广州轨道交通建设监理有限公司 广东省广州市 510010
摘要：本文研究了BIM技术在广州轨道交通工程质量安全管理方面应用现状，广州地铁利用BIM技术在七号线鹤庄站实现了三维模型碰撞检测、基于二维码的机电设备过程信息管理、基于3D模型的“按图钉”质量安全管理以及基于派工单的质量安全管理体系。本系统的应用表明：该研究有助于实现项目参与方信息共享、多专业协同、缩短施工工期，降低运维成本，提高了地铁建设过程中施工效率以及提升了地铁建设过程中的质量安全管理技术和管理水平。
关键词：质量安全；轨道交通；施工管理；BIM
1 工程概况
1.1 项目简介
七号线一期工程（广州南站至大学城南）起自广州南站，线路沿广州南站景观带向东北方向行进，下穿东新高速公路后，进入汉溪大道，下穿既有的新光快速高架桥已运营的轨道交通三号线，在汉溪长隆站与三号线形成换乘，之后继续沿汉溪大道向东北方向行走，穿过迎宾路后，折向东北，沿南大干线东行，穿越南沙港快速路、市头涌后转向北，下穿珠江然后折向东沿着大学城中环西路东行，至一期终点大学城南站，在该站与四号线十字换乘。线路全长约18.60km，均为地下线路，共设9座车站，其中换乘站为4座，分别为广州南站（二号线）、石壁（二号线）、汉溪长隆（三号线）、大学城南（四号线）。平均站间距2.19km，最大间距为3.78km（南村~大学城南），最小间距为1.12km（广州南站~石壁）。
图1
鹤庄站属于广州市轨道交通七号线一期（广州南站至大学城南段）【车站设备安装工程III标段】工程，共有地下三层，建筑面积21210m2，共设2个出入口（与天河城商业开发共用）和2组风亭，地面冷却塔；官堂站，地下两层，建筑面积24960m2，共设8个出入口和三组风亭，设下沉式冷却塔。
1.2 工程特点和难点等
鹤庄站所处地段交通拥挤，商业较为繁华。车站为标准地下两层车站，地下一层为站厅层；地下二层为站台层。有效站台中心里程为YDK28+155.626，车站总长150.75m，标准段宽18.7m，站台为10米有柱岛式站台。施工范围包括本站范围内的低压配电与照明系统、给排水及消防系统、通风空调系统、火灾自动报警系统、环境与设备监控系统、门禁系统、气体自动灭火系统、设备区装修专业，总建筑面积为10255平方米。在施工过程中结合BIM技术的应用，采用"永临结合"的方针，有效地节约了工期。
鹤庄站站整体模型如图2所示。
2 BIM组织与应用环境
2.1 BIM应用目标
（1）基于BIM的多方协同工程管理：在同一个BIM数据库的基础上，开发建设方、监理方和施工方等多方参与的协同工作平台，实现多方之间的信息共享。同时，通过流程定制，实现BIM与各方工作流程的深度结合，本地日常工程资料与BIM数据库的实时同步，使平台能够满足实际工程管理的需要。
基于BIM的三维可视化工程管理：在BIM数据库中存储工程的三维模型，通过BIM三维模型与WBS的关联，WBS与施工过程信息的关联，改变过去以文档资料为主的工程管理方式，实现以4D模型为主的三维可视化工程管理，并结合4D模拟、工序模拟等，使工程管理更加形象、容易管控。
（2）施工管理向运维管理平滑过渡：通过统一的BIM平台和数据库，将建设方、监理方和施工方紧密联系在一起。在施工阶段，通过全面应用BIM系统进行施工管理，实现施工过程信息的数字化存储；在竣工交付阶段，通过集成的BIM模型进行竣工信息的数字化移交，实现工程信息从施工到运维的无损传递，为运维管理提供全面的信息支撑和管理手段。
图2 鹤庄站模型
（3）信息管理和信息应用相结合：通过分布式关系数据库，实现基于云计算技术的工程信息管理，建立集成信息平台，便于项目信息的共享、集成与提取，为施工资源、质量、进度、安全、验交等的管理，以及运维期的管理提供支持。同时，与已有的一体化平台、监理OA系统、门禁系统、视频监控系统、安全管理预警平台、诚信评价系统等进行信息共享。
（4）基于BIM的工程预知预判：基于富含数据的BIM数据库，研究工程预知预判算法，对设备材料不能及时到货影响施工、施工任务完成滞后造成工期延误、施工质量问题未及时整改、施工过程的不安全状态等情况进行预知预判，便于工程管理人员及时了解工程状态，保证工程进度和质量。
2.2 实施方案
（1）根据施工现场需求设计系统整体架构
A、设计系统硬件架构
由于本项目涉及建设过程中的建设方、监理方、施工方和第三方，并且目标是可以覆盖今后各条待建线路，因而系统硬件的物理结构设计需同时支持通过互联网或各线VPN内网的访问，所以将数据存储的物理结构设计为“中心——各线”的二级存储模式。整个系统的数据服务中心即广州轨道交通建设监理有限公司（广州地铁监理公司）中心机房的中心服务器。如此，对于互联网访问用户，可直接访问中心服务器，而对于各线环网内用户，可直接访问线路服务器获取数据。
B、设计系统软件架构
本系统首次选取CS+BS+MS模式作为网络结构。针对的智能终端拟包括基于iOS系统的苹果智能手机、和基于Android系统的智能手机。故本系统应由BS架构的Web应用程序、CS架构的计算机桌面应用程序和移动终端网络应用程序组成，如图2。结合项目的需求分析，系统的部分需求功能点需三部分架构共享，因而在服务器端单独设计公共功能Web服务模块。
图2“轨道交通信息模型管理系统”网络结构图
（2）以三维模型为基础，进行多种主流建模软件合模
进行多类型建模软件所做的三维模型在GDJT BIM上的精确合模。广州轨道交通建设监理有限公司BIM研发团队使用TFAS、MEGICAD、BENTLEY、TEKLA、CATIA、REVIT建模后，在GDJT BIM中实现了基于IFC的合模。为了验证合模精确性，使用上述BIM建模软件对风管中的各段进行分别建模并合成一整段风管。这一研究成果为今后各家建模单位的合模提供了有力的技术支撑。
（3）进行机电设备信息管理
让机电设备从进场开始的安装过程的可视化管理。通过设备厂商及供货商提供设备模型文件及模型附加文件信息，从出厂到交付运维的过程中，通过二维码的追踪管理，实现设备安装、调试及验收的全过程信息记录，从而为运维方提供真实可靠的数据支持。
（4）进行模型的变更与质量管理
施工过程中，不可避免实际完工情况与设计并不相符的情况。通过添加设计变更，可以有效保证BIM模型的正确性，从而有效避免模型信息落后导致的决策失误。系统中提供了设计变更的添加与查询功能，每次变更的BIM模型版本以及相关的设计文件都将记录在系统内，形成历史信息以便回溯和查阅。在鹤庄站试点中，开发了质量安全管理模块，实现了现场问题按图钉功能。
（5）进行以派工单为核心的施工进度管理
以传统的施工总体计划为载体，采用GDJT BIM进行月计划、周计划、派工单进行管理属于项目管理方法和工具的创新；车站施工区域轴网划分及与模型的关联也是一种施工工艺的创新。通过将施工总体计划按照轴网区间进行分解和编制，实现与BIM模型关联。在此基础上，创建符合实际施工进度的周计划，并依托“派工单”，实现对施工计划、施工进度、施工人员、设备材料、质量控制、档案资料生成进行全面的、有效的、精细化管理。
BIM应用的首创和突出亮点。更为重要的是，通过派工单的精细化管控，将系统应用深入到施工现场最底层的管理人员，这在国内施工管理系统中的应用尚属首例，可以说是国内BIM应用的首创和突出亮点。
2.3 团队组织
轨道交通信息模型管理系统BIM应用团队主要包括业主单位、系统应用团队、软件研发团队、施工单位、监理单位等。
2.4 应用措施
轨道交通信息模型管理系统在广州地铁七号线的应用上覆盖了整个工程的各个方面，从碰撞检查、管线优化、质量安全管控、二维码管理、派工进度管理等方面对整个工程进行全面监管，体现了模型管理系统的协调与信息化的水平。
（1）碰撞检查，减少返工，提高施工质量，节约施工工期，减低建造成本
在各专业BIM模型创建审核完成后，机电项目施工前利用创建好的建筑结构BIM模型与机电BIM模型进行集成整合，对各个专业进行空间碰撞检查，自动输出碰撞报告，可以提前发现设计缺陷，优化工程设计，进而减少在施工阶段可能存在的错误损失和返工的可能性，加快施工进度，减少人工材料物资浪费，降低建造成本。
同时根据BIM三维可视化的特点可按要求进行优化管线排布，进而达到优化净空的目的。施工单位技术人员还可以利用碰撞优化后的三维管线方案，进行施工交底、施工模拟，提高施工质量、同时也提高各参建方的沟通效率。
（2）综合管线优化
根据碰撞检查报告和管线优先排布原则，BIM团队对电气、给排水、暖通、消防等专业BIM模型进行全面优化调整，调整BIM模型需要考虑因素：各专业的平衡优先级。管线发生冲突时，一般避让原则是：有压管让无压管，小管线让大管线，施工容易的避让施工难度大的；电缆桥架不宜在管道下方；综合支架的布置及安装空间；吊顶高度等，逐一消除碰撞点。地铁管线排布密集且复杂，对净空要求较高，BIM团队在技术负责人的指导优化管线位置、标高及走向，提升净空，以满足美观、净空、施工等要求。管线综合优化方案得到项目技术负责人及设计单位的审核同意后，作为施工依据投入施工。
（3）BIM资料管理
采用轨道交通信息模型管理系统平台，可将运维阶段需要的信息包括设备和材料信息、设备材料维保手册、扫描资料、维护计划、检验报告、竣工档案验收资料、各工序针对性照片、维修说明书、操作说明书等列入BIM模型中，实现高效管理与协同。竣工交付时，不仅交付实体建筑，更是将富含大量运维所需的BIM资料库一并交付运营方，进行后期运营维护使用，实现数字化移交。
（4）质量安全管理
质量始终是施工单位关心的三大根本问题之一，利用轨道交通信息模型管理系统，项目现场人员对现场的质量、安全隐患问题拍照，并且根据实际问题的不同选项、不同车站、轴线位置等参数，将照片传送到系统中，与BIM模型挂接，项目管理人员无论在什么地方，只要打开系统点任何一个“图钉”，即可以了解项目现场的即时问题，快速将现场质量、安全、文明施工等信息直接反映到项目管理层，避免质量、安全隐患，让问题解决在萌芽状态，从登陆到系统查阅，仅需数秒，大大缩短问题反馈时间，同时在系统中形成可用的现场历史照片数据库，方便施工中、竣工后的质量缺陷等数据的统计管理。
（5）二维码信息管理
将二维图纸转换成三维模型的同时，对每个需要进行编码的设备及材料进行编码并生成二维码，将编码作为BIM系统标识码添加到BIM模型里面。采用二维码技术，实现了对材料及设备的检测、检验及验收等方面的信息运维管理工作。
（6）派工单管理
利用轨道交通信息模型管理系统，结合BIM模型及各专业、各工序的WBS，实现施工组织设计（含专项施工方案）的可视化，计划细化到天，WBS细化到每一根轴网。将人员与门禁系统挂钩，实现更加智能地施工现场准入管理，将设备材料、作业区域提前规划好，通过派工单的形式将每天的施工量推送到监理审核，经监理确认后再派发给各个施工班组进行现场施工，进一步保证施工的精细化管理。
2.5 软硬件环境等
系统在各阶段研发之后，发布阶段版本，并分别将各阶段版本的系统在广州地铁鹤庄站上初步应用、在七号线上试运行和在七号线上全面运行。随着系统在各阶段的应用，逐步进行软硬件环境的搭设。
首先，在广州地铁鹤庄站上的系统初步应用前，完成BIM服务器中心机房和单线机房的搭建、部分网络线路的搭设及站点设备的配置，并进行软件环境的配备。机房硬件、网络线路的搭设及站点设备的配置由监理方和施工方完成，广州轨道交通建设监理有限公司予以配合；软件环境的配备由广州轨道交通建设监理有限公司负责，监理方和施工方予以配合。
硬件环境方面，BIM服务器中心机房的硬件设备主要包括服务器、工作站、路由器、交换机和电源等。中心机房是整个项目的数据中心，负责存储各线路数据并通过互联网对外提供数据服务。单线机房的硬件设备主要包括服务器、工作站、路由器、电源等，单线机房是该线路的数据中心，负责存储该线路的全部数据，同时对该线路内网用户提供数据服务，同时，在全线数据发生变更时及时将变更同步到中心数据库。网络线路包括中心机房、单线机房以及单线单点机房之间通过网络运营商的专用VPN网络进行的连接，地铁建设总部及地铁总公司可以使用VPN连接到中心机房的网络，以及中心机房通过路由器连接到固定IP的Internet。站点设备的硬件设备包括路由器、笔记本等，负责搭建站点局域网，提供服务器网络入口等，安装系统客户端进行日常施工管理。
软件环境方面，需要完成服务器端和客户端软件环境的部署。针对中心机房服务器和单线机房服务器，需要进行操作系统的搭建，数据库及NetOffice支撑程序的安装，公共功能Web服务、移动应用程序Web服务及网站Web服务的部署，线路数据库的创建等。针对中心机房工作站、单线机房工作站和笔记本、手机、平板电脑等个人办公设备，需要进行C/S子系统或智能终端子系统下客户端的安装，另外，针对不同的设备，需要分别进行AutoCAD、Microsoft Office、Microsoft Project、Adobe Reader等辅助软件的安装。
其次，系统在七号线上试运行和全面运行之前，根据项目实际需要逐步进行各站点网络线路的搭设及站点设备的配置，并进行个人办公设备上客户端及辅助软件的安装。
3 BIM应用
3.1 BIM建模
（1）建模范围
A、临时设施模型：包括地面临时设施模型（加工区域、材料堆放区域、设备转运区域、办公区域、门禁、视频监控等。）与车站（轨道）内临时设施模型（待安装材料堆放区域、安全防护设施、临时综合线槽、临时消防设施、临时应急疏散设施、门禁、视频监控等。）
B、工程模型：应包含但不限于如下专业，建筑装饰与装修（设备区、公共区）、通风与空调、给排水及消防、气体灭火、建筑电气、智能建筑（BAS、FAS、ACS）、广告灯箱、导向、屏蔽门、电扶梯、防淹门、变电所、环网、接触网、疏散平台、杂散电流、综合监控、轨道、轨道附属工程、通信、信号、乘客信息显示系统（PIDS）、自动售检票系统（AFC）、钢结构及屋面工程。
C、设备交付模型：应包含但不限于如下专业，通风与空调、给排水及消防、气体灭火、建筑电气、智能建筑（BAS、FAS、ACS）、广告灯箱、导向、屏蔽门、电扶梯、防淹门、变电所、环网、接触网、疏散平台、杂散电流、综合监控、通信、信号、乘客信息显示系统（PIDS）、自动售检票系统（AFC）。
（2）颗粒度
在BIM实际应用中，根据项目的不同阶段以及项目的具体目的来确定建筑信息模型的精细程度（简称LOD，亦称模型颗粒度），按精细程度共分为五个等级（如下表）。根据不同等级所概括的模型精度要求来确定建模精度。
（3）模型交付
模型交付内容：
A、临时设施模型交付内容应包含地面临时设施模型文件及车站（轨道）内临时设施模型文件。
B、工程模型交付内容应包含工程模型的源文件及工程模型的导出文件。
C、设备交付模型交付内容应包含设备交付模型的源文件、设备交付模型的导出文件、设备交付模型的附属文件；设备构件模型的源文件、设备构件模型的导出文件、设备构件模型的附属文件。
模型文件交付方式：分专业提交。各专业分类如下表：
3.2 BIM应用情况
在施工阶段 BIM 应用的核心不仅仅是动态的BIM模型，而是 BIM 模型与实际项目的实时对比。在七号线地铁建设过程中，BIM技术应用达到了以模型为基础，参比实际项目施工进展，对整个项目实现海量工程数据的管理；实现动态模型和数据的实时共享，实现项目参与方的协同作业；实现进度计划与工程实际进展的对比纠偏，实现了模型与施工现场一一对应，以模型指导施工的精细化管理。
在广州地铁七号线鹤庄站的BIM应用上，我方搭建了轨道交通信息模型管理系统，将模型与派工单计划紧密结合，实现人员、设备材料、计划、安全等多方位的全程管控。将精细化管理、数字化管理落实到每一个专业、每一个班组中。广州地铁业主项目组定期组织施工单位召开BIM技术及派工单应用专题会，对在应用中发现的问题及时反馈并解决。保证了BIM技术及4D管理系统切实到位的应用。
建模完成后，以BIM模型为平台，可以对各专业管线进行软、硬碰撞检查，第一次碰撞报告生成1608个碰撞点。检查出碰撞点后随即进行管线优化，合理布局，直至消除每一个碰撞点。与传统的人工加综合管线图的对比，在效率和准确率上，BIM技术遥遥领先。BIM技术助力图纸会审，提前发现问题，指导现场施工，在七号线的施工管理中，做到了工期与施工材料的双节省。
建立BIM 3D模型与进度计划结合，模拟施工进度计划，直观快速地将项目施工计划与实际进展进行对比，检查进度偏差，模拟施工工序，并制订合理的改进措施。通过BIM平台虚拟建造，检查各施工方案、工序安排的合理性、可实施性。技术、施工人员通过模型，可以提前预知施工难点，进而提高协同效率，加快施工进度。
在广州地铁七号线的BIM技术应用中，实现了数字化、智能化、精细化的施工管理。细化到天的施工作业计划以及详细、准确地甲、乙供设备材料到货计划，人员管理直接与BIM管理平台对接，实现了自动化的现代化施工管理水平。
4 应用效果
效率和效益分析
通过轨道交通信息模型管理系统对地面临时场地及站内临建进行优化布局；运用模型进行三维图纸会审、管线综合优化；通过派工单对工程进度实时管控；通过管理系统对工程安全、质量进行全过程管控，对两个地铁站在施工材料、人员、进度等方面进行了实时的监督与管控，实现了在建设过程中信息同步、进度提升、数据同时更新的现象。在建设过程中，通过信息模型管理系统对工程进度的节省、成本的节约、后续运营的管理提升，真正意义上实现了广州地铁轨道交通的数字化、信息化的新型管理理念。
5 总 结
5.1 创新点
（1）工序模拟、进度优化
建立BIM 3D模型与进度计划结合，模拟施工进度计划，直观快速地将项目施工计划与实际进展进行对比，检查进度偏差，模拟施工工序，并制订合理的改进措施。通过BIM平台虚拟建造，检查各施工方案、工序安排的合理性、可实施性。技术、施工人员通过模型，可以提前预知施工难点，进而提高协同效率，加快施工进度，工序3D模拟、进度优化的实现引领了地铁施工的新走向。
（2）派工单的研发与应用
派工单是指施工单位根据审批过的周计划创建派工单，将施工任务以工单的形式创建出来，派工单中包含进入车站作业的人员、设备、材料，工序指引以及安全防范措施等。对于日常施工过程管理，系统以派工单运行为核心，为建设方、监理方和施工方提供施工过程信息跟踪控制功能。
图中给出了系统中派工单运行的关联数据的逻辑图。
首先，通过派工单指定施工任务、人员、所需设备材料等并提交监理审核，审核通过后开始施工；
其次，派工单完成后需要在系统内提交相应的交付物，并可在模型中显示施工完成情况，对未及时完成施工任务及时预警；
最后，系统从派工单中提取实际进度数据，并与计划进度比较，分析工期延误情况，同时定量分析任务完成的质量和数量。
此外，系统将根据每日派工单内容自动生成施工日志等档案资料以形成后期运维知识库。
以派工单为核心的施工管理体系是广州地铁项目的一种超越工序级别的精细化管理方式，其特点是：首次以监理方的角色来主导基于BIM的施工管理，使得整个管理过程能在作业层面真正的实现精细化管理，由于派工单的约束存在，材料必须检查合格才能使用，工人必须授权才能进入作业区；其次，以信息化的方式，对施工过程进行完整、真实而实时的记录。
5.2 经验教训
通过轨道交通信息模型管理系统在广州地铁的正式上线应用，对工程的进度管理、安全管控及质量监管、后续运营维护等方面都起到了较大的作用。总结来说，轨道交通信息模型管理系统的应用带给地铁工程管理的主要是以下四点：主动、积极、思考、快捷和便利。
（1）主动：让施工单位能主动围绕准备派工为目的，制定详细可行的总体计划和设备、材料清单，极大地推动了派工单的有效运行。
（2）积极：全新的派工单的上线，给各参建单位带来了学习的机会，在程序的研发和应用上，承包商或多或少的参与其中，给他们带来了积极的动力，也保障了平台的技术支撑和数据服务，保证了系统功能的正式上线。
（3）思考：思考是进步的动力，BIM信息系统本是全新的管理系统，我们在应用的过程中也是边适应、边摸索、边提高，借助庞大而高效的BIM管理平台实现对工程精细化的实时管控。在BIM应用中我们思考如何才能让派工单的效果发挥到极致，如何才能最大让派工单在工程管理过程中实现应有的价值。
（4）快捷：派工单让施工单位按照计划施工，将人员、设备、材料编制详细的计划，列出相应的WBS。在日常的派工单过程中，选取相应的WBS施工项，保证各项施工进度如期进行，确保施工节点按时完成。为施工单位的精准、有效地派单提供了快捷、高效地管控。
（5）便利：将模型和管理系统相结合，在施工过程中保持模型信息的不断更新，确保现场与模型的一致性，为后续运营管理提供了较大的便利和帮助。
作者简介：
邹建成（1966-），男，贵州遵义人，教授，博士，博士生导师。主要研究方向为图像处理、模式识别。
通讯作者：张文婷（1990-），女，安徽亳州人，硕士。主要研究方向为图像超分辨率重建。
基金项目：国家自然科学基金资助项目（61170327），国家科技重大专项支持资助项目（2014ZX02502）
论文作者:薛志刚
论文发表刊物:《基层建设》2016年11期
论文发表时间:2016/6/13
标签：模型论文; 设备论文; 系统论文; 管理系统论文; 计划论文; 工程论文; 项目论文; 《基层建设》2016年11期论文;