BIM+铁路精细化管控平台的设计和应用

张敬涵，李佳玉，解亚龙

（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）

高速铁路工程建设项目具有投资规模大、实施周期长、信息总量大等特点，新兴信息技术的发展及与铁路行业现有技术的深度融合，是提升铁路工程建设效率、保障建设质量、降低成本的重要手段。因此，铁路相关行业制定了建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）统一发展规划，针对BIM 在铁路行业的典型应用，有计划、分阶段地开展BIM 应用研究和实施工作[1]。BIM 在铁路建设工程的推广应用已成为行业发展的必然趋势[2]。

铁路BIM 技术在工程建设中起到了提高施工效率、降低施工成本及优化资源配置的良好效果。BIM技术的优点主要是展示方式直观、便于模拟优化、便于协同工作[3]，可结合铁路设计行业的状况，进行信息交流与资源交互，建立工程相关的数据资源库并在工程推进的过程中逐渐对其完善，满足工程数据资源共享的需求[4]。但BIM 也具有一定的单一性和局限性，目前，尚未有覆盖中国铁路行业的完整的BIM 标准、成熟的铁路专用BIM 软件及铁路软件架构库[5]，且BIM 与其他技术还未完全融合贯通、互相关联，因此，单一的BIM 技术并不能完全满足铁路建设施工需求。

本文将BIM 技术与物联网、云计算、大数据等技术相结合，设计了基于BIM+的铁路精细化管控平台（简称：平台）。该平台的应用，可进一步提升铁路工程建设技术水平及信息化管理的能力。

1 平台设计

1.1 平台构成

平台总体架构采用私有云+公用端的模式，以BIM 数据为核心，集成物联网、大数据和云存储等技术，通过模型和工程数据进行施工过程全生命周期管控，将施工建设各个时期信息进行整合。同时，客户端、服务器与数据库作为数据媒介，服务并支撑私有云和公用端的业务应用，平台构成如图1所示。

图1 BIM+铁路精细化管控平台构成

（1）公用端包括工程模型、电子沙盘及进度质量安全数据，用于数据的可视化展示，实现业务应用。

（2）私有云用于存储BIM、现场数据及协同数据，供各应用端进行调用。

（3）客户端、服务器与数据库共同支撑模型展示与人机交互功能。其中，客户端负责展示与输出数据；服务器负责接收、处理数据；数据库用于数据和模型的存储。

1.2 逻辑架构

平台可划分为数据层、接口层、服务层、模型层和应用层，逻辑架构如图2所示。

图2 BIM+铁路精细化管控平台逻辑架构

（1）数据层：包含原始数据、模型数据及地理信息数据，负责处理和存储接口层、模型层和应用层传输的各类数据。

（2）接口层：分为结构化数据接口、非结构化数据接口和数据同步接口，为服务层提供统一的数据接口，进行数据的解析、提取和集成。

（3）服务层：为应用层和模型层提供服务，主要分为渲染服务、权限服务、模型处理服务和分析服务[6]。其中，渲染服务包括BIM 的展示和浏览；权限服务包括数据的读取控制及修改控制；模型处理服务包括模型的存储、查询、提取、更新及比对；分析服务包括数据的通用性能分析。

（4）模型层：用于分层存储BIM，并对模型进行轻量化及优化，以减小CPU 负载、内存负载和网络负载，实现精准调用。模型层为应用层的具体功能提供三维可视化服务，支持应用层的各类业务智能化管理。

（5）应用层：通过读取、调用数据库数据，对BIM 和各类数据进行三维展示，实现平台业务数据的输入与输出。按不同建设管理目标对工程的模块与功能进行划分，实现电子沙盘 、进度管理、施工组织（简称：施组）管理、资料查询等功能应用。

1.3 技术架构

平台采用Java 数据库连接（JDBC，Java Data Base Connectivity）技术和模型-视图-控制器（MVC，Model View Controller）设计模式。其中，MVC 设计模式用于链接后端MySQL 数据库和Tomcat 服务器；JDBC 用于打通资源数据、数据服务、应用服务与Web 服务，再由Web 服务将数据和应用输出到互联网端进行展示和应用。平台技术架构如图3所示。

图3 BIM+铁路精细化管控平台技术架构

平台基于面向服务的架构（SOA，Service-Oriented Architecture）进行前后端分离、模块化设计和服务化设计，分离了数据层和控制层；通过中间件构件设计、高扩展设计和高可用性设计形成Java开源生态圈；通过性能扩展性设计和高响应速度设计实现动静分离机制。

平台由前端和后台组成：

（1）后台采用MySQL 数据库，并基于Tomcat服务器进行应用发布，传输动态资源数据和静态资源数据，实现数据服务和应用服务，同时，服务将数据反馈回到MySQL 数据库，处理生成新数据后再由Tomcat 服务器进行发布；

（2）前端采用Html、Css 等浏览器原生支持的技术进行客户端的应用构建，包括浏览器端平台界面、模型应用、业务应用和系统调用服务，可在保证平台性能的同时，给予良好的用户体验，实现高效开发。

2 平台功能

平台的功能主要有电子沙盘、进度跟踪、施组优化及施工方案模拟。该平台以施工进度为主线、数据信息为基础、成本控制为核心，实现了施工过程的实时、多方位和多节点管理。

2.1 电子沙盘

BIM 施工建设电子沙盘提供不同的投影模式，可使用户从高处对整个场景进行全局性的观察，以不同的角度和距离俯瞰整个区域，且具有放大、缩小、平移、旋转等基本操作功能。同时，电子沙盘提供天空背景和环境效果，可增强场景的真实感，便于用户对地形、地貌进行分析及对整体、局部地形进行观察。

通过电子沙盘，用户可从大数据的角度解析施工数据需求，对施工过程数据进行梳理和统计，从项目基本信息、进度、安全、质量等多个维度对铁路施工的整体建设精准把控。

2.2 进度跟踪

进度跟踪是将施工计划进度、实际进度数据与BIM 模型相挂接，将空间信息、时间信息、质量安全信息整合在一个模型中，并对一些重要的施工环节、工艺工法进行模拟和分析，以提高计划可行性，实现实施成果的预见性和可追溯性。在施工单元BIM 中，可将实际进度与计划进度进行比对，并在三维动态模型上展示，实现进度偏差分析和施工进度滞后预警。

进度跟踪功能有助于用户在项目施工过程中合理制定施工计划、精确掌握施工进度、优化施工资源及科学布置场地，可对整个工程的质量和安全进行统一管理和控制，有效缩短工期、降低成本、提高工程质量。

2.3 施组优化

平台基于计划编制的算法、BIM 与甘特图结合的形象进度展示方法，将工作分解结构（WBS，Work Breakdown Structure）与工程实体结构自动挂接，实现铁路施组优化决策设计。此外，利用BIM 技术进行施工资源配置优化，以施组计划为辅助，与工程中传统方法技术相结合，充分发挥各自的优势，可有效解决施组和资源配置优化问题，使施组编排更优化、资源利用更合理，从而达到降低施工成本的目的，为铁路施工精细化管理打下坚实基础。

2.4 施工方案模拟

施工方案模拟可对重点施工单元分别建立地形模型、场地布置模型、构筑物模型、结构模型和机电各专业模型等。模型的精细度为LOD350 及以上，模型单元的建立、传输、交付和解读信息包含模型的几何造型、几何精度、信息深度及基本信息附加。对施工过程中的具体工艺工法进行模拟，可根据模拟结果预判可能的结果，及时调整工艺工法的选择，优化总体施工效率。

3 平台特色

3.1 大体量模型轻量化融合

平台可将BIM、地理信息系统（GIS，Geographic Information System）及航拍大体量数据标准化，将不同标准的数据进行拆分和重组，形成统一可视化数据，为平台的应用层提供准确、全面的有力支撑。

平台实现轻量化的方式是将三维模型瓦片化。通常一个瓦片由级别、横坐标和纵坐标唯一标识，每个瓦片表示的像素宽度和高度是固定不变的，随着级别增高，每一级的瓦片数量指数性增多，每一个瓦片所覆盖的地理范围减少但像素宽和高不变，从而使得模型信息更加清晰明确，实现大体量影像数据、高程数据和BIM 的轻量化。

3.2 多源数据动态更新

平台通过统一数据源解析过程，保证数据动态更新。具体流程为：

（1）从BIM 中提取出属性信息数据，赋予其唯一标识定义；

（2）将属性信息数据进行流化处理，传入BIM 流数据库，发布BIM 服务；

（3）生成一份GIS 模型文件，将其存储到GIS数据库，发布GIS 服务；

（4）BIM 服务与GIS 服务经过认证后，统一由GIS+BIM 应用服务器发布到客户浏览器。通过该技术，当数据动态更新时，业务数据可通过唯一标识得以继承，使得模型版本控制更精准。

3.3 多期影像自动校准

平台通过导入无人机定期巡检形成的倾斜摄影影像，可自动生成模型，对新采集的影像自动进行位置配准及视口嵌套更新，并按日期排列对齐。通过多期影像自动校准技术可有效解决影像定位配准时的应用难题，包括人工分拣不及时、工作量大、相似区段地物无明显特征等问题，从而有效提高施工效率、降低人工成本。

4 平台应用

平台已成功应用于京雄（北京—雄安）城际铁路站前七标雄安特大桥项目的建设，实现了铁路工程建设施工精细化管控的目标。

4.1 应用概况

京雄城际铁路是完善京津冀区域高速铁路网结构的重要铁路线路[7]，七标主要工程为雄安特大桥。平台实施采用多层分布式应用部署，通过数据层实现关系型数据与非关系型数据的存储[8]，包括施工组织、检验批、工程影像、施工进度、地形数据、BIM、倾斜摄影等数据；通过服务层授权认证接口服务、地理信息服务及BIM 图形引擎服务；通过应用层实现综合展示、进度跟踪、施组优化、工单派发等功能。

4.2 应用效果

（1）模型深化：对雄安特大桥设计模型按照施工需求深化为施工模型，以m 为单位进行拆分，对模型进行组装后形成整体模型，并创建重要节点LOD400 级模型，可对细部构造进行展示。

（2）施工单元划分：将雄安特大桥项目的施工分部、分项的方法与 BIM 技术相结合，提出基于BIM 的工程单元划分原则；根据工程施工单元划分原则，提出施工单元划分方法；在此基础上，根据编码体系，实现施工单元的分类和编码。

（3）进度跟踪推演：以终端采集的雄安特大桥工程进度数据为基础，进行历史数据的综合分析，挖掘重点信息；通过进度推演算法和进度红线报警，可快速直观地反映进度滞后的原因和位置，从而实现工程项目 WBS 与 BIM 的自动关联、基于位置的计划编制与资源配置、施工进度采集、进度跟踪与控制及基于 BIM 的计划进度形象展示等功能。

（4）施组优化：通过BIM+技术，以系统工程学、控制论和信息论为理论基础，实现信息集成和矩阵式结构管理，对雄安特大桥项目的施组情况进行动态、量化管理和有效优化。

（5）分布式电子沙盘：基于雄安特大桥BIM单元，通过多层分布式应用部署，实现电子沙盘虚拟场景与桥梁真实场景的融合，通过统一标准的经度、纬度、海拔等地理信息坐标体系，实现精准定位和时空动态分析。

（6）精细化管理：将雄安特大桥工程的每一个BIM 构件作为一个施工单元，结合施工经验，通过平台掌握每个工点的详细情况，从而完成特大桥整体的多方位、精细化管理。

5 结束语

本文提出的BIM+铁路精细化管控平台结合物联网、大数据、云存储等技术，将三维模型与施工信息关联，实现电子沙盘、进度跟踪、施组优化及施工方案模拟等多种功能，从而以专业化和科学化的管理手段，对项目施工建设期的进度、成本、质量、资源、安全等方面进行动态和量化管理，可有效控制风险因素，保证铁路全生命周期涉及到的各方参与人员高效协同工作，最终对项目建设实现精细化管理。下一步，还须针对铁路管理领域的深度要求，构建完善的精细化管理体系，进一步提升铁路工程建设水平。