基于BIM的建设项目全生命周期工程管理系统设计与应用

李敬中，李劲松，雷海燕，乔 桩，郑云水

（1. 中国铁路北京局集团有限公司 站房工程项目管理部，北京 100071；2. 中国铁路北京局集团有限公司 建设部，北京 100089；3. 兰州交通大学 自动化与电气工程学院，兰州 730070）

随着全国铁路建筑工区数量和建筑规模的不断扩大，工程项目也朝着大型化、复杂化的方向发展。全生命周期数据集成管理的理念被引入建设工程项目管理中，并取得了一定成效。但是，这种管理模式需要应用先进的计算机技术，完成建设工程项目过程信息的数字化表达，支撑建设过程及运维过程所产生的大量的记录、存储、共享管理工作等数据。建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）技术借助特定软件，不仅可以创建工程信息三维模型，而且可以应用于整个项目的全生命周期管理中。

近年来，BIM技术越来越多地进入土建工程领域，在建筑市场的使用率从2007年的28%提高到71%[1]。Iyer-Raniga等人[2]采用建筑节能建模软件，开发出用于澳大利亚地区住宅建筑的全生命周期管理框架。Hoeber等人[3]提出一种开放标准的工程项目设施的全生命周期管理方法，该方法通过采用BIM技术、对象类型库等手段，并通过荷兰基础设施项目实践证明了其可行性。在国内铁路建设项目中，BIM技术得到了广泛应用。张建平等人[4]分析我国工程施工现场的特点，设计了建筑施工使用的BIM建模系统和四维项目管理软件。高永刚等人[5]将BIM技术应用在杭州东站站房建设工程项目中，设计的BIM很好地反映了站房工程结构复杂的空间关系，提高了施工方案的制订效率。曾绍武等人[6]在研发地铁四维管理系统时，通过BIM技术实现了地铁车站的三维可视化建模、施工过程模拟、施工动态监测、四维动态基面沉降监测等功能。欧阳业伟等人[7]研究了BIM技术在地铁工程中应用，如施工过程模拟、虚拟建造技术、施工进度管理等；并结合具体应用，验证了该方法的可行性。

上述研究都提出了针对铁路工程项目中施工管理阶段的解决方案，但对铁路工程项目从可行性报告、初步设计，到竣工完成、设备运维管理等过程，并未提出一个完备的总体解决方案，因此，铁路工程项目的全生命周期管理研究还有很大的探索空间。基于以上分析，本文提出了一种基于BIM的建设项目全生命周期工程管理系统，并通过具体的工程实例来验证该系统的实用价值。

1 基础模型管理

工程项目生命周期管理（PLM，Product Life-Cycle Management）指从工程项目的需求开始，到工程项目淘汰报废的全部生命历程。而整个工程又可以拆解成独立的设备，工程的健康状态取决于各类设备的健康状态。待各类设备投入运营后，设备的工作状态与设备基础模型创建链接，实时更新设备模型的健康状态，从而实现对工程项目的健康状态监测。在工程项目的全生命周期管理中，独立设备的基础模型为工程项目的全生命周期管理提供基础数据来源。基础模型管理将历经建立模型、模型审查及深化改建这3个阶段。

本文以北京局集团公司丰台站工程站房改建项目为例，分析基于BIM技术的基础模型管理（简称：基础模型管理）的可行性。该项目具有工程建设体量庞大、涉及专业繁多、大跨度大截面预应力梁施工等难点，因此，模型的准确性、可修改性及联动性是该项目至关重要的需求。本文将从基础模型管理的3个阶段进行说明。

1.1 模型建立

基础模型管理采用Rhino+Grasshopper和Revit+Dynamo进行模型参数化节点编程，其结果如图1所示。北京丰台站工程站房改建项目共开发了11个参数化程序包，实现了模型的参数化辅助正向设计。基础模型管理节省了大量的重复工作，提高了模型的准确度和时效性。北京丰台站的基础模型主要有站房模型和信号设备模型，这些模型的结构信息将根据实际应用进行组合或分解。基础模型管理对这些模型采用模块化的方式进行存储。另外，对于一些模型无法表达的信息，基础模型管理采用平面图形、附件、影像等形式，作为附加信息补充到模型数据库。

图1 部分站房设施模型

（1）站房建筑模型

站房建筑必须标记出设备相关机房、道岔、轨道等名称；房屋模型的外观、尺寸及布局要与实际情况保持一致，且标记房间、信号设备室、设备电源室等名称，其空间位置与实际情况保持一致。站场模型必须与实际站场或设计图纸保持一致，道岔的类型、数量、位置、连接关系也要与实际站场或设计图纸保持一致。部分站房设施模型，如图1所示。

（2） 信号设备模型

信号设备模型必须包含但不限于空间位置、连接关系、组成、配线等基本数据。信号设备模型可根据专业设备的功能及其不同用途，增加工程空间属性数据、设备安装说明与规范文件等非几何信息，但要求增加的信息必须符合系统数据结构或接口规则的要求。已建立部分信号设备模型，如图2所示。

图2 信号设备模型

1.2 模型审查

对模型进行渲染着色可以更直观地显示站房建筑、信号设备等设施的布局结构，使相关人员能够方便地进行模型审查。与此同时，相关人员还可以利用各类审图软件辅助进行模型审查，以查验站房建筑、信号设备等模型是否满足BIM技术的几何数据要求。

1.3 模型深化改建

在施工过程中，如果相关部门对模型功能或空间结构提出调整要求，那么BIM技术的联动性能够快速地进行模型的调整和更新，实现了模型的相关数据“一动而全动”，即整体调整和更新。

2 全生命周期工程管理系统

建筑项目全生命周期管理的核心在于工程项目的设备所产生的有效信息能够为项目自身的建设和管理提供数据支持。基于BIM的建设项目全生命周期工程管理系统（简称：工程管理系统）的结构如图3所示。

图3 基于BIM技术的全生命周期工程管理系统结构

2.1 标准制订

北京局集团公司丰台站改建项目覆盖多个领域，不同领域之间又存在信息交互，因此，标准规范化技术的制订能够避免数据集成时出现歧义。本文参照已有建筑的相关标准和规范，制订了《北京丰台站铁路站房信息模型设计标准》《铁路站房信息模型建设技术标准》《施工阶段BIM标准》《铁路站房信息模型深化应用标准实施方案》等4套标准。

2.2 协同共享机制

为了实现各软件之间数据的统一交流转换，工程管理系统采用3种共享平台进行模型处理，为几何模型与非几何信息的读取和传输提供支持，实现数据的协同共享。

（1）Cars BIM

Cars BIM可对模型进行轻量化处理，并在处理过程中分析模型数据，从而提高模型的加载和运行速率。Cars BIM将不同模型形成统一格式的轻量化模型文件。

（2）移动端App

移动端App支持38种软件格式，可以实现进度管理可视化、施工分区管理、工程量快速统计、二维模型和三维模型联动、图纸–模型对比、模型集成等功能。

（3）共有云

共有云作为全生命周期工程管理系统的子系统之一，为工程项目的建设和管理提供一个数据共享平台，可用于数据的上传、读取等功能。共有云常用于工地自建信息化系统，实现现场人员配置、施工设施状态、工程进度等精细化管理，并与建设单位监测系统、管理及运维系统无缝集成。

2.3 建设管理系统

2.3.1 工程组织管理

在工程建设期间，工程组织管理分为进度管理和安全风险管理两大类。

（1）进度管理：施工组织进度管理的核心是要抓住工程建设的关键路线及关键任务，对重难点项目开展施工组织预警，增强施工组织“红线”分级管控。同时，施工组织进度管理按照日、周、月、年等时间单位填写电子施工日志，并以此为依据进行工程项目进度追踪和预警，以及进度实时对比分析和动态调整。

（2）安全风险管理：通过无人机在铁路沿线飞行拍摄，采集沿线违章建筑物、工程进度等施工现场信息，并与进度计划进行对比。安全风险管理通过对工程特殊部位（深基坑、高支模、钢结构吊装等）关键风险点进行实时监控量测，实现智能三维可视化预警预报。

工程组织管理以施工组织管理和关键线路节点控制为主要目标，将整个工程逐层按照工程实体和工作任务进行分解，同时结合工程特点和应用需求编制科学的施工组织计划；以安全管理红线和管理规定的内容为依据，重点围绕危大风险源识别、过程管控进行全方位管理，对重大风险源、设备、环境设施进行实时动态监控，实现三维可视化的自动预警预报。

2.3.2 施工数据采集

建筑垃圾的再生利用已成为全世界共同关心的课题，也是工程界研究的热点问题之一。发达国家寻求环境保护和可持续发展的重要途径是建筑垃圾的资源化，不少国家通过立法来保证建筑垃圾的回收再利用。日本、美国以及欧洲各国在政策、技术和应用等方面起步较早，且比较成熟。目前我国在此方面与发达国家相比滞后，其中对再生混凝土有了一定的研究[1-4]，但对于再生细骨料的应用研究很少，大多还处于探索研究阶段，且利用率很低。

施工现场将设置以下子系统，实现施工数据的实时采集，并将数据传输至工程信息管理平台进行集成。

（1）视频动态监控子系统：施工场区分别在出入口、办公区、主体施工作业区、隐蔽工程区等重点区域部署监控设施，以实现对施工现场的全方位监控。

（2）人员劳务实名制子系统：通过“人脸识别+指纹识别”的方式，对出入施工现场的人员进行实名认证，并准确记录是其出入时间。

（3）绿色施工子系统：主要依托自动化监测设备，对施工区域的风向、温度、湿度、颗粒物浓度（PM2.5、PM10）等环境参数进行全天侯测量并记录相关数据。同时，绿色施工系统还能够联动雾炮喷淋系统，对施工现场进行有效的降尘处理，提高施工人员的施工环境。

（4）塔吊防碰撞子系统：实时监控塔机吊重、起重力矩、变幅、工作转角、吊钩位置、作业风速等参数，并对塔机的自身限位、干涉碰撞、禁行区域进行全面监控，实现塔机行或多塔单机运作业防碰撞的实时监控与声光预警，为操作员及时采取正确的处理操作给予正确提示。

（5）施工场地动态管理子系统：建立五维施工资源模型，对施工现场的施工资源实现实时监控和动态管理，对施工进度相对工程量和施工资源进行成本的动态查询和统计分析，提高施工项目管理水平和成本控制能力。

（6）疫情监测子系统：新冠肺炎疫情防控不仅需要全民参与，更需要数据支撑。疫情检测系统通过大数据及体温自动测量设备，对施工人员进行体温检测。

2.4 数字运维系统

建筑运维管理是对建筑相关设备的运营过程进行维护。结合实际应用，数字运维系统分为3个层级：可视化平台、功能模块、数据库。功能模块包括设备巡检、设备故障预警和设备故障诊断，其中，设备故障预警和设备故障诊断对基层数据库调用的数据进行分析，其分析结果在可视化平台中展示。数字运维系统的结构如图4所示。

图4 数字运维系统结构

（1）设备巡检

（2）设备故障预警

依据模型的设备信息及地理信息系统（GIS，Geographic Information System）的定位信息，设备故障预警功能实现了对运维阶段设备健康状况的持续跟踪，并对可能出现的故障类型提前预警。

（3）设备故障诊断

设备故障诊断与设备故障预警功能相似，所不同的是，设备故障诊断针对故障发生后的情况。系统能够快速地分析数据库中数据，及时准确地对设备的故障类型、影响范围、维修方案等做出判断。

2.5 运维模型转换

当工程竣工交付时，相关人员会进行虚拟模型信息的核对，保证虚拟模型与现场实际的施工内容一致，并确保模型所提供信息的准确性。施工单位根据虚拟模型完成施工模型，经过一系列的模型转换，最后生成运维模型。

交付模型包含方案设计、造价、建设过程等与运维系统无关的数据。这些数据增加了模型的数据量，因此在转入运维系统前，模型数据需要进行筛选和录入，并转化为运维模型。依据运维模型的相关数据，数字运维系统中实现了对工程设备的健康状态进行实时监控。运维模型转换过程如图5所示，由模型重组、创建视点、系统分类和属性优化4个部分组成。

图5 运维模型转换过程

（1）模型重组：对竣工模型的组织结构、归属划分等信息进行重新编辑和整理，以便与相应的管理软件进行数据共享的有效对接。

（2）创建视点：根据运维管理系统可视化的需求，在站房模型中建立了合理数量的视点。

（3）系统分类：在Revit竣工模型导入模型文件时，幕墙、喷淋口等构件容易产生分类不正确的问题。因此，在运维模型导入前，技术人员对模型逐一进行标识。导入后，模型信息分类的准确性可以通过搜索功能进行检查。

（4）属性优化：从Revit竣工模型导入模型文件后，模型属性需要重新编辑和校对，以达到优化的目的。

3 系统应用

以北京局集团公司丰台站工程站房改建项目为例，该工程项目总建筑占地面积约为47.52万m2，站场总规模为11台19线，包括建筑、给排水、电气、信号等专业设备。应用本文设计的系统，实现了以下目标[8]。

（1）工程项目可视化管理

BIM不仅能够将传统二维图纸信息转化为三维模型信息，而且能够将二维图纸中表达的信息在三维模型中真实展示。这弥补了二维图纸信息在空间定位方面的欠缺，实现了数据的三维直观可视化效果，进而为虚拟建造与运维提供信息化的产品与服务。

（2）设备状态实时监测

通过读取设备安装的传感器，设备运行状态数据可以通过数据共享平台实时传输至BIM数据库中，并利用可视化工具实现设备运行及监控状态的实时监控。

（3）巡检任务跟踪管理

运维人员使用移动端或服务器进行数据同步，对发现异常的设备进行记录并采集图像，填写巡检记录，最终完成巡检任务的兑现。技术人员通过对比设备的三维模型、原始图像与现场提供的巡检图像和报告，进行故障原因分析并维修。

4 结束语

本文研究了BIM在铁路工程项目的应用，提出基于BIM的建设项目全生命周期工程管理系统设计与应用方案，满足铁路行业的信息化、智能化发展需求，解决了工程项目在建设及运维时期的可视化、信息集成、协同化等方面存在的问题，为实现安全、高效、经济的项目管理方式提供了新思路。但是，BIM技术在工程项目的应用还需解决宏观到微观多层次统一协调、长达10年的项目时间内持续准确地采集与存储自动化信息等难题，这将是本文接下来的研究重点。