萬(wàn)偉明, 何越磊, 程 巖, 路宏遙, 劉 俊, 李再幃
(1. 上海工程技術(shù)大學(xué) 城市軌道交通學(xué)院, 上海 201620;2. 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司, 上海 200040)
隨著鐵路運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展,鐵路運(yùn)能需求逐年增長(zhǎng)。許多鐵路車(chē)站由于建設(shè)年代早,設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低,設(shè)施落后,已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足當(dāng)前的鐵路運(yùn)能需求,實(shí)施鐵路車(chē)站改擴(kuò)建工程的必要性日益凸顯。
目前,國(guó)內(nèi)外針對(duì)鐵路車(chē)站改擴(kuò)建工程的資料管理已展開(kāi)了大量的研究,如文獻(xiàn)[1]針對(duì)新形勢(shì)下的工程資料管理,從優(yōu)化策劃、強(qiáng)化控制、總承包管理手段、信息化技術(shù)等方面闡述工程資料管理思路,加強(qiáng)管理創(chuàng)新。文獻(xiàn)[2]開(kāi)發(fā)了鐵路工程試驗(yàn)資料管理系統(tǒng),用計(jì)算機(jī)輔助試驗(yàn)數(shù)據(jù)的匯總,實(shí)現(xiàn)鐵道工程實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)、自動(dòng)檢索的電子檔案管理。文獻(xiàn)[3]基于BIM進(jìn)行了信息管理平臺(tái)的開(kāi)發(fā)研究,以Microstation平臺(tái)為基礎(chǔ),研究了其信息儲(chǔ)存和交換方法,通過(guò)二次開(kāi)發(fā),建立了監(jiān)測(cè)信息管理平臺(tái)。文獻(xiàn)[4]對(duì)新形勢(shì)下鐵路建設(shè)中聲像檔案的形成與管理進(jìn)行研究,嘗試建立了一套完整的聲像檔案管理系統(tǒng),以滿(mǎn)足新形勢(shì)下鐵路建設(shè)項(xiàng)目聲像檔案的管理與利用。這些研究給出了工程信息管理的一些解決方案,對(duì)鐵路車(chē)站信息管理具有十分重要的實(shí)踐價(jià)值。同時(shí)需要注意的是,現(xiàn)有研究雖然在信息化管理上都做了很多的探索,但針對(duì)工程資料管理方面還不完善,無(wú)法實(shí)現(xiàn)工程資料與模型的多維度、多方式關(guān)聯(lián),尚存在較大的改進(jìn)和研究空間。
基于此,本文提出鐵路車(chē)站改擴(kuò)建工程資料管理方面BIM應(yīng)用的技術(shù)架構(gòu)、實(shí)施流程和應(yīng)對(duì)措施,基于基礎(chǔ)設(shè)施智慧服務(wù)系統(tǒng)(Infrastructure Smart Service System, iS3)[1]進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)形成改擴(kuò)建工程資料管理系統(tǒng)。通過(guò)一體化的管理平臺(tái)、創(chuàng)新的資料管理手段,為實(shí)現(xiàn)基于BIM的工程資料可視化管理奠定了基礎(chǔ)。
鐵路車(chē)站改擴(kuò)建工程涵蓋了建筑、結(jié)構(gòu)、暖通、給排水、信號(hào)等專(zhuān)業(yè),改擴(kuò)建過(guò)程中多專(zhuān)業(yè)的“新老交替”產(chǎn)生了大量錯(cuò)綜復(fù)雜的工程資料。
鐵路車(chē)站改擴(kuò)建工程往往涉及多個(gè)管理部門(mén),多部門(mén)管理導(dǎo)致多標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行。鐵路車(chē)站改擴(kuò)建工程項(xiàng)目需使用車(chē)站所在行政區(qū)的建筑資料管理標(biāo)準(zhǔn)(地方標(biāo)準(zhǔn)),以及其所屬管理局的相關(guān)資料管理標(biāo)準(zhǔn)(鐵路標(biāo)準(zhǔn)),在引入BIM后,需結(jié)合BIM的鐵路工程信息模型標(biāo)準(zhǔn)(BIM標(biāo)準(zhǔn))。多標(biāo)準(zhǔn)融合使得改擴(kuò)建工程資料管理“眾口難調(diào)”。
多數(shù)車(chē)站在進(jìn)行改擴(kuò)建的同時(shí)也需要保證正常的鐵路運(yùn)輸,因此該類(lèi)工程深受項(xiàng)目策劃、設(shè)計(jì)、施工、鐵路線運(yùn)營(yíng)等多環(huán)節(jié)決策的影響。
鐵路車(chē)站改擴(kuò)建工程的多專(zhuān)業(yè)協(xié)調(diào)、多部門(mén)管理、多環(huán)節(jié)決策等特點(diǎn),增加了改擴(kuò)建工程資料的復(fù)雜程度,資料缺失、信息斷層、管理脫節(jié)等問(wèn)題在該類(lèi)工程中尤為突出,目前對(duì)數(shù)字化信息管理研究尚不夠深入,這給工程的資料管理帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。
依據(jù)BIM在可視化、標(biāo)準(zhǔn)化、信息化、參數(shù)化等方面的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn),將BIM融入鐵路車(chē)站改擴(kuò)建工程資料管理中,基于BIM技術(shù)的鐵路車(chē)站改擴(kuò)建工程資料管理是一種創(chuàng)新的工程管理理念,也是高效、互動(dòng)、系統(tǒng)的資料管理體系。與傳統(tǒng)的資料管理模式不同,這種管理模式與現(xiàn)代的管理技術(shù)、信息技術(shù)相結(jié)合,以資料管理為核心,打通資料在改擴(kuò)建工程管理全過(guò)程的應(yīng)用。
從信息流的角度,利用基礎(chǔ)設(shè)施智慧服務(wù)系統(tǒng)(iS3)的概念[5],結(jié)合鐵路車(chē)站改擴(kuò)建工程項(xiàng)目的需求,并對(duì)多種不同的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究整合,搭建全壽命數(shù)據(jù)收集、處理、表達(dá)、管理的一體化的鐵路車(chē)站改擴(kuò)建工程資料管理系統(tǒng)。涵蓋設(shè)計(jì)、施工到運(yùn)營(yíng)維護(hù)各階段不同信息流節(jié)點(diǎn)的全生命周期。廣義上講,該鐵路車(chē)站改擴(kuò)建工程資料管理系統(tǒng)適用于任何領(lǐng)域的信息化應(yīng)用。
在工程資料標(biāo)準(zhǔn)化歸檔方面,本研究對(duì)多重標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行深入分析整合,完成一套適用于鐵路車(chē)站改擴(kuò)建工程資料歸檔的標(biāo)準(zhǔn)。以京滬線上的某車(chē)站改擴(kuò)建工程為例。依據(jù)中國(guó)鐵路BIM聯(lián)盟的鐵路工程信息模型分類(lèi)和編碼標(biāo)準(zhǔn)、車(chē)站所屬管理局和車(chē)站所在行政區(qū)等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行鐵路車(chē)站改擴(kuò)建工程資料歸檔的研究。
《鐵路工程信息模型分類(lèi)和編碼標(biāo)準(zhǔn)》是為規(guī)范鐵路工程信息模型的分類(lèi)、編碼,實(shí)現(xiàn)鐵路工程全生命周期信息的交換、共享,從而制定的標(biāo)準(zhǔn),其適用于鐵路工程全生命周期內(nèi)各階段信息模型的分類(lèi)和編碼?!渡虾hF路局建設(shè)項(xiàng)目檔案管理暫行辦法》是為統(tǒng)一和規(guī)范上海鐵路局建設(shè)項(xiàng)目檔案管理,確保檔案管理各環(huán)節(jié)工作標(biāo)準(zhǔn)化、制度化,該辦法適用于上海鐵路局管轄范圍內(nèi)新建、擴(kuò)建和改建鐵路建設(shè)項(xiàng)目及更新改造項(xiàng)目。《江蘇省房屋建筑和市政基礎(chǔ)設(shè)施工程檔案資料管理規(guī)范》是為加強(qiáng)江蘇省房屋建筑和市政基礎(chǔ)設(shè)施工程檔案資料管理,從而制定的標(biāo)準(zhǔn),該標(biāo)準(zhǔn)適用于江蘇省行政區(qū)域內(nèi)新建、改建、擴(kuò)建房屋建筑和市政基礎(chǔ)設(shè)施工程的資料管理。上述標(biāo)準(zhǔn)都可應(yīng)用于鐵路車(chē)站改擴(kuò)建工程的資料管理中,但每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都有各自的適用對(duì)象以及適用范圍。針對(duì)這些標(biāo)準(zhǔn)以及鐵路車(chē)站改擴(kuò)建工程的特點(diǎn),進(jìn)行了適合本工程標(biāo)準(zhǔn)化資料歸檔的研究,并將工程資料進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化歸檔。按照鐵路BIM聯(lián)盟的IFD標(biāo)準(zhǔn)作為基礎(chǔ),結(jié)合其他相關(guān)規(guī)范的要求,并聯(lián)系工程實(shí)際,采用鐵路工程工項(xiàng)、鐵路工程組織角色、鐵路工程人員角色、鐵路工程產(chǎn)品這四種分類(lèi)方式,并結(jié)合鐵路車(chē)站的具體情況對(duì)工程資料進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化歸檔。
鐵路車(chē)站改擴(kuò)建工程的基本信息都可以在構(gòu)件的文檔資料中查找,但鐵路車(chē)站改擴(kuò)建工程的構(gòu)件繁多、信息復(fù)雜,通過(guò)文檔的方式查看構(gòu)件信息會(huì)造成信息管理效率低下,本文將工程文件中的構(gòu)件屬性信息進(jìn)行提取,依據(jù)鐵路車(chē)站改擴(kuò)建工程的信息重要性,按工程實(shí)際需求選取所需信息進(jìn)行匯總整理,利用Access建立鐵路車(chē)站改擴(kuò)建工程的屬性信息數(shù)據(jù)庫(kù),將構(gòu)件的屬性信息導(dǎo)入其中。
依托BIM技術(shù)建立鐵路車(chē)站改擴(kuò)建工程三維信息模型,并通過(guò)多種方式實(shí)現(xiàn)模型的輕量化。利用C#對(duì)iS3進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)形成鐵路車(chē)站改擴(kuò)建工程資料管理系統(tǒng),該系統(tǒng)將三維模型與數(shù)據(jù)庫(kù)關(guān)聯(lián)實(shí)現(xiàn)5D可視化顯示、信息標(biāo)準(zhǔn)化查詢(xún)、資料多樣化調(diào)取等功能,為鐵路車(chē)站改擴(kuò)建工程資料管理提供創(chuàng)新手段。系統(tǒng)集成技術(shù)路線圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)集成技術(shù)路線
系統(tǒng)主程序采用語(yǔ)言C#,基于.NET Framework 4.5框架開(kāi)發(fā)而成,采用64位windows操作系統(tǒng),系統(tǒng)至少為Windows7,處理器至少1.6 GHz,4 GBRAM,并具備11 GB可用硬盤(pán)空間。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)資源是多樣化的,常用的文件格式有:TXT,DOC,XLS等文本文檔格式,JPG,PIC,PNG等圖像格式,MP4,AVI,WMV等音頻格式。工程的圖形數(shù)據(jù)有二維圖紙和三維模型兩種,二維圖形數(shù)據(jù)格式包括DWG,ShapeFile等,三維模型數(shù)據(jù)格式采用通用性較強(qiáng)的FBX格式。系統(tǒng)采用通用、標(biāo)準(zhǔn)的文件格式,具有較強(qiáng)的應(yīng)用契合性。
通過(guò)對(duì)鐵路車(chē)站改擴(kuò)建工程二維圖紙的分析,建立完善鐵路車(chē)站的專(zhuān)業(yè)族庫(kù)以及鐵路車(chē)站的三維模型。目前針對(duì)大體量工程的模型優(yōu)化有眾多解決方案,為提高系統(tǒng)運(yùn)行效率,本研究在渲染引擎中從以下方面進(jìn)行優(yōu)化。
一是將車(chē)站周?chē)h(huán)境中形態(tài)相似的靜態(tài)模型定義為預(yù)制(Prefab)對(duì)象。例如模型中的候車(chē)座椅、軌道設(shè)備等批量重復(fù)的構(gòu)件,可利用該方式進(jìn)行優(yōu)化;二是壓縮模型的片面數(shù),由于鐵路專(zhuān)業(yè)的特殊性,很多模型構(gòu)件的模型數(shù)量龐大、切面數(shù)較多,例如鋼軌、彈條等,利用該方式可優(yōu)化運(yùn)行效率;三是對(duì)周?chē)h(huán)境中的建筑使用Unity3D中的Lightmapping技術(shù)。對(duì)鐵路車(chē)站的候車(chē)大廳、站臺(tái)等燈光較集中的地方使用光照貼圖,可以減少使用光源;四是利用LOD(Levels of Detail)技術(shù),這是根據(jù)物體在場(chǎng)景中覆蓋屏幕的百分比來(lái)調(diào)用不同精細(xì)度的模型。以軌枕為例,當(dāng)其距離攝像機(jī)較遠(yuǎn)時(shí)使用低模(長(zhǎng)方體),當(dāng)軌枕距離攝像機(jī)較近時(shí)使用高模(軌枕的原始模型),采用該方式可以極大的提高渲染效率。
上述優(yōu)化方案會(huì)存在模型信息丟失、場(chǎng)景失真等問(wèn)題。為應(yīng)對(duì)模型優(yōu)化產(chǎn)生的問(wèn)題,本文提供了多場(chǎng)景展示的模型優(yōu)化解決方案。該方案通過(guò)功能、區(qū)段或者專(zhuān)業(yè)劃分對(duì)鐵路車(chē)站改擴(kuò)建工程模型進(jìn)行劃分,將整個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行區(qū)段的劃分后按照實(shí)際需求進(jìn)行多場(chǎng)景展示。在三維互動(dòng)引擎中添加場(chǎng)景切換按鍵,如圖2所示,并利用C#語(yǔ)言對(duì)功能腳本進(jìn)行編寫(xiě),實(shí)現(xiàn)視角切換。該功能可以?xún)?yōu)化運(yùn)行效果,解決了由于模型量太大而引起的卡頓,并且可以實(shí)現(xiàn)快速的切換場(chǎng)景,方便快速的進(jìn)行模型信息的查閱。
圖2 在Unity3D中添加Botton場(chǎng)景切換鍵
在鐵路車(chē)站改擴(kuò)建工程資料管理系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)模型與屬性數(shù)據(jù)庫(kù)關(guān)聯(lián),將構(gòu)件的進(jìn)度、成本等屬性信息集成到系統(tǒng)中,最終實(shí)現(xiàn)BIM 5D可視化顯示。
通過(guò)對(duì)屬性數(shù)據(jù)庫(kù)的編寫(xiě),將模型的時(shí)間-進(jìn)度、時(shí)間-成本信息添加到數(shù)據(jù)庫(kù)中,在數(shù)據(jù)庫(kù)中添加Component字段并將其設(shè)置為短文本類(lèi)型,將時(shí)間-進(jìn)度、時(shí)間-成本信息加入其中,同時(shí)新建Time(時(shí)間類(lèi)型)以及Value(數(shù)字類(lèi)型)字段,并將與ID對(duì)應(yīng)的構(gòu)件信息加入新建的字段中。利用WPF(Windows Presentation Foundation)為鐵路車(chē)站改擴(kuò)建工程資料管理系統(tǒng)添加圖表展示功能,通過(guò)調(diào)取數(shù)據(jù)庫(kù)中的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)系圖的繪制并與模型直接關(guān)聯(lián),在鐵路車(chē)站改擴(kuò)建工程資料管理系統(tǒng)中通過(guò)點(diǎn)選構(gòu)件可在屬性窗口中通過(guò)關(guān)系圖的形式直觀展示出該構(gòu)件對(duì)應(yīng)的時(shí)間-進(jìn)度、時(shí)間-成本信息,實(shí)現(xiàn)BIM 5D的展示。
根據(jù)鐵路車(chē)站工程文件類(lèi)型,將工程文件按資料文檔數(shù)據(jù)庫(kù)的歸檔標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行歸檔,并借鑒BIM在建筑行業(yè)的資料管理模式,探尋出適合的鐵路工程資料標(biāo)準(zhǔn)化查詢(xún)方式。
結(jié)合已經(jīng)建立好的工程資料匯總目錄,并將本工程相關(guān)的各種紙質(zhì)及電子資料轉(zhuǎn)化為可以加載入iS3平臺(tái)的文件格式。
在鐵路車(chē)站改擴(kuò)建工程資料管理系統(tǒng)中通過(guò)XML語(yǔ)言將工程資料按標(biāo)準(zhǔn)寫(xiě)入模型化管理系統(tǒng)中,XML語(yǔ)言編寫(xiě)工程資料匯總目錄的部分代碼如圖3所示。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)構(gòu)目錄進(jìn)行竣工資料的查閱、調(diào)取,利用C#語(yǔ)言對(duì)iS3平臺(tái)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),實(shí)現(xiàn)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化目錄查找改擴(kuò)建工程文件的功能。
圖3 XML語(yǔ)言編寫(xiě)竣工資料匯總目錄
本系統(tǒng)可將BIM模型與工程資料相關(guān)聯(lián)實(shí)現(xiàn)竣工資料的可視化提交。通過(guò)iS3平臺(tái)架構(gòu)的研究,對(duì)項(xiàng)目資料管理的功能進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),實(shí)現(xiàn)各種體量龐大且相互關(guān)聯(lián)的工程資料通過(guò)鐵路車(chē)站改擴(kuò)建工程資料管理系統(tǒng)已經(jīng)完成的工程三維模型進(jìn)行關(guān)聯(lián),將三維建筑模型升級(jí)為真正的BIM建筑信息模型。
將BIM模型轉(zhuǎn)換成FBX格式文件后導(dǎo)入三維互動(dòng)引擎,利用ProcessCatalog插件對(duì)場(chǎng)景模型的目錄進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的整理,將整理后的模型導(dǎo)入鐵路車(chē)站改擴(kuò)建工程資料管理系統(tǒng)。將工程資料文件按照構(gòu)件進(jìn)行分類(lèi)后匯總到鐵路車(chē)站改擴(kuò)建工程資料管理系統(tǒng)自動(dòng)生成的工程文件夾,最終實(shí)現(xiàn)工程資料的可視化提交。通過(guò)實(shí)現(xiàn)模型與工程資料的關(guān)聯(lián),可在鐵路車(chē)站改擴(kuò)建工程三維場(chǎng)景中直接點(diǎn)選構(gòu)件模型調(diào)取工程資料,這樣的資料調(diào)取方式直觀便捷、快速高效。
模型化信息管理系統(tǒng)已在京滬線上的某車(chē)站改擴(kuò)建工程中應(yīng)用,共設(shè)計(jì)了3個(gè)場(chǎng)景:選擇場(chǎng)景、外部場(chǎng)景和內(nèi)部場(chǎng)景。
將鐵路車(chē)站模型按照車(chē)站以及站臺(tái)的不同視角進(jìn)行分部展示,以達(dá)到場(chǎng)景的快速切換,站房視角界面如圖4所示,站臺(tái)視角界面如圖5所示。
圖4 站房視角界面
圖5 站臺(tái)視角界面
在該車(chē)站改擴(kuò)建工程中,將資料歸檔標(biāo)準(zhǔn)寫(xiě)入模型化管理系統(tǒng)中,通過(guò)界面右邊的資料分類(lèi)窗口中標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)構(gòu)目錄進(jìn)行竣工資料的查閱、調(diào)取,如圖6所示。
圖6 通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)分類(lèi)進(jìn)行資料調(diào)取
在模型化信息管理系統(tǒng)中通過(guò)構(gòu)件直觀展示出該構(gòu)件對(duì)應(yīng)的屬性信息,可查看時(shí)間-進(jìn)度、時(shí)間-成本信息。該功能效果展示如圖7所示。
圖7 屬性窗口查看構(gòu)件的時(shí)間-進(jìn)度、時(shí)間-成本信息
通過(guò)模型與工程資料的關(guān)聯(lián),可實(shí)現(xiàn)三維構(gòu)件直接調(diào)取其所對(duì)應(yīng)的工程文件,如圖8所示,并可在鐵路車(chē)站改擴(kuò)建項(xiàng)目中進(jìn)行漫游,對(duì)其設(shè)備信息也可直接調(diào)取其關(guān)聯(lián)文件。
圖8 通過(guò)點(diǎn)擊鐵路車(chē)站構(gòu)件調(diào)取關(guān)聯(lián)文件
管理人員使用模型化信息管理系統(tǒng),將工程資料收集后通過(guò)多種方式實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)三維模型。有助于提高資料關(guān)聯(lián)效率,同時(shí)保證資料的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性。以京滬線上某車(chē)站改擴(kuò)建工程中的主要任務(wù)耗費(fèi)工天(人次)為例,使用該系統(tǒng)前后效率對(duì)比如下:
(1)過(guò)程性文件的整理,時(shí)間跨度久、周期長(zhǎng),使用該系統(tǒng)可以顯著提升過(guò)程性文件梳理方面的效率,使用前:車(chē)站改擴(kuò)建工程各階段資料整合需10個(gè)工天,使用后:將過(guò)程性文件進(jìn)行實(shí)時(shí)添加共需4個(gè)工天,時(shí)間節(jié)省60%,效率提高2.5倍。
(2)提高竣工資料整合效率,使用前:手動(dòng)進(jìn)行竣工資料的歸檔需要30個(gè)工天,使用后:按標(biāo)準(zhǔn)整合竣工文件需要6工天,時(shí)間節(jié)省80%,效率提高5倍。
綜上可知,該系統(tǒng)有助于管理人員對(duì)工程資料進(jìn)行實(shí)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)化歸檔,從而提升工作效率,保證了工程資料的準(zhǔn)確性。通過(guò)三維模型等方式直觀、方便的查找相關(guān)工程資料,同時(shí)可為后期竣工資料的歸檔節(jié)約了大量的人工成本、提升了工程資料管理的效率。
基于BIM技術(shù)的鐵路車(chē)站改擴(kuò)建工程資料管理打通了智能建造領(lǐng)域的信息傳遞路徑,奠定了智能化管理的基礎(chǔ)。
本文以實(shí)現(xiàn)改擴(kuò)建工程資料管理的宏觀把控和精益協(xié)調(diào)為目標(biāo),提出基于BIM技術(shù)的鐵路車(chē)站改擴(kuò)建工程資料管理的思路,構(gòu)建了鐵路車(chē)站改擴(kuò)建工程資料管理系統(tǒng)的構(gòu)架,并深入開(kāi)展應(yīng)用實(shí)踐,促進(jìn)了鐵路車(chē)站改擴(kuò)建工程的信息化建設(shè),提高了工程資料管理效率及質(zhì)量,提升了鐵路車(chē)站改擴(kuò)建工程資料管理水平,為鐵路車(chē)站改擴(kuò)建工程資料管理提供了一套完整的解決方案。
鐵路車(chē)站改擴(kuò)建工程資料管理系統(tǒng)在工程中的應(yīng)用實(shí)例表明,它適合于鐵路車(chē)站改擴(kuò)建工程的資料數(shù)字化、信息化與智慧化管理,在工程應(yīng)用中有著廣闊的前景。