

基于BIM 技术的四电接口管理系统是以四电工程接口为管理对象，实现站前土建单位自检，站后四电施工单位复查，监理、建设单位参与监督管理的信息化系统。系统将线下管理转换为线上管理，形成“检查—记录—处理—销号”等一整套闭环处理业务流程，建立站前、站后接口工程对接检查处理机制，提升站前预留接口向站后施工单位移交的效率［9-10］。

1.2 业务流程

根据现场调研，梳理四电接口检查业务流程如下：

（1）站前土建单位依据相关要求，对施工生产的四电工程接口进行过程卡控、成品自检；监理单位依据施工过程监督及成品检测，评定接口质量是否合格。对于不合格接口，由土建单位进行处置，直至合格为止；对于合格接口，由站前土建单位批量向站后四电单位进行初步交接。

（2）站后四电单位进场后，依据设计图纸、质量验收标准等，对站前土建单位移交的工程接口逐项复查，发现问题立即通知站前专业整改处理。监理、建设单位对复查、整改过程进行监督管理。

（3）针对复查合格的接口工程，在建设或监理单位组织下，完成接口正式移交，实现站前、站后的责任和权限划分。

四电接口检查流程示意见图1。

2 总体架构及功能

2.1 总体架构

结合工程现场实际需求，立足接口检查业务流程，依托铁路工程管理平台，设计基于BIM 技术的四电接口管理系统。该系统业务涉及站前土建、站后四电、监理、建设等单位，用户多；专业涉及路基、桥梁、隧道、轨道、站场、牵引供电、电力、通信、信号等，专业多。为提高系统的易用性和稳定性，采用B/S架构设计，确保各级用户直接通过用户名和密码登录使用。系统采用数据层、应用与服务层、展示层等3级架构设计，总体架构示意见图2。

2.1.1 数据层

数据层包含三维模型数据、项目组织机构及人员数据、项目信息数据、接口类型数据、接口台账数据等，具体内容如下：

（1）三维模型数据：包含现场的路基、桥梁、隧道、四电BIM模型及地形GIS数据等。

（2）项目组织机构及人员数据：包含建设单位、施工单位、标段、部门、工区及机构人员等，此部分主要为系统使用的机构及相关用户。

（3）项目信息数据：包含站前土建、站后四电标段的工点及构筑物等，主要提供四电接口的地理位置信息。

（4）接口类型及接口台账数据：主要针对四电接口的类型及每种类型下需要检查的项目，为系统主要业务数据。

2.1.2 应用与服务层

应用与服务层包含业务流程及关键技术和二、三维数据处理及关键技术，具体内容如下：

（1）业务流程及关键技术：通过流程引擎，根据不同项目需求，方便、快速地构造四电接口检查业务流程，通过权限动态配置、接口类型动态配置、接口检查项动态配置等，快速实现业务数据动态扩展，适用于不同项目、不同业务的应用场景。

图1 四电接口检查流程示意图

图2 总体架构示意图

（2）二、三维数据处理及关键技术：利用BIM 轻量化技术和GIS 引擎技术，实现BIM 模型与GIS 的融合，并结合项目信息、接口台账等二维数据，达到二、三维多源数据集成。通过相关功能开发，最终实现接口的检查管理、统计展示、消息提醒等业务功能，并在BIM+GIS的三维场景下进行可视化综合展示。

2.1.3 展示层

展示层即终端应用层，表示不同用户访问、使用系统所需的终端设备（如PC 端、手机端、平板电脑等）。用户登录后，根据不同权限进行相应的数据访问和功能操作。

2.2 功能设计

系统功能模块主要依据需求分析和总体架构进行设计，可实现四电接口检查管理及BIM+GIS 综合展示，功能模块的架构示意见图3。

图3 功能模块架构示意图

2.2.1 系统管理

系统管理模块包含接口分类维护、角色维护、标段维护、授权中心等4个子模块：

（1）接口分类维护：对路基、桥梁、隧道、站场、轨道铺架等不同专业下的四电工程接口的分类进行动态性维护，如路基段接触网预埋基础、电缆过轨管，隧道段接触网预埋槽道、综合接地，桥梁段电缆爬架及锯齿孔等。既要维护接口的类型，还要维护不同接口类型下的检查项目，方便后续接口的检查工作。

（2）角色维护：对四电接口检查管理流程涉及的角色进行添加、删除、修改等维护，如接口自检员、四电站后复查员、评定员、处置员等角色的维护。

（3）标段维护：对土建专业和四电专业标段的区分，标段数据通过接口取自工程管理平台。由于工程管理平台中并未定义标段类型为站前土建还是站后四电，在流程管理中缺乏明确指向，因此，需要对标段进行维护区分。

（4）授权中心：对组织机构的各级管理和生产人员进行角色授予。如京雄城际铁路施工一标张某被授予站前自检员角色，当张某登录系统，即获接口自检权限，可利用APP对接口台账进行检查填报。

2.2.2 初始化管理

初始化管理模块包含接口台账初始化、标段负责人初始化、整改期限初始化模块等3个子模块。

（1）接口台账初始化：指站前土建标段根据图纸等设计资料，梳理四电接口台账，可通过EXCEL 表整体导入，增加初始化速度，也可添加单条台账，并满足修改、删除、查询等功能。

（2）标段负责人初始化：对各标段负责人相关信息进行填报或导入，满足线下沟通需要。

（3）整改期限初始化：根据建设单位管理需求，自检、复查出问题后，对整改期限进行规定。检查出问题时，整改时间根据整改期限自动计算得出。

2.2.3 检查管理

检查管理模块包含检查记录表、交接管理、检查问题库等3个子模块。

（1）检查记录表：将接口台账的初始化表格转换为检查记录表，并赋予表中每条接口数据一种状态，通过流程改变实现状态改变，完成每条接口的自检、初步交接、复查、处置、销号、正式交接等流程的管理，确保每个接口有检查、有记录、可追溯，并通过APP采集现场照片。

（2）交接管理：交接管理包含自检合格后的初次交接管理和复查合格后的正式交接管理。初次交接管理指站前土建单位自检合格后，批量移交给四电单位进行复查，是一种形式上的交接；正式交接管理指站前单位将复查合格的接口工程批量移交给站后四电单位，需有监理、建设单位参与并签字确认，是权限和责任的移交。接口正式移交是四电单位后续施工的先决条件。

（3）检查问题库：将接口自检及复查出现的问题推送至问题库模块，并对问题进行处置、申请销号、检查等循环管理，直至问题解决。问题库包含提醒推送功能，当检查出现问题时，将问题数据快速、准确地推送给相关干系人，并提醒监理、建设单位督办。

2.2.4 统计展示

统计展示包含BIM+GIS 综合展示、检查率统计、合格率统计、处置率统计等子模块。

（1）BIM+GIS 综合展示：利用BIM 模型轻量化技术，通过格式转换，将站前、站后各专业BIM 模型载入GIS环境，实现BIM+GIS综合展示，使站前、站后施工人员非常便捷、直观地查看接口位置信息和台账信息，对照实际现场，检查接口位置预留是否有误、是否碰撞、是否侵限、是否满足设计要求。检查人员通过手机或平板电脑调取BIM 模型，实现基于BIM 模型的检查填报，并将接口检查记录作为模型的非几何信息在模型中保存。

（2）检查率统计、合格率统计、处置率统计：对应不同权限的用户，统计查询四电接口的检查率、合格率及出现问题的处置率，可作为建设单位对施工单位考核的一项指标。

3 系统应用

目前，基于BIM 技术的四电接口管理系统已在京雄城际铁路进行了以下试用。

（1）台账初始化：站前土建标段人员依据设计图纸，梳理标段管段内接口台账，并在系统中利用导入或新增的方式进行接口台账初始化。台账初始化界面见图4。

图4 台账初始化界面

（2）接口检查：接口台账初始化完成后，接口数据状态变为“待自检状态”，站前土建标段可通过手机APP 自检（见图5）。监理和站后四电单位同样可利用APP完成接口评定及复查工作。

图5 手机端APP自检界面

（3）交接管理：土建单位针对自检合格的接口，初步交接给四电单位复查（见图6）；复查合格的接口，由站前土建单位批量或成区段地正式交接给四电单位（见图7）。正式交接完成后，四电单位方可进行后续施工。

（4）统计查询：不同用户根据相应权限在PC 端查看四电接口的检查状态及检查记录表（见图8、图9），也可查看不同统计图和统计表（见图10）。当接口数据状态发生变化或检查发现问题时，APP 启动提醒功能，精准推送给相关用户（见图11）。

图6 初步交接界面

图7 正式交接界面

图8 检查状态界面

图9 检查记录表界面

图10 检查统计图表界面

图11 APP提醒功能

（5）BIM+GIS 应用展示：土建站前单位通过BIM+GIS应用场景，提前检查接口预留、预埋位置，里程是否有误，是否遗漏、碰撞等，发现问题及时整改，以减少施工返工。基于BIM 技术的接口检查场景见图12。检查记录数据可在BIM 模型上查看，并进行BIM+GIS动态详情展示（见图13）。

4 总结与讨论

基于BIM 技术的四电接口管理系统已应用于京雄城际铁路，根据用户反馈，总结出以下优点：

（1）系统为四电接口各参与单位提供了一个统一、开放、可视化的信息化平台，各参与单位的职责和义务在系统中得到体现和约束。在建设单位的量化考核、监督下，改变了“土建强、四电弱”的传统管理模式，使四电接口管理制度有效贯彻执行。

图12 基于BIM技术的接口检查场景

图13 BIM+GIS动态详情展示

（2）系统为四电接口提供了详细的电子化档案资料，覆盖接口管理的全过程、全区域，尤其是隐蔽工程，有利于信息查询及追溯。

（3）形成接口自检、复查、交接的业务流程，对查出问题进行“记录—处理—销号”等闭环管理，建立站前、站后接口对接检查处理机制，杜绝问题整改不彻底、迁就整改、采取过渡措施等现象发生。

（4）规范接口交接管理，系统提供批量或成区段接口交付，为站后施工提供了更好的作业条件。

（5）基于BIM+GIS 技术，为接口参与者提供可视化、协同化的信息化手段，有利于管理者和生产者提高对接口的认识，便于检查管理。

但是，系统在应用过程中还存在一定不足，如流程冗长、应用不够灵活、和工程实际存在一定脱节等，并且BIM 功能主要以可视化展示为主，体现“差错漏碰”的优势不够充分，系统还需进一步优化和完善。