基于BIM与工程数据的轨道交通总承包进度管理研究

何跃川, 汪 宇, 肖 薄, 李 奇

(中铁科学研究院有限公司， 四川 成都 610032)

0 引言

以融投资为基础的施工总承包模式在轨道交通领域广泛应用，该模式下通常为刚性工期约束下的四边工程且影响工期因素众多[1]，对进度管理能力与企业履约能力提出了更高要求。传统进度管理手段存在计划制定只关注时间不关注资源消耗，计划无可行性与经济性[2]； 无法快速处理信息，无法预警计划偏差，以事后管理为主； 仅用横道图或网络图等表达计划，难以发现冲突矛盾；以产值为管理手段，无法掌握准确进度且难以判断产值真实性等问题。

BIM(建筑信息模型)通过建立工程项目数字化表达，能够承载建筑全生命周期工程数据，为项目进度管理提供数据支持，提高管理者管理效率。王婷等[3]将BIM和Project结合进行施工过程及场地布置模拟； 蒋平江等[4]运用DELMIA建立人体工学仿真BIM，实现三维技术交底与施工进度模拟； 何晨琛等[5]利用BIM进行进度控制基本模式并实现进度模拟； 袁振民等[6]利用BIM探索施工进度-成本优化方案； 李勇[7]尝试利用BIM平台进行施工进度复杂因素预测； 王乾坤等[8]利用BIM数据实现基于关键链进度计划的进度预警。上述研究成果对BIM在进度管理中的应用进行了挖掘与探讨，但尚没有从施工总承包管理角度对BIM在进度管理中的应用进行系统性研究。本文从BIM发展现状与总承包实际管理需要出发，研究轨道交通进度管理相关数据的相互关系与信息化管控模式，以期为类似工程提供参考。

1 总承包单位进度管理要点

1.1 进度管理工作

施工总承包管理不仅对建设单位承担法律和经济责任，还对分包单位、指定分包单位、专业承包商承担监督、管理和协调义务[9]，其进度管理工作是将施工总目标进行详细分解，通过计划、组织、实施、激励、控制5项管理手段确保项目顺利推进与工程按期履约。

基于调研访谈反馈可将总承包单位进度管理工作细分为计划管理、进度控制、成本控制和资料管理4个方面，并可得出进度管理主要影响因素[10]：

1)技术因素。包括项目参与方之间信息共享与传递情况，不同专业、工作面、工作计划的协同工作情况[11]，施工计划编制与调整优化水平，资源用量测算准确与合理性。

2)管理因素。包括进度计划落实情况、人员素质与其施工内容的理解、工艺工法熟练程度与操作水平、分包单位工程人机料配置与供应情况、工程价款拨付准确与及时性。

3)客观因素。包括施工环境条件、既有建筑与工况复杂度、总体计划制定情况、政府与建设单位履约要求等。

1.2 基于BIM的进度管理应用点

分析施工总承包进度管理实施影响因素可知，总承包进度管理的对象为分包单位，主要进行形象进度、关键节点、资金资源拨付等控制，不需要对施工队伍、机械台班的工效进行直接控制。结合BIM技术特点与工程信息集成管理思想[12]可知，施工总承包管理中运用BIM技术的可行性高于分包单位管理，主要管理应用点如下：

1)通过整体线路及关键部位施工过程模拟、三维漫游、实时施工位置查看等，实现施工进度可视化；

2)快速获取实际进度数据、进度计划完成情况，实现进度实时跟踪与计划动态比较；

3)实现形象进度层次的工效控制，分析进度偏差产生原因与偏差影响，确定后续工作限制条件，调整并实施进度计划；

4)快速统计产值与工程量，为工程的进度款拨付、工程结算提供参考，减少成本计划与工程进度款支付争议；

5)实时测算工程进度成本，纠正实际工程进度、成本与目标进度、成本差距，防止对整个项目的进度与结算造成影响；

6)实现基于数据库的竣工进度信息模型集成交付，实现资产移交的信息化。

2 基于BIM的进度管理

本文利用BIM解决工程WBS与工程量清单相互关联、结构化存储与数据可视化问题，通过各阶段施工计划、关键节点、施工进度录入、预警报警、数据统计等规则制定实现各项进度管理应用，并基于C#开发应用平台进行功能实现。为不失一般性，本文仅从方案实施层面进行讨论，不表述具体业务逻辑、数据库规则、显示渲染、模型轻量化、代码编程、操作流程等软件开发与运行问题。

2.1 系统架构与实施流程

基于BIM与工程数据的进度管理实施，系统架构分为数据层、服务层、业务逻辑层和交互层，用户交互层主要分为数据配置、数据录入和数据应用3个方面，具体平台框架架构如图1所示。

2.2 数据处理与基础设置

2.2.1 数据关系

进度管理实施的前提包括对工程项目的实施对象与造价进行分解，传统进度管理工具均以WBS(work breakdown structure，工作分解结构)进行数据分类存储，但WBS不是工程项目固有属性，其分解方式受管理者立场、能力、经验及水平等因素影响而不同；而按照标准建立的BIM构件在单位工程中分类方式、模型颗粒度固定，故本文数据存储以BIM构件为基本单元，对于单个BIM构件需要存储的进度管理相关数据包括BIM自身数据、WBS数据、进度计划数据、实际填报数据等，在进度管理部分应包含数据及其相互关系，如图2所示。

图1总承包BIM进度管理系统架构与实施流程

Fig. 1 Architecture and implementation process of schedule management system of construction primary contractor based on BIM

图2 BIM与工程数据相互关系

2.2.2 BIM模型要求

目前BIM通用格式(例如工业基础类(IFC)格式)还未被普遍采用，多数项目模型直接采用现有BIM建模软件建立且未包含构件完整的编码信息。为保证进度管理的顺利实施，故对本项目所需BIM数据最低要求进行约定，如表1所示。

2.2.3 BIM与WBS映射

BIM按照适用的建模标准要求进行构件分类，例如隧道区间结构分为初期支护、二次衬砌、仰拱、走道板等。但施工进度计划通常以WBS作为编制的依据，例如隧道区间分为施工准备、左线、右线、附属结构等(各部分可能均包含初期支护与二次衬砌的构件)，所以WBS工作包对应BIM构件映射为多对多关系，WBS与BIM构件映射规则如表2所示。

表2 WBS与BIM映射关系

同时，为保证对BIM的可操作性，将WBS中需要绑定且能够反映工程形象进度的BIM构件作为进度BIM构件，将过小、过多、地质、场地或其他不适用于绑定WBS情况的BIM构件作为非进度BIM构件，非进度BIM构件用于可视化展示，不用于工程量计算、WBS绑定等。考虑到WBS分解的非标准性，将需要挂接BIM构件的WBS构件WBS工作包作为“需构件WBS”； 对成本与工期对项目影响小且BIM构件不容易选择的WBS作为“无构件WBS”；对工程验收、内业、准备等工作作为“辅助工作WBS”。则“无构件WBS”与“辅助工作WBS”不需要定义映射BIM构件，系统自动按新建并绑定1个名称为工作名称、几何数据为空、体积为1的“虚拟构件”处理。

2.2.4 产值与工程量处理

基于BIM的量价计算是BIM应用点之一，但由于国内计量计价规则与BIM建模扣减规则不一致，导致BIM模型中存储的数据无法直接用于计量计价[14]。常规BIM软件解决方案是先根据工程量建立计划再绑定模型[15]，无法利用BIM可视化、联动性的优势； 轨道交通项目总包管理通常为固定总价合同，不需要对材料日常价格波动进行重新组价与动态控制，故提出采用通过中间关系表对BIM构件与工程量清单进行匹配，再利用包含清单工程量与产值的BIM构件与WBS结构映射，实现对进度管理所需量价信息关联的技术路线，如图3所示。

采用该技术路线实质为以项目系统分解(即EBS，通过建模标准约定)对工程量清单项目进行归并，实现以形象进度为核心的工程量与产值的统计。对于单个BIM构件，工程量清单与WBS节点之间，产值与工程量的对应关系如图4所示。对于总价措施费、其他费用、规费、税金等，应作为辅助工作WBS进行处理(对于此类生成虚拟BIM构件情况，因为BIM构件数为1，故实质为直接建立清单与WBS关系)。

图3 BIM模型工程量与产值处理技术路线对比

图4 产值与工程量的对应关系

经上述处理后，单BIM构件工程量常不等于BIM模型中读取的工程量(体积或长度等)，但该值与形象进度匹配，可实现通过BIM构件进行项目工程量与产值的估算。若发生工程量清单中数量与单价的修改，可实现已完工构件总工程量与总产值的自动更新。

2.2.5 进度计划规则

进度计划制定是指给各WBS节点赋予开始与结束时间,并指定节点相互关系。传统进度管理软件通常为单计划管理，通过对总体计划进行逐级细化到每个工作包制定详细计划，并通过调整该计划实现进度优化，但对于施工总包管理而言，需要对不同计划制定主体、不同阶段计划进行纵横向对比(计划往往相互冲突)，故单计划管理无法满足实际管理要求，本文结合轨道交通项目总承包管理需求，将计划分为3类，将其功能与制定规则整理如下。

1)总体计划。确定施工内容、竣工期限与需达到的质量及安全要求，确定各主要分部、分项工程起止时间、相互关联、指出关键路线与节点。作为整个项目计划的基础，是总承包单位协助建设单位在项目决策阶段总进度目标论证的结果，不应轻易修改。

2)阶段计划。在总体计划的基础上，在项目阶段性工作开始以前，为某一阶段或某项目参与方的生产任务做出的计划。阶段计划是对总体计划的合理细化，应避免与总体计划冲突，但各阶段计划之间允许数据重叠；对于阶段性工期计划，各施工分包单位必须严格遵守。

3)周期计划。由分包单位制定日常施工安排，是阶段性工期计划的延伸，制定计划时需在满足现场施工条件的前提下，充分考虑计划的可操作性、周密性、机动性，能充分、完整地诠释上级计划，允许各计划间数据重叠，允许在一定范围内进行调整。应细化到构件级，需要分施工工作面分别计划。

2.2.6 进度预警规则

施工总包进度管控以形象进度为主，进度预警是指各WBS节点按时完成的可能性判断，包括对关键施工节点预警与周期计划预警。

关键节点预警是指要求工程在某一时间点必须完成某一位置施工或达到某一工程量控制值；需设定预警类别、关键节点名称、节点说明、参与判断的WBS节点(可多选)、对应预定工程量或预定构件、预定时间点(完成各项预定工作的截至时间)。录入后根据每次填报的实际进度，计算各项实际工程量是否已经超过预定工程量，若在达到预警时间(预定时间的前一段时间)，还没有达到工作量时，推送预警。

周期计划预警是在项目进行过程中，实时检查剩余未完成计划，若判断剩余计划已无法通过提高工效实现，则进行预警。每次实际进度录入以后，统计剩余工作量与剩余时间，计算剩余工作的理论工效，若判断剩余工作理论工效大于工效上限(初始采用平均工效乘以系数，在掌握某工作的准确工效后可直接指定)，则进行过程预警。

2.3 数据填报方式

2.3.1 施工计划录入

计划录入方式如图5所示。

图5 BIM进度管理计划录入流程

2.3.2 实际进度录入

实际进度录入应新建一子任务，输入填报日期，选择该日完成的BIM构件并录入施工状态(修建、拆除或维修)、当日工况、工作面信息等；数据按“日期+构件ID+实际完成百分比+构件当前状态”记录。对于已完成施工或已拆除的构件(完成百分比为100%)，修改BIM中“构件状态标识”，为保证录入的及时性，可以对进度填报情况进行消息推送。对于“虚拟BIM构件”节点视为1个没有几何的BIM构件进行录入(系统自动选中该构件)；未施工情况也需要进行日常填报，录入工况、备注等信息。

2.4 过程管理实施

基于BIM与工程数据整合的进度管理实施，主要是利用已有的数据基础，快速生成管理者需要的三维、二维、表单资料，帮助管理者快速了解工程情况、辅助决策等。利用三维BIM模型、周边GIS模型、地质模型、场地模型等，可进行施工过程、施工计划、建成后的模拟展示；依托于构件级的BIM模型数据，建立模型构件、工程WBS、时间维度之间相互关系，实现计划模拟与计划对比，保证计划制定的合理性；结合实际施工完成数据，实现对施工进度的查看、关键节点预警、工效预警与数据统计等，及时反馈计划完成情况，为下阶段计划的制定提供依据；以构件级别的形象进度作为产值划分依据，实现已完成工程量、产值、成本，计划工程量、产值、成本的快速统计，实现对成本的快速掌握。

2.5 进度计划变更处理

施工工程变更包括材料工艺、功能功效、位置尺寸、技术指标、工程数量、施工方法与时间安排等方面。对于进度管控而言，进度计划变更实质为施工BIM与WBS(含计划)数据改变与相互关系的处理，以及工程量的重新计算与分配。根据不同的变化情况，梳理对应的变更技术路线，如表3所示。

表3 单节点BIM与WBS变更处理

3 工程应用实例

3.1 工程概况

青岛轨道交通8号线是青岛市轨道交通建设的重点工程，其关键节点工程大洋站(含)—青岛北站区间项目(以下简称海底隧道项目)线路全长约8.1 km(位置见图6)，穿越胶州湾海域宽度约5.5 km，共设地下车站1座，施工斜井1座，通风竖井3座，废水泵站3处，车站采用明挖法施工，区间隧道采用矿山法和盾构法施工。该项目地质条件和建筑结构复杂、施工作业面多、采用施工方法多、安全风险大，可能会因为人员配置不完善、信息沟通不及时、设备监控不严格等原因引发进度、安全与质量问题。土建工程作为地铁项目后续专业工程的基础，对进度管理的管理非常重要。

3.2 工程应用

本项目利用自主研发的“GIS+BIM数字化项目管控平台”，通过数据集成、实时监控、模拟分析、虚拟建造等功能提升项目管理质量，在进度管理方面解决以下问题。

3.2.1 模型应用

利用BIM模型与进度填报数据可实现以下功能应用(如图7所示)：

1)进度形象展示。三维显示既有、施工中、待拆除BIM构件，让管理者直观了解项目当前施工情况，结合场地、周边环境、地质等数据，快速掌握工程现状，并可动态查询构件施工状态、施工时间、计划时间、产值、工程量情况；

2)三维进度模拟。三维模拟计划或实际施工过程，实现在三维环境中不同计划之间、计划与实际的多维度对比；

3)建成状态展示。显示所有BIM构件，并根据WBS或构件类型分类调整构件可见性，直观地了解建成后状态，便于管理者进行后续工作的整体规划。

图6项目位置示意

Fig. 6 Project location

图7 进度形象展示

3.2.2 数据应用

对BIM模型的展示与模拟主要解决管理直观性的问题，而利用数据基础进行分析可解决更多管理需求。项目各工点分包单位技术人员录入项目管理规划阶段，根据项目特点与资源配置情况制定的WBS并关联已处理工程量数据的BIM构件，总包单位工程部技术人员录入项目总体计划与关键节点要求，再由分包单位负责年度计划、季度计划、月度计划录入以及每日进度数据填报，实现施工当月、当季、当年、总体进度计划查看与计划间对比分析(见图8)以及月累、季累、年累、总体的实际进度/产值/工程量的完成情况查看。总包单位根据管控需要利用BIM数据可视化查询任意时间段的实际、计划完成量、产值分布情况，实现后续工作资源合理优化；系统自动对周期计划、阶段计划、关键施工节点的完成情况进行计算分析，在未造成不可挽回工期延误之前及时进行事前主动预警与报警，及时发现进度隐患，及时控制，减少工期延误的风险，生成进度日报、周报、月报，并实现实际进度与计划进度的数据对比，如图9所示。

图8进度分析功能展示

Fig. 8 Schedule analysis function display

图9 产值统计功能展示

进度填报数据还用于为人员定位系统提供施工面更新数据，为盾构数据集成提供空间数据参考，为施工监控量测功能提供对比数据，实现了项目数据整合应用。

4 结论与讨论

BIM作为一项新技术,必然会经历漫长的发展周期，当前BIM从数据生成到数据运用均存在诸多问题。从前期的火热推广到趋于冷静，BIM发展有了更多落地土壤与空间。本文基于现阶段实际信息化发展水平与数据积累，对进度管理所需各项BIM数据与工程数据进行分析，并整理实现进度管理的BIM模型最低数据要求；利用获得的数据基础，实现各项进度管控功能，为项目管理者提供及时、准确、便捷的数据获取与分析工具；立足现阶段实际BIM与工程信息化发展现状，探索能够落地的信息化应用方案，符合当前技术发展情况；本文实现的管理模式针对轨道交通项目总承包单位的管理需求设计开发，并在一定程度上适用于业主单位与施工单位总体管理者的管理需求，同时也应该看到BIM实施需要稳定的数据采集，要求系统平台对应的制度贯彻落实。随着BIM技术的不断成熟，可挖掘更多的落地应用。随着5G技术、物联网技术的不断研究，利用人员定位、摄像头等硬件手段辅助人工数据录入可解决数据真实性与及时性问题，值得进一步研究。