论文|新福厦铁路四电集成工程BIM应用

注：本文为期刊公众号简版，完整版已发群内自取。

文章来源： 铁路BIM联盟 源网址：https://mp.weixin.qq.com/s/VtB-8uHikaSTygfdoBoHPg 陈四清，东南沿海铁路福建有限公司

新福厦铁路作为 《铁路“十三五”发展规划》 高速铁路重点项目、福建省融入国家“一带一路”战略的重要通道，为提高新福厦铁路四电集成工程整体质量，构建我国东南沿海地区高铁“新标杆”，围绕新福厦铁路四电集成工程开展BIM应用分析。以实现数字化交付为目标，从设计模型，到施工阶段进行模型深化应用，再结合铁路四电管理平台进行施工管理及智能建造。依托BIM等先进技术实现新福厦铁路四电集成工程科学化、规范化建设，为我国开展铁路四电相关工程施工提供参考。

一 工程概况

新福厦铁路作为《铁路“十三五”发展规划》 高速铁路重点项目，也是福建省融入国家“一带一路”战略的重要通道之一。该工程连接福州和厦门两地，线路正线全长277.42 km，经过泉州、莆田和漳州等县市。该项目是我国首条速度350 km/h 的跨海高铁，实施技术方案复杂，对施工人员的技能水平要求较高。该项目施工线路长，桥隧占比高达85.57%，跨越了5个自然保护区和多个渔业养殖区，施工点多且分散，施工周期短。由于该项目专业性强且专业之间施工接口复杂，因此需要高度协调和管理，确保施工进度和质量。 针对项目实施重难点，以“精品工程智能福厦”为目标，在设计交付模型基础上进行四电工程BIM深化应用、逐步完善形成竣工模型；充分利用大数据、BIM、GIS、物联网等新一代信息技术，搭建基于BIM的四电工程管理平台，实现项目精细化管理，通过采集工程过程信息并集成至BIM模型，为数字化移交奠定坚实基础。

二 铁路四电BIM应用情况

1. BIM技术应用优势

数字化的建筑设计、施工和运营管理系统，将相关数据整合到一个中央模型中，实现对建筑项目全生命周期的管理。以构建建筑施工模型为主导，并以数字仿真形式对建筑各方面的数据信息进行表达。BIM技术在铁路四电工程领域应用的主要优势如下： （1）在铁路四电施工中充分利用BIM技术，能够更好地指导现场施工，帮助各参与方充分理解交付物，实现相关资源的有效利用，从而提升效率、安全性和可信度，降低风险和成本。 （2）BIM技术可以解决传统施工中细部管理不畅、通过协调也无法处理的特异性问题，适应铁路四电专业特点实现精细化管理。 （3）BIM技术应用还可以帮助铁路四电项目更好地管理和记录施工过程中的资料，有序、可视化的资料管理可以帮助建设单位更便捷地审核施工过程中出现的问题，实现设计、施工模型及资料的一体化管理，更好地控制和协调工程设计与现场施工过程。

2. 铁路四电工程BIM应用案例

随着我国铁路事业的迅猛发展，以及信息化、自动化、集成化水平的不断提高，BIM技术在铁路四电集成工程施工领域也得到了广泛应用，如京沈高铁、成贵高铁、京雄城际铁路、怀邵衡铁路等。其中，成贵高铁从依据施工图建立四电BIM模型，到运用平台实现施工人员、施工进度、施工安全质量、施工测量等信息的管理等多方面都进行过应用实践，并取得显著成果，应用示例见图1（a）；京雄城际铁路除了基于BIM技术的施工实践应用外，还尝试了基于BIM技术的接触网信息系统研究，利用 BIM 技术承载包含接触网施工阶段所有数据的数据库，形成了接触网施工数字化管理系统，实现数据在各参与方的共享、复用（见图1（b））。这些项目都依据自身技术特点，针对性地进行了BIM、GIS、物联网等技术探索应用，为智能建造、工程数字化提供了实践经验。

图1 铁路四电集成工程BIM应用示例

三 基于BIM的铁路四电工程施工深化应用

1. 创建BIM施工深化模型

新福厦铁路四电集成工程由建设单位主导进行设计模型移交应用，由于设计模型结构划分、编码体系与施工要求不一致，存在模型颗粒度、几何精度不足等问题，为解决这些问题，项目根据施工应用需求对设计模型进行拆分细化、嵌套重组、材质调整、信息深化等操作（见图2），过程中利用二次开发插件快速准确补充完善模型（见图3），创建施工深化模型，指导现场施工。

图2 设计模型拆分重组

图3 铁路四电集成工程BIM应用示例

2. 碰撞检查

四电集成工程施工涉及专业多、专业间接口复杂，可能会出现较多干涉、无法安装的现象。结合现场实际情况，创建、整合四电及相关专业BIM模型，检查各专业施工安装空间干涉、限界，形成问题记录卡，优化设备布置，闭环碰撞问题，降低现场布置过程中的碰撞问题；检查预留预埋情况，优化预留预埋位置，避免二次开凿增加结构安全隐患。

3. 线缆布设优化

四电集成工程中包含大量电缆、光缆，线缆敷设经常会因为空间有限、径路规划不合理出现线缆交叉、线缆转弯半径不足、线缆预留不足等问题。为了解决这些问题，利用BIM技术来严格规划每根线缆的走向，使其满足外观平、顺、美、无交叉、耗材最少、层次分明等原则。通过BIM模型输出图纸指导现场施工，可以使线缆敷设一次成优（见图4），保证线缆敷设质量，节约施工工期。尤其在弱电专业，创建精细到接线端子的施工深化模型（见图5），对电源线、数据线、控制线等各类线缆布置走向及顺序进行预布和优化，输出接线工序表和线缆布设图，现场施工人员依据布设图纸进行施工，可以提升施工效率，节约施工成本。

图4 线缆布设优化

图5 弱点专业端子线缆布设

4. 施工方案深化

四电集成工程施工中存在部分设计未标明或不易确定的位置及难点，制定合规的最优方案，能有效减少二次调整带来的时间、成本、人员、材料的浪费。在施工方案设计中运用BIM技术，能够促进提升施工方案设计及时性。以下以变电所外分支沟槽施工方案为例，介绍施工方案深化应用。 牵引变电所外分支沟槽包含通信、电力、变电、接触网等多专业的电缆沟，需要结合环境地势、周边设施等才能进行准确布置，因此设计阶段未能对具体路径进行规划。施工前，BIM技术人员结合地理信息、参照站前路桥、接触网、牵引变电所等模型，对接触网、变电、通信、信号等专业分支沟槽进行创建，并检测分支沟槽在跨沟、越坡、交叉、上桥等复杂工况下的模型冲突。根据检测结果，对分支沟槽的路径及穿越方案进行深化设计和出图，以指导分支沟槽施工。通过BIM技术专项设计，可以保证各专业分支沟槽的电缆互不干扰、互不交叉，并得出最优的布置方案（见图6）。总体来说，BIM技术可以帮助工程师在施工规划阶段快速创建模型、进行冲突检测、深化设计和出图，从而减少误差、提高效率和工程质量。

图6 分支沟槽布置方案模拟深化

5. 可视化工艺交底

依据中国国家铁路集团有限公司 《细部设计和工艺质量标准》 和新福厦铁路特殊环境下的工艺要求，为保证施工技术交底效果，帮助施工作业人员理解作业流程、工艺要求，项目依据高速铁路施工规范和设计图纸，基于 BIM 施工深化模型制作四电各专业关键工艺交底动画。基于BIM可视化特性，将文字、图片、方案和三维动画充分结合，形象生动地展示施工工序、工艺流程、操作要点、质量标准等内容。 作业人员通过观看工艺模拟动画更容易掌握工艺的重难点、危险点等，提高交底效率，增进施工人员对作业内容的理解，有助于推广标准化作业，提升施工质量和效率。

6. 预制加工

在BIM深化模型基础上，根据厂商提供的可生产规格型号及参数范围，建立对应的实例模型，再结合现场实际情况优化支吊架、爬架、静电地板等构件布置，标准化构造尺寸，精确统计预制构件数量，经制作部门受力校核后，出具构件预制加工图纸、参数表，审核后交由工厂进行预制加工，保证了厂商进行构件加工时的准确度和效率，实现构件批量生产，节约采购成本及周期。 预制加工构件到达现场后，按照预制加工图纸进行定位、装配，可减少现场二次切割造成损耗及浪费。预制加工应用见图7。

图7 预制加工应用

7. 工程量计算

在四电工程中，电缆、支架等材料的工程量卡控非常重要，而BIM技术可以为此提供有效的解决方案。施工深化过程中，通过逐步完善BIM模型，并利用精确的BIM施工深化模型对电缆、电缆支架、静电地板、钢立柱等构件进行工程量计算，以避免零星采购和材料浪费。同时，使用BIM技术可以对电缆进行精确测算，统计出电缆的需求总量及每根电缆的准确长度，项目人员在现场根据统计清单进行电缆配盘和采购，以减少电缆取量不足或取量过度造成的线材浪费。采用BIM技术进行施工深化和工程量计算的方法，提高了施工效率，减少材料浪费，降低成本；同时，在出现变更或优化时，也能够快速导出相关工程量，缩短变更核算时间，优化项目管理。

四 基于BIM的铁路四电管理应用

新福厦铁路四电集成工程项目利用信息化手段整合项目业务流程，与BIM模型相结合，建设“全要素、全流程、全覆盖”的BIM应用管理平台，服务施工过程中的各参与方，包括设计单位人员、生产厂家、施工单位人员等。通过Web网页端以及手机微信端实时采集工程现场的人员、物资材料、关键施工部位信息等，将项目建设过程中的信息进行直观、动态、综合、统一的建设管理监控，信息可视化展示，实现数据交互与共享。

1. 项目信息管理

（1）基础数据

基础数据作为BIM应用管理平台的“地基”，所有功能运转都离不开基础数据的协同、支撑，规范、准确的基础数据可以减小平台应用的阻力。新福厦铁路四电集成工程基础数据主要构成如下： 1）主数据：工程实体分解编码、WBS编码、功能模块与编码体系的映射关系； 2）人员数据：组织架构、人员信息、账号密码、职能权限； 3）模型数据：轻量化BIM模型。

（2）三维电子沙盘

BIM建模软件在模型维护及施工深化应用过程中起着关键性作用，但是由于其专业度要求高，学习周期长，不适合在项目中大范围推广，并且当体量模型过大时，操作会变得卡顿，不适用于多方协同及施工管理。因此，该项目通过搭建轻量化 BIM 管理平台，以向运维实现数字化资产移交为目标，形成了整个项目的三维电子沙盘（见图8）。

图8 三维电子沙盘

三维电子沙盘实现了设计参数、四电接口、安全问题、质量问题、预配加工等数据与BIM+GIS场景相结合，可以清晰直观地呈现问题集中区域、频发部位、处置状况，也可以根据模型快速进行档案信息查询，为项目管理决策提供准确、合理的支撑。在电沙盘中通过将 BIM 模型和项目管理数据深度融合，形成新福厦铁路四电集成工程数字化资产，实现线路信息与地理信息一体化、工点分布直观化、项目信息BIM+GIS“一张图”集成化，从而提高管理效率、保障安全、增强效益。

2. 进度管理

高速铁路四电集成工程具有施工点多分散、施工线路长、施工专业多、施工环境复杂等特点，同时新福厦铁路四电集成工程建设周期较短，引入基于BIM的进度管理手段对项目建设进度主动控制和全方位控制，健全项目进度管理手段，更好地把控项目施工全局，提高项目整体效益和可控度。 新福厦铁路四电集成工程通过构件划分规则来划，建立WBS编码和构件编码映射关系，并通过工单形式，将各工点的作业任务下发至具体劳务队。现场人员通过手机微信端快速、便捷填写施工日志，扫码安装设备记录当日工作情况，平台后台汇总现场进度数据，形成项目调度数据表，实现了进度数据的采集、分析、可视化。同时利用三维BIM模型颜色状态变化的可视化方式，直观展现工点进度情况，通过将实际进度与任务计划进行可视化对比分析，保障了工程进度稳步推进。 新福厦铁路四电集成工程通过进度管理功能采集分析项目碎片化的进度数据，结合三维可视化的形式协助项目开展有效、合理、精细化的施工组织，保障工程进度稳步推进。回溯三维进度情况见图9。

图9 回溯三维进度情况

3. 关键物资管理

高速铁路四电集成工程涉及的物资材料种类繁多、投资占比巨大、施工工点点多面广，致使物资仓储管理困难，无法做到有效的过程信息追溯及实时更新。为了解决上述问题，满足物资管理需求，依托新福厦铁路四电BIM应用管理平台，依据全生命周期可追溯的管理理念及储存管理理论ABC分析法，研发了关键物资管理功能。 结合项目具体情况，关键物资按照以下形式管理：（1）项目部组织确定各专业纳入平台管理的关键物资项，同时定义物资流转过程中需要采集的属性信息（见图10）。

图10 平台物资生产单

（2）将供应商纳入平台管理，生产时通过平台获取二维码，铭刻在物资设备上（见图11）。

图11 供应商铭刻物资二维码

（3）利用二维码快速便捷的优势，维护物资设备生产、出厂、入库、出库相关信息 （见图12），安装完成后通过扫码选择物资安装的实际位置，同BIM模型建立绑定关系，实现模型信息化 （见图13），形成项目数字化模型资产，实现现场与平台信息统一、虚拟与现实价值转换。

图12 物资全过程流转信息采集

图13 物资过程信息集成

物资流转方面，通过对物资流转数据进行分析处理，形成可视化图表，对日期、名称、型号、流转状态等级联筛选，可以快速了解四电关键物资的流转情况、到货比以及库存情况，合理倾斜现场资源，保障工程稳步推进。关键物资管理功能以二维码为载体，实现关键物资可追溯的全过程闭环管理。通过BIM应用管理平台将虚拟和现实串联起来，使项目管理更加便捷、高效，也为智能运维奠定了良好基础。

4. 四电接口管理

铁路建设施工过程中需要站前施工单位与站后四电施工单位加强沟通，确保各项预留、预埋措施满足站后工程需要。接口是前道工序与后道工序的衔接，是土建施工单位与四电施工单位交叉配合的关键部位，是多方面工程综合在一起按施工先后顺序、不同时机施工作业的系统集成。接口工程的好坏不仅影响站后施工单位的工程质量和进度，也决定了主体工程的成败，甚至对全线调试、运营和安全造成影响。 四电接口工程既涉及桥梁、路基、站场等土建专业，又与电气化、电力、通信、信号等站后专业密切相关，因此略显繁琐。同时，与土建施工过程中的大型项目相比，四电接口工程主要是细部的接地钢筋、接地端子、贯通地线、预埋件等细小内容，容易被忽视。所以土建施工过程中的四电接口工程主要特点是“繁”和“细”；为了解决这些问题，项目部根据现场实际需求在BIM管理平台中搭建了四电接口管理模块，具体过程如下： （1）在平台中定制好各专业接口检查中的各项要点，形成接口问题库，然后定义好站前单位及监理单位的管理范围，形成问题责任库，并定制涵盖“发起-处置-销项”的接口检查全闭环管理流程串联整个过程。 （2）现场发现接口问题时利用移动端快速、便捷地整改、确认销号，录入时以“选择题”代替“填空题”，录入里程值，所处检查位置、负责整改单位等关联数据自动填报，提高数据采集效率和操作便捷性，提高接口检查效率、规范接口检查数据。同时，根据里程信息在三维电子沙盘中实现可视化定位，施工人员可以便捷、直观地查看接口问题的频发区域、频发类型和台账信息，实现基于 BIM 的接口快速定位、可视化管理，明确后续接口检查工作的重点。 （3）针对接口管理结果，根据具体检查项，定制差异化的数据输出模板，满足检查结果的归档需求。接口检查数据分析处理后形成可视化图表，通过对日期、专业、构筑物、接口类型等级联筛选，为项目接口管理工作提供数据支撑，降低工程成本。三维接口标签见图14。

图14 三维接口标签

5. 接触网腕臂预配智能建造

从全铁路四电系统来看，接触网、信号、通信、电力等专业的关键工序均有机械化方面的应用，但在智能化方面还存在较大差距。新福厦铁路四电集成工程针对接触网专业预配智能化装备进行研究，形成了集模块化、工厂化、信息化、智能化为一体的成套建造技术，将BIM技术、物联网、智能机械预配、应用管理平台与施工生产深度融合，通过智能建造管理功能实现新福厦铁路四电BIM应用管理平台与智能终端设备的互联互通，提升施工作业效率和施工工艺质量。 功能搭建涵盖设计、施工的精细化闭环管理流程，从源头管理智能建造数据，保证数据的准确性、真实性；通过平台下发生产任务，驱动现场预配设备自动化生产，确保现场生产有序进行；利用二维码、模型集成全过程智能预配数据，为智能运维奠定基础。预配数据闭环管理流程见图15。

图15 预配数据闭环管理流程

五 总结

通过对BIM技术在新福厦铁路四电集成工程的应用进行分析，探讨了利用平台和模型的全周期BIM技术应用方式和应用成效。从设计模型接收到施工模型深化，再到以实现数字化交付为目标打造项目的三维数字沙盘，将模型信息和施工管理流程统一纳入平台进行管理，实现了数据的可视化串联以及多参与方之间的有效协同管理。研究成果为BIM技术在工程建设中的有效应用提供了参考。