基于BIM的铁路隧道工程施工协同管理平台研究

马少雄,李昌宁,徐 宏,徐 飞,赵 钦

(1.陕西铁路工程职业技术学院,陕西渭南 714000； 2.西安理工大学土木建筑工程学院,西安 710048； 3.中铁一局集团有限公司,西安 710054； 4.西安工业大学计算机科学与工程学院,西安 710021)

随着《中长期铁路网规划》和《交通强国建设纲要》等政策文件的颁布实施，我国迎来铁路建设高潮。然而铁路项目因为其施工参建单位多、工期要求紧、技术标准高、施工难度大和控制工点多等特点[1-5]，导致传统的铁路项目管理方式存在智能化程度不足、施工管理混乱等问题，成为制约铁路工程产业建设转型升级、提质增效的重要因素。在铁路项目施工过程中，如何实现施工信息的高效共享和利用，提高协同管理水平，进而优化施工设计、合理制定计划、掌握施工进度、合理使用各项资源，是缩短工期、降低成本、提高质量的根本途径[6-10]。

BIM是利用三维数字技术建立包含工程项目各种相关信息的数据模型[11-14]，项目施工过程中，各参与方都可以在信息模型中插入、提取、更新和修改信息，以实现其各自职责的协同作业[15-20]。因此，BIM技术的核心思想是构筑多专业间协同管理环境，将分散的参与方从时间和空间上联系起来，解决传统纸质方式交流的“信息断层”和“信息孤岛”问题，提升各主体信息交互的效率与准确性，为建立建设项目数字化施工协同管理平台提供了条件。利用BIM技术及计算机相关技术实现建设项目施工过程优化管理，可以达到提高项目管理水平、提升企业生产效益的目标[21-24]。目前，BIM技术在铁路建设项目施工协同管理中的研究与应用成果较少。本文依托太焦铁路TJZQ-5标武乡隧道工程建设，对基于BIM的数字化施工协同管理平台展开研究。

1 工程概况

太焦铁路TJZQ-5标武乡隧道位于山西省长治市武乡县，全长9 024 m，最大埋深约172.19 m，高程1 196.94 m。隧道区岩性主要为砂岩、泥岩，岩体节理裂隙较发育，多呈碎石状、块石状，易产生局部坍塌、掉块。其中Ⅴ级围岩884 m，Ⅳ级围岩3 610 m，Ⅲ级围岩4 530 m。隧道施工过程中，先后4次下穿村庄，12次下穿既有道路，并且下穿村庄多为年久失修的窑洞，安全隐患极大。施工全部采用控制爆破、短进尺开挖。

2 工程施工特点

武乡隧道工程具有涉及专业广、施工干扰大、施工外部环境复杂、工期风险极高、现场调度管理难度极大等特点。同时，隧道开挖对沿线百姓生产生活影响较大。鉴于此，引入BIM技术，研发数字化施工协同管理平台，一方面采用BIM技术实现碰撞检测、优化隧道构件结构、虚拟建造等常规功能，提前避免因设计缺陷导致的工程返工问题，为隧道施工进度安排提供合理的参考依据，有效提升施工效率；另一方面在此过程中形成以BIM为核心、可支撑施工管理各参与方管理业务标准化运转的施工过程协同管理环境，将影响或干扰施工管理的各因素可视化，将各专业信息数字化，提升施工管理效率，降低施工管理难度。

3 基于BIM的施工协同管理平台研发

3.1 BIM协同管理平台总体框架结构

铁路建设项目数字化协同管理体系以铁路隧道模型为基础，以集成化管理理念与协同为主要理论依据，以关系数据库存储为支撑，以铁路建设项目数字化管理平台为核心，结合铁路专业技术标准和统一编码体系，通过集成编码结构管理、规划组织管理、人员管理、模型管理、权限管理、工序管理、围岩等级管理、报表管理等功能模块，辅助各参建单位等利益相关方可在铁路建设项目施工全过程进行基于统一信息模型的数据采集、整理、统计、分析，从而有效开展决策支持、多目标综合管理，确定基于BIM的协同管理平台总体结构见图1。

图1 数字化协同管理平台结构

3.2 数字化协同管理平台子系统划分

铁路建设项目数字化协同管理体系的核心是数字化综合管理，平台由综合展板、隧道展板、桥梁展板、轨道展板、路基展板五大模块组成，其中隧道模块由项目管理、组织机构管理、围岩等级管理、工序管理、计划管理、模型管理、报表管理、权限管理8个子系统构成，见图2。

图2 数字化协同管理平台应用组成

3.2.1 项目管理与组织机构管理

项目管理与组织机构管理子系统包括项目基础信息维护、组织机构维护功能，项目基础信息包含项目唯一识别码、项目简称、项目简介、项目宣传视频图片、项目开始结束时间、各参建单位等有关项目所有基本信息，以支持多项目集中维护，实现多项目信息相对独立而又相互共享，满足数据共享的要求，组织机构功能则对公司内部所有部门信息进行了系统的建立，支持从其他业务系统接入，也支持其他业务系统通过API接口共享访问，为企业后期业务系统集成提供了统一的数据管理模型。

3.2.2 模型管理

通过专业的建模软件对施工项目主体进行BIM建模，利用插件进行模型轻量化处理，通过Cesnium开源技术封装的模型引擎对轻量化后的模型数据文件进行加载呈现。项目中存在多个BIM模型，就对应多个模型json数据文件，相互独立存储。在业务系统中，通过引擎API处理接口对所需的模型实现共同加载，达到多个模型融合的效果(图3)。

图3 模型管理子系统界面

3.2.3 计划管理

计划进度控制是将项目的各个阶段和先后顺序进行统筹规划和协调，对人力、物力、财力等资源进行合理安排和充分利用，达到在预定的工期内以最优的时间和资源消耗完成工程项目建设的目标。进度控制要求建设单位要按照制定计划、监控实施、积极调整的原则对工程建设全过程进行控制。

进度计划子系统中使用表格进度计划编制方式，快速定义任务的主要参数，包含计划名称、计划天数、开始时间、结束时间、实际天数、实际开始时间、实际结束时间、前置任务等。模块中设计计划与模型衔接，实现计划与模型的关联，也可以从模型树结构中直接提取有效参数批量设置计划，实现模型与计划的无缝对接(图4)。

图4 计划管理子系统界面

3.2.4 工序管理

隧道施工过程中包括开挖、仰拱、初衬、水电沟槽等几个常规施工步骤。此模块主要功能是对隧道施工工序进行常规维护，用户可以自定义工序步骤，由简单工序到复杂工序都能进行统一的管理维护，并根据各个工序步骤相对整体工程进度的影响程度，由项目管理人员对工序步骤设置权重比例，方便根据隧道实际施工进度和权重比例进行报表的统计(图5)。

图5 工序管理子系统界面

3.2.5 围岩等级管理

此模块主要功能是对隧道围岩等级进行设定，包含了围岩等级编码、围岩等级名称，通过将围岩数据与平台模型关联，实现围岩状态的实时跟踪并可视化展示，方便用户及时掌握围岩和支护结构状态，及时制定应急方案，对围岩信息进行统一管理维护(图6)。

图6 围岩等级管理子系统界面

3.2.6 报表管理

报表管理模块包含了施工进度累进报表、产值累进报表、施工进度折线图多维度统计分析、产值数据多维度折线图和柱状图分析、总完成占比分析等图表可视化分析(图7)。

图7 报表管理子系统界面

3.2.7 权限管理

此模块具有维护系统用户、角色、权限分配等功能。

3.3 数字化协同管理平台应用

利用基于BIM技术与软件开发的可视化项目管理系统开展施工管理、审核和鉴权工作，可以科学有效地指导工程决策。通过数字化协同管理平台，对项目实施情况进行实时监控与审核，及时上报问题并通知相关业务负责人进行处理。同时该系统具有鉴权功能，允许用户根据自己的职位和权限进行有限制的操作，达到多人协同处理业务，形成一站式的业务流。

通过数字化协同管理平台大屏显示功能，点击按钮即可观察隧道各个部分当前的施工状态。在右侧的展板清晰地查看数据的分析状况，便于从宏观角度对铁路项目施工进行把控(图8)。

图8 管理平台大屏展示

不同的使用者在该平台对应不同的权限。系统管理员具有最高权限，能够对平台中所有的模块进行管理，后台实现基础业务数据的采集、汇总、处理(图9)，通过模型引擎、Echart框架在前台进行模型渲染和数据可视化图表展示。

图9 系统管理员后台展示

4 效益分析

4.1 经济效益

在铁路隧道项目施工过程中，利用BIM技术优化作业过程和工艺流程，开展施工管理技术创新，提升企业生产效益。基于BIM的数字化协同管理平台在武乡隧道施工过程中的应用，针对隧道洞口断面定位减少变更费用30万元、施工方案优选等方面减少变更费用137万元，工程量核算对比节约830 m3混凝土约30万元，节约93 t钢材约25万元，隧道既有工程碰撞检查问题562处节约成本83万元，路桥隧接口设计优化问题35处节约成本42万元，围岩风险预警58次节约成本40万元，工序管理和围岩管理的节约现场隧道施工数据分析，提高了工作效率及数据分析自动化，为项目节省人工和材料费用约48万元，合计435万元。

4.2 社会效益

BIM技术在武乡隧道项目的成功应用，有效解决了传统隧道施工过程中可视化程度不高、现场调度困难、协同管理水平低等问题。研发了基于BIM的可视化管理共享平台及移动端，实现了对隧道施工过程中模型构件的全生命周期管理以及项目可视化、项目信息化，给企业、业主带来良好经济效益的同时，树立了实体经济与“互联网、大数据、人工智能”等新技术深度融合的典范，提升了企业在行业的影响力。同时，也推动了BIM技术与铁路施工技术的融合发展。

5 结论

(1)在铁路隧道工程施工过程中，利用基于BIM技术的协同管理平台进行施工管理，可以避免传统管理方式中存在信息分散、各部门人员交流不顺畅、进度质量安全问题处理不及时、管理混乱等缺陷，有效提升管理效率和管理水平。

(2)研发的协同管理平台包含综合展板、隧道展板、桥梁展板、轨道展板、路基展板五大模块，其中隧道模块由项目管理、组织机构管理、围岩等级管理、工序管理、计划管理、模型管理、报表管理、权限管理子系统组成，能够实现施工过程中主要管理功能。

(3)该平台可以直接观察隧道各个部分当前的施工状态，清晰地展示施工计划和施工工序，快速分析施工数据，便于管理者从宏观角度对铁路项目施工进行把控。该平台在武乡隧道工程建设中的成功应用，节省近435万元费用，是企业“提质增效”的有效途径，同时为铁路建设项目应用BIM技术进行施工管理提供了借鉴。