1.  項  目  概  況

魯南高鐵是國家“八縱八橫”高速鐵路網(wǎng)的重要連接通道，是山東省“四橫四縱”高鐵網(wǎng)的重要組成部分，東起日照市，向西經(jīng)臨沂市、濟寧市、菏澤市，與河南省鄭徐高鐵在蘭考南站接軌。魯南高鐵曲阜至蘭考段，簡稱“魯南高鐵曲菏蘭段”，設計行車速度為350km/h，總投資約312億元，線路全長204.43km，于2018年12月開始建設，2021年12月底實現(xiàn)全線開通。

魯南高鐵曲菏蘭段建維一體化管理需求主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)由于涉及鐵路站前、四電及站房工程，工程建設包括多家設計和施工單位共同參與，這導致工程管理數(shù)據(jù)量大且分散，不利于有效收集和整合。同時，項目工期要求緊湊，需要通過信息化手段實現(xiàn)協(xié)同辦公，以提高管理效率；

(2)工程建設和運維管理由不同的主體單位負責。在竣工驗收期間，建設期間積累的管理數(shù)據(jù)需要快速、有效地交接。然而目前鐵路工程檔案移交方式主要依賴紙質材料，無法保證數(shù)據(jù)的真實性和可靠性；

(3)運維管理與建設管理應用所使用的數(shù)據(jù)結構和數(shù)據(jù)格式尚未統(tǒng)一，數(shù)據(jù)多為獨立存儲與處理，缺乏集成化應用的解決方案；

(4)在運維管理體系中，工務、電務、供電、客運等專業(yè)人員在運維檢修、培訓等多個應用場景中存在跨專業(yè)資料整合和數(shù)據(jù)可視化等多方面的需求。

2. BIM  應  用  技  術  路  線 

2.1 總體技術路線

在建設階段，項目明確了以提高工程建設信息化應用水平，全面提升工程建設質量，優(yōu)化工程施工工期，降低工程建設風險為目標，以“建設單位主導，各參建方協(xié)同”的實施組織方式，以鐵路BIM聯(lián)盟標準體系為數(shù)據(jù)應用基礎，以BIM全線全專業(yè)應用、分階段實施為總體思路，以信息化協(xié)同平臺應用與BIM技術應用雙線并行為實施模式，實現(xiàn)項目的信息化協(xié)同，通過信息化協(xié)同平臺打通建設階段與運維階段的數(shù)據(jù)隔閡，實現(xiàn)建設階段的管理數(shù)據(jù)與BIM模型數(shù)據(jù)順利交付運維的目標，BIM應用技術路線如圖1所示。

圖1 BIM應用技術路線

同時，將各運維單位的需求前置，基于運維管理實體工程結構對工程建設階段的BIM模型進行運維交接深化，實現(xiàn)建設階段與運維階段數(shù)據(jù)的雙向聯(lián)動及可視化。BIM交付運維后，進一步融合地理空間信息、數(shù)字孿生引擎，應用物聯(lián)網(wǎng)、北斗等技術與鐵路運營、養(yǎng)護、維修等數(shù)據(jù)進行集成，進而實現(xiàn)基于BIM全生命周期數(shù)據(jù)的運維階段管理應用。

2.2 BIM標準建設

鐵路建設階段到運維階段之間的數(shù)據(jù)交接仍未做到平滑過渡和無損傳遞，同時存在信息孤島、系統(tǒng)獨立部署、數(shù)據(jù)多是獨立存儲和處理等問題，需要統(tǒng)籌加強信息流的無損正向傳輸和反饋優(yōu)化機制，從而實現(xiàn)基于過程流管理的全生命周期信息流規(guī)范管理，即實現(xiàn)過程流和信息流的深度融合管理機制。“模數(shù)驅動”強調運用BIM等先進智能技術實現(xiàn)高鐵設計、施工、運營全生命周期數(shù)據(jù)貫通，通過規(guī)范BIM存儲結構、語義定義、信息傳遞和開放式數(shù)據(jù)存儲，實現(xiàn)模型數(shù)據(jù)一體化，為數(shù)據(jù)全過程無損傳輸、強化高鐵建設運營管理系統(tǒng)內部要素信息交互、推動系統(tǒng)整體功能大幅提升提供基礎。

在魯南高鐵曲菏蘭段工程建設初期，為實現(xiàn)工程項目建設運維一體化實施要求，提升工程信息化應用水平和BIM模型應用價值，統(tǒng)一規(guī)范建模標準及規(guī)則，依據(jù)國家鐵路BIM標準、鐵路BIM聯(lián)盟標準，結合項目質量控制點開展BIM技術應用體系研究，編制魯南高鐵曲菏蘭段BIM技術應用實施導則、模型創(chuàng)建與交付標準、模型應用技術標準、模型構件創(chuàng)建標準、模型構件分類與編碼標準等，以保障魯南高鐵工程建設階段BIM技術應用的順利進行。同時，為保障運維階段項目BIM管理數(shù)據(jù)的標準化應用，在建設階段各類標準的基礎上，通過引入BIM運維交接模型概念，以高速鐵路運維管理對BIM模型數(shù)據(jù)信息需求為導向，進行運維階段BIM數(shù)據(jù)應用標準的深化研究，建立高速鐵路BIM模型數(shù)據(jù)運維交接標準，對BIM模型結構及要素、交付物、交付流程等進行規(guī)范。標準具備通用性及擴展性，可以有效地在后續(xù)類似工程項目中進行應用和擴展。

2.3 基礎應用數(shù)據(jù)管理

為實現(xiàn)工程項目的數(shù)字孿生建設，為運維提供“模實一致”的高質、完整、標準的基礎數(shù)據(jù)，通過在建設階段參照BIM標準建立工程BIM模型，將編碼、里程、施工信息、維保周期等建設及運維階段所需的屬性信息在模型中進行錄入，同時利用無人機傾斜攝影技術，進行工程項目GIS數(shù)據(jù)的獲取，為管理平臺開展三維可視化應用提供數(shù)據(jù)支撐，項目無人機傾斜攝影GIS模型數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 無人機傾斜攝影GIS模型數(shù)據(jù)

2.4 信息化協(xié)同平臺建設

信息化協(xié)同平臺以BIM模型及GIS數(shù)據(jù)為載體，直觀展示鐵路設備設施信息，集成工程文件管理、圖紙管理、BIM模型管理、進度管理、質量管理、安全管理、物資管理及聯(lián)調聯(lián)試管理、工務、電務、供電、客運、房建等專業(yè)的運維管理應用。

平臺使用SpringCloud微服務架構為基礎，統(tǒng)一管理運行的應用及組件，總體架構劃分為“五橫四縱”，“五橫”為基礎設施層、業(yè)務服務層、應用層、展示層及用戶層，“四縱”為保障體系、運維體系、安全體系及標準體系。

基礎設施層是應用系統(tǒng)運行所依托的軟硬件環(huán)境，為應用系統(tǒng)提供網(wǎng)絡、計算、存儲、運行基礎環(huán)境等條件；業(yè)務服務層包括業(yè)務組件及技術組件，為平臺應用提供能力支撐；應用層是平臺應用的主要實現(xiàn)部分，通過接口定義使各模塊間進行良好的協(xié)作；展示層主要為用戶提供界面服務；用戶層包括建設單位、設計單位、施工單位、監(jiān)理單位、運維單位、監(jiān)管部門等項目各階段參與方；平臺充分考慮信息安全體系、保障體系，平臺運維體系，以及數(shù)據(jù)接口標準規(guī)范體系的建設，保障業(yè)務模塊的穩(wěn)定運行，信息化協(xié)同平臺整體架構如圖3所示。

圖3 信息化協(xié)同平臺整體架構深江鐵路洪奇瀝特大橋效果圖

平臺數(shù)據(jù)包括基礎數(shù)據(jù)和業(yè)務數(shù)據(jù)。基礎數(shù)據(jù)是平臺范圍內的共享數(shù)據(jù)，包含組織機構、管理人員數(shù)據(jù)及設計階段、建設階段、運維階段的BIM、GIS、設備設施臺賬等數(shù)據(jù)。業(yè)務數(shù)據(jù)主要包括建設管理數(shù)據(jù)、檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)、LKJ數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、運行數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、原材料數(shù)據(jù)、工器具數(shù)據(jù)、應急數(shù)據(jù)等。通過研究平臺業(yè)務模塊與工程BIM模型構件的耦合關聯(lián)關系，基于分部分項拆分原則及參考《鐵路工程實體結構分解指南》，實現(xiàn)基礎數(shù)據(jù)、業(yè)務數(shù)據(jù)和BIM模型的關聯(lián)貫通，為BIM+GIS建設運維可視化管理提供數(shù)據(jù)基礎和底層數(shù)據(jù)邏輯。

3.  BIM 建 設 運 維 一 體 化 應 用

3.1 建設階段BIM技術應用

在魯南高鐵曲菏蘭段連續(xù)梁工程施工中，利用BIM技術進行了0#段精細化建模，通過模型優(yōu)化鋼筋及預應力管道間距，輔助施工交底，保障施工質量。連續(xù)梁0#段鋼筋BIM模型如圖4所示。

圖4 連續(xù)梁0#段鋼筋BIM模型

蓼河特大橋跨京滬高鐵（56+56）m T構轉體施工作為本項目控制工程及重難點工程，通過整合BIM模型與現(xiàn)場無人機采集的傾斜攝影GIS模型，對施工現(xiàn)場及鐵路營業(yè)線進行數(shù)字化還原，對施工工藝工序進行虛擬仿真，提前驗證施工方案的可行性及可靠性，保障營業(yè)線施工安全。本工點BIM+GIS模型如圖5所示。

圖5 跨營業(yè)線T構轉體BIM+GIS模型

站場工程施工環(huán)境復雜，存在多家施工單位交叉施工的情況，站前工程、四電工程及站房工程各專業(yè)接口需要統(tǒng)一管理與協(xié)調，接口的工程界面和施工技術措施需要逐步細化。本項目通過將站場工程各專業(yè)BIM模型進行精細化整合，利用BIM碰撞檢查及時快速發(fā)現(xiàn)施工存在的接口問題，提高各參建單位的溝通效率，為建設管理提供施工組織和安全質量管理的有效手段。多專業(yè)整合的站場工程BIM模型如圖6所示。

圖6 站場工程BIM模型

四電工程BIM應用中，通過對四電專業(yè)與站前、房建專業(yè)接口進行質量控制優(yōu)先級排序，利用BIM可視化優(yōu)勢進行接觸網(wǎng)基礎預留預埋優(yōu)化、接觸網(wǎng)與CPⅢ樁碰撞檢查、道岔區(qū)域精細化建模、室內電纜支架優(yōu)化、室內盤柜位置優(yōu)化、專業(yè)機柜等設備的放置及所需線纜的排布和方案優(yōu)化。牽引變電所及接觸網(wǎng)BIM模型如圖7所示。

圖7 牽引變電所、接觸網(wǎng)工程BIM模型

站房工程基于BIM技術，在施工場布優(yōu)化、機電綜合管線優(yōu)化設計、站房鋼結構深化設計、文化元素深化設計、客服信息設備設施深化設計、站臺鋪磚排布、站場區(qū)域接口深化及工程量統(tǒng)計、可視化交底、工藝工序仿真等方面得到了良好的應用。菏澤東站鋼結構深化BIM模型如圖8所示。

圖8 菏澤東站鋼結構BIM模型

3.2 BIM運維模型深化

BIM模型作為項目建設運維一體化應用重要的基礎數(shù)據(jù)，是從建設向運維過渡的“橋梁”。隨著建設階段對BIM模型的不斷深化，模型根據(jù)建設管理需求已按分部分項劃分原則進行拆分，模型的屬性信息包含IFD編碼、EBS編碼、基本信息、定位信息、施工標段、設計里程等數(shù)據(jù)，形成了完整、規(guī)范的BIM基礎數(shù)據(jù)。

由于工程建設與運維管理存在著組織分解結構差異、工程結構分解差異、工作分解結構差異、工程結構編碼體系差異、線路設備里程體系差異等，項目在竣工交接階段以運維需求為導向，以運維交接標準為依據(jù)，在竣工BIM模型基礎上進行了重構，從BIM模型屬性信息上補強了高速鐵路設備運維管理技術參數(shù)、從信息化協(xié)同平臺服務上實現(xiàn)了建維數(shù)據(jù)的雙向聯(lián)動，以BIM為載體形成了工程全生命周期基礎數(shù)據(jù)。如圖9所示，根據(jù)運維階段應用需求，將建設階段機柜BIM模型進行運維深化，完善機柜內部設備及線纜構件。

圖9 機柜BIM模型深化

3.3 信息化協(xié)同平臺應用

針對魯南高鐵曲菏蘭段工程建設與運維階段的現(xiàn)狀及特點，按照全階段策劃，分階段實施的原則，劃分建設管理及運維管理兩大基礎應用模塊。平臺以BIM+GIS數(shù)據(jù)為載體，實現(xiàn)建設與運維階段數(shù)據(jù)流與信息流的打通。

（1）建設管理應用

在建設管理應用中，功能模塊皆在滿足施工生產(chǎn)為主的業(yè)務需求，包括以下幾個方面。

BIM模型管理：平臺支持對BIM模型的輕量化處理，通過輕量化BIM模型，可以直觀查看模型幾何結構及模型的構件屬性信息，同時，BIM模型支持與平臺其他業(yè)務功能進行掛接。

進度管理：通過將施工EBS編碼與BIM模型構件相關聯(lián)，以工序報驗為驅動，融合GIS、大數(shù)據(jù)等技術，實現(xiàn)進度數(shù)據(jù)的自動統(tǒng)計及分析，生成進度可視化管理模型，助力管理者直觀快速掌握現(xiàn)場進度信息，如圖10所示。

圖10 協(xié)同平臺進度管理模塊界面

質量安全管理：通過平臺質量、安全管理模塊，對施工生產(chǎn)的人、物、環(huán)境的行為和狀態(tài)進行管控，管理過程數(shù)據(jù)通過安全質量問題庫和隱患排查庫進行閉環(huán)管理，同時與BIM+GIS模型關聯(lián)，定位問題所在位置及構件部位，為施工現(xiàn)場質量及安全管理提供快速、直觀的決策依據(jù)，如圖11所示。

圖11 協(xié)同平臺質量管理模塊界面

物資管理：利用平臺進行工程物資信息及物資審批流程的全面管控，做到有據(jù)可查，有責可追，同時物資管理信息在平臺中可以快速與BIM模型構件進行關聯(lián)。

地形沉降監(jiān)測：針對工程地處地面沉降變形帶邊緣的問題，控制地下水開采對工程路基沉降的影響，在平臺GIS地圖中快速、直觀、智能查閱沿線各個水井位置、巡檢情況、抽水情況及封閉狀態(tài)，及時進行水井監(jiān)測問題的預警及報警，同時平臺通過接口開發(fā)實現(xiàn)了對外部地形監(jiān)測平臺監(jiān)測點位及監(jiān)測數(shù)據(jù)的共享，如圖12所示。

圖12 協(xié)同平臺地形檢測管理模塊界面

通過項目建設管理功能模塊的應用，有效提高了工程建設管理協(xié)同效率，同時將運維階段的需求進行前置，積累的施工管理數(shù)據(jù)為運維階段設備設施資產(chǎn)管理建立數(shù)據(jù)基礎。

（2）運維階段應用

在運維管理應用中，施工階段的管理數(shù)據(jù)可以被繼承并應用到靜態(tài)驗收、聯(lián)調聯(lián)試及竣工交付后的運維管理過程中，運維管理主要的功能模塊包括以下幾個方面。

運維管理大屏：為滿足運維多專業(yè)協(xié)同辦公的需求，平臺通過大屏直觀顯示運維巡檢、視頻監(jiān)控、設備監(jiān)控、BIM+GIS等各業(yè)務模塊管理數(shù)據(jù)，通過多維度、多層次的數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計，有效提高運維管理的工作效率，如圖13所示。

圖13 協(xié)同平臺運維管理駕駛艙界面

聯(lián)調聯(lián)試管理：通過平臺實現(xiàn)了對聯(lián)調聯(lián)試列車信息的維護，直觀顯示聯(lián)調聯(lián)試試驗列車的位置，掌握試驗列車實時動態(tài)信息，對聯(lián)調聯(lián)試問題進行電子化整改及銷號閉環(huán)等功能。

資產(chǎn)管理：通過對建設管理模塊積累的工程基礎數(shù)據(jù)進行篩選，同時對篩選后的數(shù)據(jù)進行完善及整合，形成運維管理階段的BIM可視化資產(chǎn)管理基礎臺賬功能。

結合部管理：為滿足高速鐵路行車設備管理結合部對工務、電務、供電、房建等專業(yè)設備資產(chǎn)數(shù)據(jù)和維修管理生產(chǎn)信息的集中統(tǒng)一管理需求，平臺按鐵路結合部管理分工、管理界面要求，通過對BIM運維交接模型進行結合部拆分，在竣工交付階段利用BIM可視化管理手段進行快速、高效的鐵路設備結合部管理。

巡檢管理：在定期巡檢和故障維修管理中，利用BIM模型對故障位置進行快速定位，平臺支持對設備基礎信息臺賬、施工圖、施工數(shù)據(jù)及維修巡檢記錄的快速查閱及巡檢過程數(shù)據(jù)的快速上傳，同時建立巡檢問題庫對閉環(huán)后的設備維修過程進行統(tǒng)一歸檔與管理，為運維大數(shù)據(jù)建設提供基礎，如圖14所示。

圖14 協(xié)同平臺巡檢管理界面

通過運維管理功能模塊的應用，為工程BIM數(shù)據(jù)接收、歸檔、應用提供技術支撐，為各專業(yè)運維人員提供協(xié)同辦公環(huán)境，為提高鐵路設備運維效率及各專業(yè)數(shù)據(jù)信息共享創(chuàng)造條件。

4.  總      結    

在鐵路建設信息化快速發(fā)展的背景下，實現(xiàn)鐵路建設和運維一體化管理已成為必然趨勢。研究表明，BIM技術應用在提高鐵路建設效率和質量、優(yōu)化鐵路運維管理流程、實現(xiàn)多階段信息共享和協(xié)同等方面具有極大的作用和價值。從工程全生命周期管理理念出發(fā)，通過在魯南高鐵曲菏蘭段工程項目中進行建設運維一體化應用研究，取得良好的應用效果。本項目應用成果總結如下。

（1）解決了BIM技術由鐵路建設階段向運維階段應用轉化的瓶頸問題。通過高速鐵路BIM運維交接標準，明確鐵路18個專業(yè)的運維模型單元交付幾何信息、幾何表達精度和信息深度要求，實現(xiàn)鐵路BIM數(shù)據(jù)由建設階段到運維階段之間的平滑過渡和無損傳遞，為運維階段BIM應用的深入開展奠定了基礎。

（2）實現(xiàn)了BIM數(shù)據(jù)資源整合和多階段共享及協(xié)同應用。通過信息化協(xié)同平臺的建設，將建設期間積累的BIM模型和相關管理數(shù)據(jù)直接用于運維管理，減少信息傳遞的錯誤和耗時，提高數(shù)據(jù)的真實性和可靠性。同時，使項目各參與方在同一個模型中進行交流、協(xié)調和決策，減少溝通和協(xié)作成本，提高工程管理效率。平臺提供標準化的數(shù)據(jù)結構和格式，使各個專業(yè)的數(shù)據(jù)可以進行統(tǒng)一管理和集成應用，運維管理人員可利用平臺快速、直觀查詢相關設備的基礎信息，協(xié)同運用多專業(yè)數(shù)據(jù)信息對本專業(yè)設備進行全流程管理，極大提高了設備管理效率和運營可靠性。

（3）有效提高了高速鐵路運維智能化水平。一方面，與既有檢測、管理系統(tǒng)融合，通過一個平臺實現(xiàn)了對不同專業(yè)設備狀態(tài)、現(xiàn)場作業(yè)的實時管理、預警提示，提升了管理效能。另一方面，通過GIS和北斗技術深化應用，實現(xiàn)了現(xiàn)場應急處置路徑優(yōu)化、聯(lián)調聯(lián)試列車運行動態(tài)掌握、人員機具實時管控，提升了高速鐵路應急處置和安全管控能力。此外還通過巡檢、問題庫流程管控與優(yōu)化，實現(xiàn)了從工作計劃、實施、驗收到問題發(fā)現(xiàn)、整改、銷號的全流程管理，提升了鐵路運維管理標準化水平。

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