楊書生

(濟青高速鐵路有限公司，山東濟南250000)

0 引言

隨著《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》的實施，我國的鐵路建設高潮已經(jīng)在全國范圍內(nèi)展開[1]。鐵路建設項目較為復雜，具有工程體量大、施工線路長、工期要求緊、建設標準高、參建單位多等特點，項目管理協(xié)調(diào)尤其復雜，需要多專業(yè)、多部門的協(xié)同工作[2]。國內(nèi)外專家對工程項目協(xié)同管理的關(guān)鍵因素、步驟及工程項目組織管理模式等方面進行了研究[3-5]。傳統(tǒng)管理模式在信息交換與傳遞方面存在數(shù)據(jù)共享與處理困難、管理手段單一等問題[6]。近年來，隨著建筑信息模型 BIM(BuildingInformation Modeling)技術(shù)的不斷推廣應用，我國的工程建設管理模式發(fā)生了重大變化。以信息化技術(shù)為基礎的新型管理模式在我國已開始初步研究與實踐。以BIM技術(shù)為基礎的信息化協(xié)同管理系統(tǒng)可以覆蓋項目全壽命期，能夠解決傳統(tǒng)管理模式存在的問題，尤其適用于工程體量大且復雜的項目。邱迪[7]以“BIM＋物聯(lián)網(wǎng)”技術(shù)為基礎，提出了在預制裝配式建筑中采用可視化協(xié)同管理技術(shù)，并闡述了裝配式建筑協(xié)同可視化管理的系統(tǒng)框架及管理流程；宋戰(zhàn)平等[8]以BIM技術(shù)為基礎，研究構(gòu)建了全壽命期內(nèi)隧道協(xié)同管理平臺的初步組成體系；王同軍[9]以鐵路工程建設協(xié)同管理為目標，提出了一種基于BIM技術(shù)的鐵路工程建設管理模式；劉智紅[10]將三維建筑模型與時間進行關(guān)聯(lián)形成了4D協(xié)同管理平臺，并在實踐中進行了應用；趙媛媛[11]采用廣聯(lián)達BIM5D管理平臺在沙坪壩綜合交通樞紐改造工程施工中進行了應用。綜上所述，目前以BIM技術(shù)為基礎的協(xié)同管理模式多以理論研究為主，國內(nèi)開發(fā)的BIM管理平臺多以施工階段的應用為目標，并未應用到項目的全壽命期管理。文章以濟青高鐵項目為背景，闡述了信息化協(xié)同管理系統(tǒng)在全壽命期的應用及效果。

1 濟青高鐵項目概況

濟青高鐵是山東省委、省政府確立的一項重大交通基礎設施建設項目，是連接濟南和青島的一條高標準客運專線，設計速度為350 km/h。濟青高鐵線路自濟南新東站出發(fā)，沿既有膠濟鐵路北向東經(jīng)章丘、鄒平、淄博、臨淄、青州、濰坊，然后折向東南，經(jīng)高密至膠州北，下穿青島新機場，向南進入青島樞紐紅島車站，再向東與新建的青連鐵路并線引入青島北站。濟青高鐵全線新設10個車站，改造1個車站，新建線路長307.9 km。建設工程于2015年10月開始施工，并于2018年12月建成通車。

2 鐵路建設項目管理存在問題與濟青高鐵管理目標

2.1 目前我國鐵路建設項目管理中主要問題

(1)管理部門眾多，管理目標不統(tǒng)一，缺乏科學有效的溝通手段

我國很多鐵路建設項目中設有許多主管部門，相互之間關(guān)系混亂，管理目標不一致。如計劃部門負責項目決策，鑒定中心負責鑒定設計成果，工程管理中心負責施工單位招標等，項目實施過程中各自為政，相互之間缺乏及時的信息溝通方法，造成了極大的資源浪費。

(2)管理目標僅考慮施工過程，缺乏全壽命期管理的理念

鐵路建設項目大都以百年使用為設計目標，受制于科學技術(shù)水平，傳統(tǒng)的管理模式難以做到項目全壽命期管理。鐵路建設項目由于工期緊，管理目標主要偏重于施工過程，對項目的全壽命期管理缺乏有效手段。鐵路項目全壽命期中，運維階段占據(jù)了大部分時間。運維期間除了常規(guī)設備的運營維護外，結(jié)構(gòu)的安全性也至關(guān)重要。目前，國內(nèi)有關(guān)BIM技術(shù)在運維階段的應用總體處于探索研究階段，實踐應用較少[12-14]。

(3)信息化管理技術(shù)難以落地

雖然我國建筑業(yè)一直在大力提倡推進BIM信息化技術(shù)的應用，但目前此技術(shù)較多應用于一些大型項目，中小型項目難以推進，并且大多是單點應用，協(xié)同應用較少。此技術(shù)難以落地的原因很多，如BIM模型缺乏統(tǒng)一建模標準、建筑技術(shù)人員對其認知和掌握不高、技術(shù)應用費用較高、軟件與國內(nèi)實際不匹配等。目前，BIM技術(shù)主要是施工企業(yè)用來投標時進行項目展示的工具，并沒有真正體現(xiàn)其應用價值。

2.2 濟青高鐵項目管理目標

濟青高鐵項目線路長，車站多，施工工期僅3年時間，參建單位較多，工程項目復雜，技術(shù)難點較多。針對鐵路建設項目管理中存在的主要問題，以信息化協(xié)同管理理念為基礎，濟青高鐵項目管理目標包括4個方面：

(1)建立總體建設指揮部，協(xié)同管理各利益相關(guān)者

為便于項目的統(tǒng)一管理，發(fā)揮各單位的協(xié)同作用，濟青高鐵項目設立一個總體建設指揮部門(濟青項目總體)，不再分項目設立指揮部門，項目總體統(tǒng)一管控所有工作，充分發(fā)揮各參建單位的協(xié)同作用，產(chǎn)生“1＋1＞2”的協(xié)同效應。

(2)以信息化技術(shù)為基礎，建立項目全壽命期協(xié)同管理體系

隨著BIM、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云平臺等信息化技術(shù)的出現(xiàn)，項目全壽命期的管理得以從理論走向?qū)嵺`。濟青高鐵項目總體成立后，設立BIM信息管理中心，以“BIM＋互聯(lián)網(wǎng)＋云平臺”為基礎，建立濟青高鐵信息化協(xié)同管理系統(tǒng)。前期決策階段，以“BIM＋GIS”技術(shù)進行線路的規(guī)劃；設計階段用BIM技術(shù)進行初步設計和深化設計；施工階段用BIM技術(shù)進行項目進度、質(zhì)量、成本、安全等方面的控制；信息完善后的BIM竣工模型用于濟青高鐵的運營維護。

(3)建立設計與施工之間的協(xié)同機制，落實BIM技術(shù)應用效果

濟青高鐵項目要求所有的設計單位必須采用BIM技術(shù)，并采用BIM信息管理中心統(tǒng)一制定的建模標準進行實施和驗收。設計單位的BIM模型上傳至管理系統(tǒng)，施工單位根據(jù)此模型進行施工階段的應用并不斷的完善模型信息，真正做到一模到底，避免設計與施工之間信息傳遞的偏差。

(4)建立“BIM＋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測”的運維管理模型，完善信息化協(xié)同管理系統(tǒng)

為保證濟青高鐵運行的安全性，將結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與BIM技術(shù)相融合，建立“BIM＋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測”的運維管理模型，在濟青高鐵信息化協(xié)同管理系統(tǒng)中進行應用，提高濟青高鐵運行過程中的預警能力。

3 信息化協(xié)同管理系統(tǒng)在濟青高鐵項目中的應用

針對鐵路建設項目管理中主要問題，圍繞濟青高鐵項目信息化、協(xié)同性、全壽命期的管理目標，文章設計了覆蓋全壽命期的信息化協(xié)同管理系統(tǒng)，并在項目決策、設計、招標、施工和運維等過程進行了應用。

3.1 濟青高鐵項目信息化協(xié)同管理系統(tǒng)設計

濟青高鐵項目信息化協(xié)同管理系統(tǒng)以項目全壽命期管理為目標，以信息化技術(shù)為基礎，從信息協(xié)同、業(yè)務協(xié)同、資源協(xié)同等方面進行設計和定位。

3.1.1 系統(tǒng)用戶層次設計

濟青高鐵項目信息化協(xié)同管理系統(tǒng)的用戶層次按照級別、權(quán)限和信息傳遞過程分為4個層次，如圖1所示。

(1)用戶層次1為項目決策層，由濟青高速鐵路有限公司領(lǐng)導層組成。項目決策層在管理系統(tǒng)中擁有最高的級別和權(quán)限，可以直接查看項目進行過程中所有級別用戶的實時進展信息，可以及時掌控項目的真實信息，并根據(jù)各用戶的工作情況制定計劃、發(fā)布命令，避免了傳統(tǒng)管理模式中的信息滯后、信息傳遞失真等問題。

(2)用戶層次2為項目總體中所設職能部門，濟青高鐵項目總體職能部門主要包括征拆部、物資部、工程部、安質(zhì)部和財務部。每個職能部門雖然管理職責不同，但管理項目數(shù)量相同。職能部門通過管理系統(tǒng)可以對整個項目資源進行協(xié)調(diào)和優(yōu)化，根據(jù)每個項目的實際進展和需要實現(xiàn)最大程度的一致性協(xié)作。

(3)用戶層次3為BIM信息管理中心，是整個管理系統(tǒng)的核心。BIM信息管理中心主要負責信息化協(xié)同管理系統(tǒng)培訓和應用、建模標準制定、檢查設計模型完整程度、評估考核參建方應用效果、BIM5D管理、設計“BIM＋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測”運維管理模型等。BIM信息管理中心對項目全壽命期各階段的信息和所有用戶的信息進行集成，實現(xiàn)各用戶之間的信息化協(xié)同管理。

(4)用戶層次4由設計單位、施工單位、監(jiān)理單位和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測單位組成。設計單位負責建立BIM模型、管綜碰撞檢查、上傳模型至管理系統(tǒng)。施工單位負責實施BIM體系、BIM4D進度模擬、施工圖深化設計、建立BIM竣工模型。監(jiān)理單位負責按照實施方案加載現(xiàn)場監(jiān)理數(shù)據(jù)信息、監(jiān)督施工單位的BIM技術(shù)應用管理、BIM竣工模型審核。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測單位負責結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測體系的設計和布置、監(jiān)測系統(tǒng)與BIM模型的融合。各參建單位將業(yè)務信息上傳至管理系統(tǒng)，并及時更新，經(jīng)系統(tǒng)整合后進行統(tǒng)一管理。不同參建單位之間的業(yè)務需求可以做到及時有效的傳遞和響應，實現(xiàn)業(yè)務關(guān)聯(lián)的最大協(xié)同。

圖1 系統(tǒng)用戶層次設計示意圖

3.1.2 系統(tǒng)功能設計

濟青高鐵項目信息化協(xié)同管理系統(tǒng)以iTWO系統(tǒng)為基礎，利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，集成了多類型模型文件的導入和多項功能模塊，形成企業(yè)云平臺，所有用戶都可在PC端或移動端登錄?？紤]到濟青高鐵項目數(shù)據(jù)的安全性，采取了私有云模式。根據(jù)項目的實際需求，結(jié)合BIM技術(shù)，二次開發(fā)了集成健康監(jiān)測的運維管理功能模塊，通過物聯(lián)網(wǎng)設備將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳遞至監(jiān)控中心，并通過互聯(lián)網(wǎng)傳遞至系統(tǒng)服務器進行存儲和分析。系統(tǒng)功能主要包括BIM三維模型、算量、計價、項目進度管理、總控管理和運維管理6大功能模塊。

(1)BIM三維模型功能模塊 是對模型進行檢查評估和碰撞檢測。系統(tǒng)可以兼容Revit、Bentley、Archicad、Tekla等全球主流建模軟件創(chuàng)建的BIM模型。根據(jù)制定的建模標準創(chuàng)建項目建筑、結(jié)構(gòu)、機電設備三維模型，將其導入BIM三維模型功能模塊中，系統(tǒng)會對模型數(shù)據(jù)進行校核，檢查導入模型的完整性和準確性，檢查結(jié)果以數(shù)據(jù)評估的形式表現(xiàn)。評估合格的模型可以進行碰撞檢測。碰撞檢測的目的是檢查各管線之間、管線與結(jié)構(gòu)之間是否存在空間沖突，避免影響項目的實施，達到不同專業(yè)之間的三維協(xié)同設計[15]。檢測結(jié)束后生成碰撞分析報告，詳細說明沖突位置、原因、數(shù)量等情況，如圖2所示。

圖2 BIM三維模型功能模塊示意圖

BIM三維模型功能模塊的主要使用方是設計單位、施工單位和BIM信息管理中心。設計單位將創(chuàng)建的項目三維模型上傳至系統(tǒng)，并使用系統(tǒng)進行評估和檢測。施工單位根據(jù)上傳的模型，結(jié)合施工經(jīng)驗，提出施工單位的檢測結(jié)果。BIM信息管理中心將二者的檢測結(jié)果進行對比，并及時反饋信息，實現(xiàn)了不同單位、不同專業(yè)之間的工作協(xié)同。

(2)算量功能模塊 是對項目所用的工程材料進行統(tǒng)計計算。濟青高鐵項目招標采用的是國內(nèi)常用的清單計價方法，由濟青項目總體中的工程部負責編制工程量清單。將編制完成的工程量清單導入算量功能模塊中，完成清單與三維模型的掛接。根據(jù)建模標準和預先設置的算量規(guī)則，系統(tǒng)可以從三維模型中自動選擇構(gòu)件并套用相對應的算量規(guī)則，達到一鍵算量的效果。對于設計與清單不一致的情況可在生成的算量清單中及時檢查與修改。如圖3所示。

圖3 算量功能模塊示意圖

(3)計價功能模塊 是對完成的工程量清單進行組價。計價模塊中的定額庫包含全國所有地區(qū)的定額基礎數(shù)據(jù)庫、工作子目、清單項目庫等數(shù)據(jù)，將計算完成的工程量清單導入新建的工程計價文件，在定額庫中選取對應清單所需要的定額子目。若定額子目明細表中的材料與實際使用材料存在差異時，可在系統(tǒng)材料庫中新建實際使用材料信息。當所有工程量都添加完成定額明細后，工程計價即可計算完成，如圖4所示。

圖4 計價功能模塊示意圖

算量功能模塊和計價功能模塊的主要使用方是業(yè)主、施工單位和監(jiān)理單位。業(yè)主根據(jù)檢測合格的三維模型，結(jié)合編制的工程量清單進行算量和計價，同時可以檢查清單編制的準確性。施工單位根據(jù)系統(tǒng)中同一個項目模型，結(jié)合工程中出現(xiàn)的變更進行算量和計價，并與業(yè)主核對。監(jiān)理單位將項目進行過程中實際發(fā)生的變更信息錄入系統(tǒng)。成本控制過程中采用一模到底，實現(xiàn)了項目造價控制的協(xié)同一致，降低了造價人員的工作強度，提高了工作效率。

(4)項目進度管理功能模塊 是對項目施工進度進行4D動態(tài)模擬，同時還可與成本進行關(guān)聯(lián)，做到BIM5D控制。根據(jù)預期工期計劃在系統(tǒng)中編制進度橫道圖，與BIM模型關(guān)聯(lián)后形成BIM4D模型。通過4D模型動態(tài)模擬可以對工程實際進度與計劃進度進行對比分析，提升工程各專業(yè)之間的協(xié)同效率[16]。項目管理人員通過4D可視化環(huán)境檢查各項施工作業(yè)，分辨出潛在的作業(yè)順序錯誤和沖突矛盾問題。項目實施過程中，根據(jù)實際進度可隨時調(diào)整各工序工期變更，確保項目的整體工期計劃。系統(tǒng)中進度與成本也可進行協(xié)同關(guān)聯(lián)，根據(jù)項目的實際進展直觀查看成本的發(fā)展，如圖5所示。

圖5 項目進度管理功能模塊示意圖

項目進度管理功能模塊的主要使用方是業(yè)主、施工單位和BIM信息管理中心。施工單位將項目實際進度信息錄入系統(tǒng)，BIM信息管理中心對實際進度和計劃進度進行4D動態(tài)模擬對比分析，業(yè)主根據(jù)項目實際進度及對后續(xù)工作的影響制定應對計劃。通過BIM5D模擬對比，業(yè)主及時對資源的投入進行調(diào)整和優(yōu)化。通過進度管理功能模塊，實現(xiàn)了進度和資源投入的實時動態(tài)監(jiān)控與管理，避免了工期延誤，做到了進度、成本的高度協(xié)同。

(5)總控管理功能模塊 是對進度、成本的數(shù)據(jù)整合，對質(zhì)量、安全、物資、合同、變更等信息資料的傳遞與集成。對施工現(xiàn)場的質(zhì)量、安全問題可以及時上傳圖片和備注，督促有關(guān)負責人員進行整改。所有用戶都可通過該功能模塊查閱所需信息并上傳所需業(yè)務需求，在BIM信息管理中心的協(xié)調(diào)下得到及時回復，實現(xiàn)了項目數(shù)據(jù)信息的共享，提高了項目各級用戶的工作協(xié)同效率。

(6)運維管理功能模塊 是對濟青高鐵運行期間的信息化運維協(xié)同管理。在BIM竣工模型的基礎上，將傳統(tǒng)的運行管理、維保管理、安保管理、信息管理等常規(guī)的管理內(nèi)容與BIM模型進行整合，建立可視化的運維協(xié)同管理系統(tǒng)。此外，為確保濟青高鐵運行期間的結(jié)構(gòu)安全性，運維管理功能模塊中將BIM技術(shù)與結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)進行了融合，建立了基于BIM的可視化結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，包括監(jiān)測模型、監(jiān)測管理、信息管理、預警設置4個功能。運維期間各車站和公司總部都可通過運維管理功能模塊實時掌握濟青高鐵的運維信息，使?jié)喔哞F項目的全壽命期管理目標得以實現(xiàn)。

3.2 信息化協(xié)同管理系統(tǒng)在濟青高鐵項目中的應用效果

濟青高鐵項目信息化協(xié)同管理系統(tǒng)應用在項目決策、設計、招標、施工和運維過程中，在項目的質(zhì)量管理、成本管理、進度管理、安全管理等方面起到了關(guān)鍵作用。

(1)項目決策階段采用“BIM＋GIS”技術(shù)進行了線路的規(guī)劃和車站的選址。采用固定翼無人機飛行平臺(配備5臺高清數(shù)碼相機)，分區(qū)段對濟青高鐵擬通過區(qū)域進行傾斜攝影，構(gòu)建真實的三維地面實景模型。根據(jù)初步設計方案，建立車站和線路的BIM模型，將其導入GIS平臺進行融合，分析擬建方案中線路及車站的周邊環(huán)境影響、線路走向?qū)Ω哞F速度的影響等因素，經(jīng)多方案比選后確定最優(yōu)的規(guī)劃設計。由于臨淄北和青州北之間有大量的古墓及古建筑遺址，通過“BIM＋GIS”技術(shù)建立了該區(qū)域真實的三維地面實景模型，模擬了多條不同的線路走向，結(jié)合高鐵的速度要求，選取了最優(yōu)的線路規(guī)劃路徑。

(2)設計階段通過系統(tǒng)的BIM三維模型功能模塊，共發(fā)現(xiàn)設計問題1 600余項。青州北站原設計圖紙中屋面高位水箱與鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生沖突，系統(tǒng)檢測時發(fā)現(xiàn)此問題并及時向設計院提出，設計院根據(jù)優(yōu)化建議對混凝土結(jié)構(gòu)做出變更，避免后期鋼結(jié)構(gòu)屋面吊裝過程中再進行變更；紅島站房出站層局部管線比較集中，電氣橋架與母線槽碰撞，空調(diào)水管與給水管碰撞，母線槽與梁碰撞，與設計院溝通后降低母線槽標高，平移橋架路由，降低空調(diào)水管標高；臨淄北站候車廳地面石材鋪貼，原設計地面800 mm×800 mm的尺寸石材不滿足對縫要求，調(diào)整增加了750 mm×800 mm的尺寸地磚，保證對縫效果。設計階段提前對項目中各專業(yè)在空間上的沖突、碰撞問題進行預警，對相關(guān)問題進行記錄和優(yōu)化，避免由此產(chǎn)生的工程變更，提高了工程項目的設計質(zhì)量，降低了成本增長和工期延誤的風險。

(3)招標階段通過系統(tǒng)的算量功能模塊和計價功能模塊發(fā)現(xiàn)清單問題約100余項，累計節(jié)約成本約1 000萬元。淄博北站圖紙上的樁頂標高與清單上的樁頂標高不統(tǒng)一；圖紙中給水需用截止閥，清單中為閘閥；章丘北站地上混凝土工程量清單中存在誤差。準確和全面的工程量清單是招標的重點控制環(huán)節(jié)，通過BIM信息化技術(shù)的應用，降低了由于人工算量導致的錯誤和偏差，提高了工作效率和算量的準確性。

(4)施工階段通過項目進度管理功能模塊和總控管理功能模塊，對施工組織設計方案進行優(yōu)化，節(jié)約了工程建造工期。濟南東站鋼結(jié)構(gòu)屋面原定施工方案為頂推施工，通過BIM4D進度模擬，發(fā)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)屋面安裝完成需要5個月工期，按此方案將無法滿足濟青高鐵2018年12月底通車的要求。為解決該問題，重新制定了“地面拼裝、分段吊裝、液壓同步提升”的施工方案，并重新進行了施工模擬，工期節(jié)約了1個月時間，確保了工程進度目標的實現(xiàn)。

(5)運維階段通過運維管理功能模塊將BIM竣工模型與物業(yè)管理進行集成整合，做到了運維的三維可視化管理。選取了4個新建高鐵站站房，根據(jù)提前制定的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方案，施工階段在混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)等不同的部位布置了監(jiān)控結(jié)構(gòu)安全的應變、應力、位移等永久性傳感器，并將監(jiān)測系統(tǒng)與BIM運維模型進行結(jié)合，實現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)的三維可視化。自濟青高鐵開通運行至今，信息化運維管理系統(tǒng)正常運行，相較于傳統(tǒng)運維管理模式，公司總部可以直觀掌握各車站的運維狀況，信息傳遞及時，同時降低了管理工作強度，提高了管理效率。

(6)通過濟青高鐵項目的實施發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)應用還存在一些問題。如系統(tǒng)在運行前需要輸入企業(yè)定額、建模規(guī)則、算量規(guī)則、人員分配、權(quán)限劃分等大量信息，涉及到企業(yè)數(shù)據(jù)庫的遷移，需要制定一套完整的工作管理流程，耗時較長；iTWO系統(tǒng)本身缺少運維模塊，需要根據(jù)實際需求進行二次開發(fā)；系統(tǒng)對硬件、服務器的要求比較高，前期投入比較大。

4 結(jié)語

加快推進信息化技術(shù)在建筑全壽命期的集成應用是我國建筑業(yè)的發(fā)展方向，濟青高鐵項目立足于工程項目全壽命期，將信息化協(xié)同管理系統(tǒng)在項目的全過程進行了應用。采取預建造管理模式，以“BIM＋GIS”技術(shù)進行了線路的規(guī)劃和車站的選址；對項目成本、進度進行了模擬和控制，項目最終竣工決算成本與概算成本差額不超過5%，項目按時完成投入運營；對施工期間的質(zhì)量和安全及時追蹤與跟進，做到了信息化協(xié)同管理，杜絕了質(zhì)量事故和安全問題的出現(xiàn)；將結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與可視化運維模型相結(jié)合，真正實現(xiàn)了項目全壽命期的集成管理與應用。信息化協(xié)同管理系統(tǒng)有效地減輕了業(yè)主方項目管理團隊的工作強度，減少了相應崗位的人員設置，減少了管理成本開支，打造了鐵路建設信息化管理新模式。