基于建筑信息模型的宁波市城市轨道交通数字化建设管理研究

陈 涛 易德新 高京生 冯立力

(宁波市轨道交通集团有限公司，315100，宁波//第一作者，工程师)

城市轨道交通具有线网状、里程长、工点复杂多样,以及征迁协调和交通导改难度大等特点，亟待应用高新技术对其进行建设管理。

BIM(建筑信息模型)技术以可视化模型为信息载体，是建设工程及其几何与非几何特性的数字化表达。它将贯穿于决策、实施及运维阶段的信息关联起来，形成可视化信息集，对建筑工程全生命周期管理起到了革命性的作用[1-3]。将BIM技术应用于城市轨道交通建设，可以有效地实现施工组织管理，提高施工各阶段信息共享水平及效率，同时推动城市轨道交通数字化发展进程。

目前，我国主要在建轨道交通的城市都在其建设过程中应用了BIM技术。自2012年起，上海申通地铁集团有限公司已在其11条线路工程建设中应用了BIM技术，并完成了7项相关标准的制定；同时依托13号线的工程建设，搭建了协同管理平台。广州地铁在其机电安装阶段和竣工交付阶段使用了BIM技术，并开发完成了现场派工管理平台。深圳地铁以多条线路的工点建设作为试点应用了BIM技术，目前正在推进BIM建设管理平台的研发与应用。于2016年开工建设的成都地铁18号线采用了PPP(公私合作)的建设模式，其建设过程应用BIM技术进行了全面正向协同设计，并在施工阶段配合完成了方案管理、进度管理及现场管理等工作。此外，北京、天津、南宁、武汉、长沙、南昌、青岛等十几个城市的轨道交通建设工作均在推进基于BIM的数字化应用。

1 宁波市数字化建设管理平台的研发

为规范宁波市轨道交通工程建设，提高建设过程现场管理效率，提升轨道建设数字化应用水平,以宁波轨道交通某地下车站土建工程为依托，尝试搭建BIM协同施工管理平台，针对现场实际需要开发了进度管理、方案管理两大主要业务功能模块及其他配套功能模块。在现场进度、施工方案及监理月报的报审等方面进行了试点应用，并达到了预期效果，为下一步平台功能的继续扩充和改进打下了坚实的基础。

1.1 BIM协同施工管理平台总体框架结构

BIM协同施工管理平台以二维、三维一体化平台为基础，采用B/S(浏览器/服务器)混合架构进行系统构建。工程项目资料与系统开发语言均采用C#语言，在VS2010集成开发环境中进行开发[9]。同时在系统开发过程中还应用OpenGL(开放式图形库)，使三维可视化更加地出色。平台以交互层、应用层、数据层为总体框架结构组成，其架构形式如图1所示。

图1 BIM协同施工管理平台总体框架结构图

图1中，建设、施工及监理等参建单位通过交互层实现用户目标的实施；应用层由施工管理、模型展示、文档管理等3大业务系统构成；数据层主要实现数据的处理及存储读写功能。

1.2 业务系统的初步构建

BIM协同施工管理平台应用层共构建3大业务系统，分别为施工管理系统、模型展示系统及文档管理系统。3大业务系统采用相同的方式进行开发，其逻辑结构一致、彼此松耦合且共享数据。本文仅对施工管理系统作简单说明，另外两个系统不再赘述。

施工管理系统为协同施工管理平台中的一级业务系统，其架构与平台一致，是基于代码重用、组件重用、业务逻辑重用及组装重用，结合在线流程设计器、在线业务表单设计工具及代码逻辑生成器的协同管理解决方案。

施工管理系统基于J2EE技术平台，整合主流开源较为成熟的技术进行开发。系统采用了Spring MVC(一种开源的模型-视图-控制器的Web(万维网)框架)，框架中每个层次的代码均具有独立规范，可保证开发系统的质量，以应付不断变化的业务需求。

施工管理系统的Spring MVC架构分为Model(模型)、View(视图)及Controller(控制器)3个基本部分，这3个部分以最少的耦合协同工作。从开发层次而言，可以分为Model、Dao(数据访问层)、Service(业务处理层)及Controller等部分。通过该架构，可提高应用的可扩展性及可维护性。整个系统的应用开发层次结构如图2所示。

图2 业务系统应用开发层次结构

1)数据展示层。数据展示层位于客户端，对于业务系统的运行环境而言，即为IE、Google等浏览器。数据展示层包含了所有应用于和终端用户交互的组件，由系统用户直接应用并执行页面的逻辑处理和显示任务，主要采用了HTML(超文本标记语言)、DHTML(动态HTML)、CSS(层叠样式表)、JavaScript、AJAX(异步JavaScript和HTML)等技术。在本系统内，数据展示应用JSTL(JSP(Java服务器页面)标准标签库)技术,JavaScript框架使用jquery技术。

2)视图层。视图层位于服务器端，基于MVC架构模式进行开发。本系统使用的主要视图层技术为JSTL技术，该技术通过定制设置，可切换为Velocity、Freemarker、XML(可扩展标记语言)等其他技术。视图层页面使用JSTL技术展示各表单的数据，并在控制器层通过Spring MVC实现数据的传递。

3)数据控制层。数据控制层主要负责接收访问请求、处理用户输入、调用业务层逻辑处理、返回业务数据和相应的视图，并把结果交给视图层进行处理。

4)业务处理层。业务处理层仅与具体业务的处理流程及逻辑相关。基于此设计，施工管理系统可方便实现对SOA(面向服务的架构)的支持，各个业务均采用相同的处理方法，易进行扩展及重复使用；通过Web Service等技术，还可以实现与系统之间的集成。业务处理层是系统内极为重要的结构层，通过Spring AOP(面向切面的编程)对访问类的拦截控制，实现了本层中事务控制的应用管理。

5)数据访问层。数据访问层主要使用Dao的设计模式。本系统Dao的设计模式只有数据获取存储的处理，而不含业务处理逻辑;使用MyBatis作为ORM(对象关系映射)框架，可以方便进行系统扩展，也可转为其他的ORM框架。

1.3 业务系统功能模块

根据现场施工管理需求，施工管理系统共开发9个一级功能模块，分别为项目概况、三维浏览、项目进度、监理月报、方案管理、照片上传、已发事项、待办事项及流程归档。根据项目参与方职责将功能模块对不同账号开放，并对不同的模块进行命名。

1)项目概况功能模块。该模块结合GIS(地理信息系统)展示技术进行开发，模块中涵盖项目参建单位及工程本体基本信息、项目施工现场实景状态、项目土建施工图纸、工联单等项目文件。普通用户在此模块内即可对工程项目做初步了解。

2)三维浏览模块。该模块可对按图施工完成后的土建模型进行查看，同时由于使用了模型“闪现技术”，可对原格式模型的数据重构、对大体量BIM模型进行逐层分颗粒度加载，从而实现Web端的在线快速浏览。同时赋予模型构件施工属性信息及施工图纸链接，提供图模对照查看及下载等功能。

3)项目进度模块。该模块由“进度浏览”、“进度上报”、“进度审查”3个二级功能模块组成。通过“进度上报”模块完成月度进度报表及项目文件上报。同时配合“进度浏览”的可视化施工进度展示，在“进度审查”模块就可对进度完成审查。

4)方案管理模块。该模块由“方案上报”和“方案审查”两个二级功能模块组成。“方案上报”功能模块可以实现方案文件及BIM动态施工模拟视频的上传，同时可经“方案审核”功能模块完成相应的审查操作。

5)监理月报模块。该模块按用户权限分成“月报上报”和“月报审核”两个二级功能模块。“月报上报”模块根据项目实施情况对每月上报的施工、安全文明、外部检查、验收及不合格项目处理等信息，通过“月报审核”模块完成相应情况的审核。

6)照片上传模块。该模块支持所有项目参建用户对现场情况进行记录，完成状态说明并发送至其他项目参建方。

7)已发事项、待办事项及流程归档模块。这些模块的功能是对其他功能模块产生的任务做分类管理。“已发事项”及“待办事项”模块可直接查询本权限账号下发起的业务流，且待办事项具有事件提醒功能；“流程归档”模块整合了所有已由本权限账号办理的业务流。

2 数字化建设管理平台在工程建设中的应用

依托BIM协同施工管理平台模型数据与业务数据双向链接、三大业务一级功能系统及二级功能模块的松耦合机制，用户账号权限按职责分配启闭业务功能。业务流按参与账号的逻辑关系运行，并结合模型实现可视化。应用BIM协同施工管理平台可对现场进度及重大施工方案的报送审查及现场实景施工监督检查等工作进行辅助实施。

2.1 平台分权限功能配置

BIM协同施工管理平台用户分为管理员用户及普通用户两大类。普通用户按照各自参建职责为施工方、监理方及业主分配3种不同权限，通过该权限可完成任务发起、执行和审查等工作；管理员账号除包含普通用户的权限外，还具有用户管理、任务分管授权等权限。通过对权限的分组管理，明确了相应身份的角色所具有的权限，实现对重要资源的授权访问控制，既满足了数据的安全，又方便了用户操作，同时加强了对用户操作的监管，保障了数据的安全性。

按照普通用户参建职责的不同，将业务系统功能配置于不同账号权限，如图3所示。

图3 不同账号权限下的业务系统功能配置

2.2 平台业务系统流程

2.2.1 业务系统信息来源

业务系统信息以人工输入及附件上传形式进入平台数据库。根据业务模块类型，数据来源分为以下几类：

1)进度信息。进度信息包括施工进度报表(.doc格式)及施工进度数据(.mpp格式)两种形式，结合实际生产情况，经施工方“进度管理”模块以附件形式流入系统数据库，并最终存档于文档管理系统；其他信息通过模块内置制式表的要求输入。

2)施工方案信息。施工方案信息的来源为现场危险性较大的分部分项工程，数据以方案报告(.doc格式)及带场地环境的足尺施工模拟动画(.avi格式)等文件形式流入系统数据库；其他信息通过内置制式表的要求输入。

3)监理月报信息。监理月报信息的来源为质量安全检查整改及验收、人机料等的核查信息。数据以报告文档(.doc格式)附件形式流入系统数据库；其他信息以简报形式在内置制式表中按要求输入。

4)现场情况记录。现场情况信息的来源为实景图像记录，数据以现场某个位置的实景图像(.jpg等格式)的形式流入系统数据库，实景说明则以简报形式输入于内置的制式表中。

2.2.2 业务信息流转

BIM协同施工管理平台对现场施工进度和危险性较大的施工专项方案进行报送审查流转，依据权限分配完成任务的发起、审查、通过或驳回等操作。现以现场进度管理模块为例，对平台业务信息流转做说明。管理模块业务信息流转与其类似，不作赘述。图4为进度管理模块业务信息流转历程。

图4中，账号A上传月度进度报表及项目计划，并将任务发送至账号B；账号B接收任务后，完成审核，决定通过(或驳回)再发送至账号C；账号C的业务流程与账号B一致，不再赘述。

图4 进度管理模块业务信息流转历程

3 基于BIM技术的现场施工配合

车站土建施工阶段，将BIM技术和现场实际施工需求相结合，在深化设计中尽量减少错漏碰缺，同时在市政管线搬迁、施工场地布置、交通导改报批、场地布置及施工专项方案编制等方面展开应用，这样不仅提升了现场管理水平，也为科学决策提供了数字化依据与技术支持。

3.1 碰撞检查及管线迁改

采用Revit软件完成车站主体结构、附属结构、市政管线及拆复桥等的建模。对结构开孔和预制件埋设的位置、需预留的机电管线净空等进行了校核，可提前发现部分附属结构与机电设备、拆复桥与附属结构等的碰撞。

依托车站与周边构筑物的结构碰撞检查，提前发现问题，并提出变更建议。根据市政管线搬迁的模拟结果，调整了部分管线的管底标高及走向，并对复杂区域进行局部深化设计，从而对搬迁方案进行了完善。

3.2 施工场地布置及交通导改

根据第1期和第3期场地布置设计图，进行了施工场地布置可视化方案制作(第2期场地布置与第1期场地布置基本一致，不实施可视化方案)。采用无人机倾斜摄影点云数据模型、Revit软件建立车站及场地内机械设备的BIM模型，对站点施工场地和周边环境进行1…1的模拟还原，并检测大型设施设备的运行与通过情况。第1期及第3期的场地布置方案如图5所示。由图5可知，协同施工管理平台实现了可视化施工场地的虚拟布置。通过提前了解场地布置条件与发现场地布置问题，为车站施工的交通导改计划实施与汇报提供技术支撑。

图5 施工场地布置

3.3 施工专项方案

采用BIM协同施工管理平台超前模拟危险性较大的专项施工方案。车站主体结构与附属结构间地连墙的拆除方案模拟过程中，根据实际施工工艺、工区划分与分层拆分的方案，调整BIM模型的颗粒度及区段拆分，模拟每层结构的浇筑、地连墙的切割与拆除以及后浇带的填补。通过地连墙的拆除方案模拟，完成其连续切割步骤方案的优化，明确地连墙吊取方式及临时支架的排布，同时提升了整体BIM模型的精细度。

4 结论

以城市轨道交通工程建设中的数字化技术研究与应用为目标，依托宁波轨道交通某地下车站土建工程，进行了基于BIM技术的协同施工管理平台研发搭建、应用及现场施工配合等工作，有效提高了城市轨道交通施工建设管理的数字化水平，为建筑信息模型在城市轨道交通施工中的应用提供了技术支持，还为今后BIM技术在城市轨道交通施工管理的应用拓宽了道路。主要成果如下：

1)搭建B/S端协同施工管理平台，开发基于BIM技术的可视化业务系统，并在进度管控、专项施工方案的报审及现场安全文明质量检查等方面进行应用，有效提高了信息共享及业务流转效率。

2)结合工点项目的实际施工需求，应用BIM技术搭建模型，实现图模对照纠错，施工深化设计，可视化场地布置、管线及交通迁改、超规模专项施工方案的模拟。

3)基于BIM技术在现场施工中的应用，对无人机倾斜摄影点云建模、GIS技术、Web端非轻量化的模型闪现等BIM+技术进行了拓展研究。

通过试点应用，获得了丰富的平台协同应用的经验，在平台建设与开发过程中亦走过不少弯路，在今后需要在以下方面进行改进:制定需求目标,特别是充分沟通对接与现场的施工需求，同时应密切对接开发功能的展示与落地;施工模型不是越细越好，要以进度计划为主，以便在建模时一次成型，避免重新分割与组建;BIM技术的落地需激发主要参与方的主动性，积极思考与深入探讨BIM技术应用，减少现场施工配合的工作量;在城市轨道交通全线或多站广泛应用该协同施工管理平台时，提前考虑建模与数据交付等标准的制定。