建筑信息模型（BIM）技術(shù)在城市軌道交通項(xiàng)目管理中的應(yīng)用與探索

蔡 蔚

（上海軌道交通十三號(hào)線發(fā)展有限公司，200070，上?！胃呒?jí)工程師）

0 概述

建筑信息模型（Building Information Modeling，簡(jiǎn)為BIM），是在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的三維信息集成技術(shù)，是對(duì)工程物理信息和功能信息的數(shù)字化承載和可視化表達(dá)。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)NBIMS對(duì)BIM的定義分為3個(gè)部分：BIM是一個(gè)設(shè)施（建設(shè)項(xiàng)目）物理和功能特性的數(shù)字表達(dá)；BIM是一個(gè)共享的知識(shí)資源，是一個(gè)分享有關(guān)這個(gè)設(shè)施的信息，為該設(shè)施從建設(shè)到拆除的全生命周期中的所有決策提供可靠依據(jù)的過程；在項(xiàng)目不同的階段，不同利益相關(guān)方通過在BIM中插入、提取、更新和修改信息，以支持和反映其各自職責(zé)的協(xié)同作業(yè)。

在我國(guó)，BIM技術(shù)早期只是應(yīng)用于一些大型標(biāo)志性建筑項(xiàng)目，除應(yīng)用于上海最高的摩天大樓“上海中心”外，在上海世博會(huì)的一些場(chǎng)館也有所應(yīng)用。2011年5月，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的《2011—2015建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》中明確指出：“推進(jìn)BIM技術(shù)從設(shè)計(jì)階段向施工階段的應(yīng)用延伸，降低信息傳遞過程中的衰減；研究基于BIM技術(shù)的4D項(xiàng)目管理信息系統(tǒng)在大型復(fù)雜工程施工過程中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑工程有效的可視化管理”等?？梢哉f，該綱要的頒布拉開了BIM技術(shù)在我國(guó)建筑行業(yè)全面推進(jìn)的序幕。

2011年底，BIM技術(shù)在上海軌道交通13號(hào)線一期工程中開始嘗試性應(yīng)用。其最初目的在于輔助解決車站設(shè)備安裝過程中的“錯(cuò)、漏、碰、缺”問題。此技術(shù)得到有效驗(yàn)證后，開始應(yīng)用于城市軌道交通項(xiàng)目管理的全過程。2012年底，上海軌道交通13號(hào)線一期工程西段通車時(shí)全線已經(jīng)建立了完備的BIM模型。在上海軌道交通新一輪項(xiàng)目建設(shè)中，建設(shè)單位正在對(duì)BIM技術(shù)進(jìn)行全面推廣和開發(fā)，希望能在3D模型的基礎(chǔ)上加載更多有效的管理信息和措施，并更好地服務(wù)于工程籌劃、投資控制、施工組織、設(shè)備維護(hù)等領(lǐng)域。

1 BIM技術(shù)在城市軌道交通項(xiàng)目管理中的應(yīng)用

1.1 動(dòng)態(tài)籌劃及資源管理

工程籌劃是城市軌道交通項(xiàng)目管理中最為重要的環(huán)節(jié)之一。常規(guī)的籌劃采用橫道圖或者網(wǎng)絡(luò)圖等二維平面方法表達(dá)，無(wú)法詳盡地表達(dá)構(gòu)件的空間信息以及具體構(gòu)件在施工上的邏輯關(guān)系。BIM技術(shù)的出現(xiàn)解決了工程的三維可視化問題，在3D模型中可根據(jù)每個(gè)工序的施工周期為每個(gè)構(gòu)件賦予時(shí)間參數(shù)，將每個(gè)構(gòu)件的施工起止時(shí)間及持續(xù)時(shí)間作為屬性與模型關(guān)聯(lián)；在此基礎(chǔ)上賦予每個(gè)構(gòu)件與先導(dǎo)工序和后續(xù)工序的邏輯關(guān)系，進(jìn)而形成4D建筑信息模型。利用4D建筑信息模型可以對(duì)施工方案進(jìn)行實(shí)時(shí)、交互的虛擬建造（Virtual Construction），進(jìn)而對(duì)已有的施工方案進(jìn)行校核和優(yōu)化，避免和減少返工以及資源浪費(fèi)的現(xiàn)象。相對(duì)于傳統(tǒng)的施工籌劃編制方法而言，此法更加精準(zhǔn)有效。圖1為某車站虛擬建造示意圖。

圖1 某車站虛擬建造示意圖

4D建筑信息模型的另一個(gè)重要用途是進(jìn)行施工資源的動(dòng)態(tài)管理。在既有的4D建筑信息模型的基礎(chǔ)上，自動(dòng)計(jì)算各個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的工程量，并將施工方案中的人員、設(shè)備材料與工程量相關(guān)聯(lián)。根據(jù)動(dòng)態(tài)工程籌劃，可以給出施工資源需求的歷時(shí)曲線，進(jìn)度計(jì)劃中任意時(shí)間節(jié)點(diǎn)的施工資源需求量也都可以自動(dòng)生成。在施工過程中，項(xiàng)目管理人員可以清楚地掌握項(xiàng)目各階段的資源用量以及累計(jì)資源用量，合理制定施工人員使用安排、材料資源采購(gòu)和進(jìn)場(chǎng)等事項(xiàng)。圖2為某車站各階段的混凝土用量以及累計(jì)混凝土用量時(shí)程曲線。

圖2 某車站各階段的混凝土用量以及累計(jì)混凝土用量時(shí)程曲線

1.2 投資控制

BIM技術(shù)同樣可以為項(xiàng)目投資控制提供有效的手段。相對(duì)于以往的造價(jià)分析工作而言，其在工程量計(jì)算方面有著無(wú)可替代的強(qiáng)大功能。BIM模型中主要包含構(gòu)件的幾何信息，通過添加構(gòu)件的物理信息，如材質(zhì)（混凝土標(biāo)號(hào)、鋼筋等級(jí)等），并對(duì)構(gòu)件按照招標(biāo)清單進(jìn)行分類，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)構(gòu)件的工程量計(jì)算。通過計(jì)算每一個(gè)構(gòu)件的工程量，然后對(duì)所有構(gòu)件的工程量進(jìn)行匯總即可得到最終的工程量。因此，對(duì)于最終的工程量清單中的每一項(xiàng)工程量，都可以追溯到BIM模型中的每一個(gè)構(gòu)件。預(yù)算人員可以清楚地知道每一項(xiàng)工程量的來(lái)源，并能在三維模型中找到對(duì)應(yīng)的構(gòu)件，從而對(duì)工程量的計(jì)算進(jìn)行校核，能大大提高工程量計(jì)算的精度，從而降低投資控制的風(fēng)險(xiǎn)。通過將BIM技術(shù)的工程量計(jì)算與工程施工進(jìn)度計(jì)劃進(jìn)行關(guān)聯(lián)，可實(shí)時(shí)計(jì)算工程量。一旦工程發(fā)生變更，模型將自動(dòng)重新生成新的工程量清單，改變了傳統(tǒng)方法中在投資控制決策之后才能算出工程量的缺點(diǎn)，在施工實(shí)施之前就能計(jì)算出工程量，因而可以作為投資控制的決策依據(jù)。在實(shí)際應(yīng)用中，還能對(duì)從招投標(biāo)階段開始一直到工程竣工的全過程進(jìn)行投資控制，將任意時(shí)間節(jié)點(diǎn)的工程造價(jià)與招投標(biāo)階段的投資目標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，必要時(shí)采取相應(yīng)的工程措施，將工程造價(jià)控制在投資上限以內(nèi)，降低工程投資的風(fēng)險(xiǎn)。

在上海軌道交通13線某車站從招投標(biāo)到工程竣工的整個(gè)過程中，將BIM技術(shù)引入到了車站的投資控制管理中，解決了工程量的精準(zhǔn)計(jì)算、工程量可溯源、動(dòng)態(tài)投資控制等問題；對(duì)于施工過程中的任何工程變更都能在施工前完成評(píng)估，并做出相應(yīng)的投資決策，將工程造價(jià)始終控制在投資目標(biāo)上限以內(nèi)，大大降低了投資風(fēng)險(xiǎn)。圖3為該車站工程造價(jià)與投資目標(biāo)隨時(shí)間變化的對(duì)照?qǐng)D。圖3的兩條曲線中，較細(xì)的虛線表示不同階段的投資目標(biāo)值，較粗的線表示不同階段車站的工程造價(jià)。圖3下方是上方時(shí)間節(jié)點(diǎn)相應(yīng)的工程量統(tǒng)計(jì)，相關(guān)管理人員可以據(jù)此進(jìn)行投資控制。

圖3 某車站工程造價(jià)與投資目標(biāo)對(duì)照?qǐng)D

1.3 流程再造

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在我國(guó)現(xiàn)階段建筑施工中大約70%的“碰撞錯(cuò)誤”都源于設(shè)計(jì)方面的疏忽，而這些錯(cuò)誤一般是到了施工或后續(xù)階段才被發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行修正。如此一來(lái)就造成了建筑資源的大量浪費(fèi)。究其原因，主要是因?yàn)槿狈τ行У臋z驗(yàn)手段，僅以檢查圖紙是否合理來(lái)確定其實(shí)施可行性如何。城市軌道交通工程中，在車站狹小的空間內(nèi)同時(shí)分布有十幾個(gè)系統(tǒng)，而在圖紙上各個(gè)系統(tǒng)又單獨(dú)成圖，僅以系統(tǒng)接口提資的方式與其余系統(tǒng)協(xié)調(diào)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)綜合。因此，基于平面圖紙的設(shè)計(jì)協(xié)同缺陷成為系統(tǒng)“錯(cuò)、漏、碰、缺”的主要來(lái)源。目前，在城市軌道交通工程的施工階段，工程人員往往直接按照施工圖進(jìn)行施工；如在施工過程中碰到?jīng)_突即停下來(lái)修改方案，然后再返工。這會(huì)造成資源浪費(fèi)、工期拖延和成本增加等問題。

利用BIM技術(shù)，可以對(duì)傳統(tǒng)的管理工作進(jìn)行流程再造。如圖4所示，在設(shè)計(jì)單位施工圖出圖到正式施工之前，BIM咨詢單位依據(jù)施工圖紙進(jìn)行建模，此后由設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理各方共同參與，進(jìn)行虛擬建造、虛擬驗(yàn)收，并據(jù)此對(duì)施工方案進(jìn)行修改，直至施工方案達(dá)到最優(yōu)，最后編制詳細(xì)的施工組織計(jì)劃進(jìn)行正式施工。以上正式施工之前的一系列工作均在模型中完成，將施工中可能出現(xiàn)的問題提前暴露并予以解決，以大大降低正式施工時(shí)出現(xiàn)問題的可能性，從而節(jié)約成本、縮短工期。在上海市軌道交通13號(hào)線自然博物館站的施工中，基于BIM技術(shù)進(jìn)行流程再造，不斷地優(yōu)化施工方案，最終將計(jì)劃需要12個(gè)月完成的工作量在8個(gè)月內(nèi)就提前完成，大幅降低了成本。

圖4 車站施工流程再造框架圖

1.4 全生命周期設(shè)備維護(hù)

伴隨著上海軌道交通13號(hào)線一期西段工程于2012年底建成通車，又開始了基于BIM技術(shù)的全生命周期數(shù)字化設(shè)備維護(hù)平臺(tái)的探索和建設(shè)。基于BIM系統(tǒng)平臺(tái)基礎(chǔ)上針對(duì)城市軌道交通資產(chǎn)設(shè)備維保需求進(jìn)行二次開發(fā)，建立數(shù)字化城市軌道交通設(shè)施維護(hù)管理平臺(tái)，對(duì)于提高城市軌道交通設(shè)備維護(hù)管理水平、建立全生命周期的城市軌道交通維保體系具有重要意義。

首先，在竣工模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)既有的軌道交通資產(chǎn)管理規(guī)范進(jìn)行二次開發(fā)，將軌道交通資產(chǎn)管理信息與模型信息相關(guān)聯(lián)，可以在模型中查詢產(chǎn)品狀態(tài)、圖紙信息、維養(yǎng)信息等，建立數(shù)字化的資產(chǎn)信息平臺(tái)。在此基礎(chǔ)上，通過模糊搜索技術(shù)，還可進(jìn)一步研究各類資產(chǎn)設(shè)備的三維可視化搜索定位、信息即時(shí)查詢、與現(xiàn)有管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口研究，實(shí)現(xiàn)智能化的資產(chǎn)管理。

其次，結(jié)合運(yùn)營(yíng)維護(hù)需求對(duì)既有的工務(wù)、通信信號(hào)、供電等專業(yè)分公司的流程進(jìn)行梳理，在數(shù)字化管理平臺(tái)中嵌入各設(shè)備的維護(hù)需求，通過多種方式對(duì)維護(hù)任務(wù)預(yù)先提示，定期生成維護(hù)清單并通過多種方式下發(fā)。在此基礎(chǔ)上，可以建立設(shè)施設(shè)備的維護(hù)記錄檔案（病歷卡），將現(xiàn)場(chǎng)的維修照片、視頻及語(yǔ)音文字等與設(shè)備相關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)設(shè)施設(shè)備的全生命周期的維護(hù)記錄可視化管理。

2 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，無(wú)論是建設(shè)實(shí)施過程中的動(dòng)態(tài)籌劃、資源管理、投資控制和流程再造，還是項(xiàng)目全生命周期的資產(chǎn)管理和設(shè)備維護(hù)，BIM技術(shù)在城市軌道交通項(xiàng)目管理的多個(gè)領(lǐng)域都開始取得顯著的成效，具有廣泛的應(yīng)用前景。筆者認(rèn)為，BIM技術(shù)在為城市軌道交通項(xiàng)目管理工作提供新型信息化手段的同時(shí)，更為重要的是為城市軌道交通項(xiàng)目管理創(chuàng)新創(chuàng)造了新的機(jī)遇。伴隨著BIM技術(shù)在城市軌道交通項(xiàng)目管理工作中的進(jìn)一步應(yīng)用與探索，在項(xiàng)目管理實(shí)踐中還需重點(diǎn)推進(jìn)落實(shí)兩個(gè)方面的工作。

（1）開展BIM技術(shù)的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)研究。就BIM技術(shù)來(lái)說，首要的問題是建模，而建模就必須要解決好BIM技術(shù)的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)問題。簡(jiǎn)單地說，BIM技術(shù)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)可以歸納為兩個(gè)層面：一是面向用戶的交付標(biāo)準(zhǔn)，就城市軌道交通來(lái)說就是符合城市軌道交通全生命周期項(xiàng)目管理需求的數(shù)據(jù)粒度和信息內(nèi)容，包括構(gòu)件單元、設(shè)施設(shè)備和相應(yīng)的維修養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)；二是面向設(shè)計(jì)協(xié)同的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，就城市軌道交通而言涉及到不同設(shè)計(jì)階段和不同專業(yè)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和接口，包括在不同的設(shè)計(jì)單位間如何建立統(tǒng)一的族群?jiǎn)卧换テ脚_(tái)，以及如何在該平臺(tái)上重塑設(shè)計(jì)流程以實(shí)現(xiàn)真正意義上的3D協(xié)同設(shè)計(jì)。該項(xiàng)工作目前仍在研究探索中。清華大學(xué)牽頭的課題中也在進(jìn)行類似的研究工作。上海軌道交通13號(hào)線一期西段工程的探索實(shí)踐是在各家設(shè)計(jì)單位提供的二維圖紙基礎(chǔ)上重新建立BIM模型，然后基于BIM技術(shù)進(jìn)行二次開發(fā)以實(shí)現(xiàn)前述的項(xiàng)目管理功能。目前的這一應(yīng)用水平，距離BIM技術(shù)研發(fā)的初衷還有相當(dāng)?shù)牟罹?。因此，要加快推進(jìn)城市軌道交通項(xiàng)目管理中的BIM技術(shù)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)研究工作，從設(shè)計(jì)源頭突破BIM技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐中的協(xié)同性和功能性的瓶頸，從根本上解決BIM技術(shù)的可操作性和適用性問題。

（2）從3D向ND拓展。這一提法是由中國(guó)建筑學(xué)會(huì)工程管理研究分會(huì)理事長(zhǎng)丁烈云先生在2012年的“城市發(fā)展與工程管理——轉(zhuǎn)型·變革·創(chuàng)新”國(guó)際學(xué)術(shù)研討會(huì)上提出的。按照丁先生的提法，中國(guó)的BIM技術(shù)應(yīng)用還有很大的空間待挖掘，BIM技術(shù)應(yīng)用就是3D到ND的過程，而實(shí)現(xiàn)ND的關(guān)鍵則在于構(gòu)建相應(yīng)的管理模型?？傮w上看，在城市軌道交通領(lǐng)域，BIM技術(shù)從3D向ND拓展可以從建設(shè)管理和運(yùn)營(yíng)管理兩個(gè)方面進(jìn)行。在建設(shè)管理方面，可以探索動(dòng)態(tài)籌劃、資源管理、投資控制和流程再造等維度；在運(yùn)營(yíng)管理方面，可以探索資產(chǎn)管理、設(shè)備維護(hù)、災(zāi)情模擬、應(yīng)急疏散、能耗分析等維度。根據(jù)BIM技術(shù)在城市軌道交通項(xiàng)目管理中的實(shí)踐，筆者認(rèn)為：BIM技術(shù)的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)是3D數(shù)據(jù)模型，本質(zhì)是城市軌道交通工程項(xiàng)目的數(shù)字化；從3D向ND拓展就是基于數(shù)字化模型的管理能力開發(fā)，每一個(gè)維度的建設(shè)都是BIM技術(shù)強(qiáng)大的內(nèi)含功能的釋放。這也正是BIM技術(shù)的價(jià)值和魅力所在。

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