1 背景
德國(guó)絕大多數(shù)鐵道線路基礎(chǔ)設(shè)施的新建、改建、維修均由德國(guó)鐵路股份公司下屬線路網(wǎng)絡(luò)子公司(DB Netz AG)負(fù)責(zé)。該公司的主要職責(zé)是保障線路基礎(chǔ)設(shè)施的安全運(yùn)營(yíng)。在2015年—2019年期間,DB Netz AG用于新建和維修鐵道線路上部結(jié)構(gòu)的資金高達(dá)120億歐元。線路上部結(jié)構(gòu)包括鋼軌、軌枕、道床、道砟、防爬設(shè)備和聯(lián)接零件等組件,其功能在于引導(dǎo)軌道車(chē)輛前進(jìn),并傳遞來(lái)自軌道車(chē)輛的巨大壓力。線路上部工程包括線路上部結(jié)構(gòu)的新建、改建和維修,這里的維修是指材料和部件的更新和替換。
為改變德國(guó)鐵道線路上部結(jié)構(gòu)新建、改建、維修規(guī)劃不善,工期延誤和成本巨額增加的狀況,德國(guó)重大項(xiàng)目建設(shè)改革委員會(huì)在2013年建議采用建筑信息模型(BIM)技術(shù)。德國(guó)聯(lián)邦交通和數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施部(BMVI)根據(jù)德國(guó)的BIM技術(shù)相關(guān)規(guī)定采納并執(zhí)行了此建議。
BIM技術(shù)是一種在五維(5D)數(shù)字建筑模型(如路線模型)上協(xié)同工作的、非常簡(jiǎn)便的技術(shù)。此技術(shù)將3D模型擴(kuò)展到包括時(shí)間和成本的維度,并引入了與規(guī)劃和施工相關(guān)的過(guò)程。使用此方法可以在規(guī)劃基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目時(shí)進(jìn)行成本和時(shí)間控制,并在項(xiàng)目建設(shè)的整個(gè)過(guò)程中保證參建各方進(jìn)行良好、透明的溝通和交流。
2 BIM 技術(shù)應(yīng)用概述
線路上部工程施工由于涉及眾多專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域,見(jiàn)圖1,因此與房屋建筑施工相比,對(duì)施工過(guò)程、物流、工地安全防護(hù)以及許多其他專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的規(guī)劃人員有不同的要求。圖1a顯示了線路上部工程項(xiàng)目施工規(guī)劃的傳統(tǒng)過(guò)程,其中的不同專(zhuān)業(yè)相互關(guān)聯(lián)。這些關(guān)系的復(fù)雜性和多樣性決定了為實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目目標(biāo)需要進(jìn)行復(fù)雜且密切的溝通和交流。圖1b顯示了使用BIM模型的線路上部工程施工規(guī)劃系統(tǒng)。該系統(tǒng)中,各專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域人員共同依托1個(gè)5D模型展開(kāi)工作。這樣可以確保經(jīng)過(guò)授權(quán)的項(xiàng)目參建方共享所需的信息。為實(shí)現(xiàn)各參建方在模型中的合作,需要使用合適的軟件,并對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行全面的控制。
利用BIM技術(shù)的各種工具,可以實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目控制和參建各方之間的協(xié)作。其中包括“客戶(hù)信息需求”、“BIM清算計(jì)劃”和“公共數(shù)據(jù)環(huán)境”3大工具。有關(guān)上述3種工具的詳細(xì)信息可在DB Netz AG網(wǎng)站查詢(xún)。
為了創(chuàng)建數(shù)字建筑模型,必須在規(guī)劃施工工地之前根據(jù)規(guī)劃目標(biāo)采集和處理基礎(chǔ)設(shè)施相關(guān)的數(shù)據(jù)。對(duì)于線路上部工程,在細(xì)節(jié)水平上有特殊要求:用于摘取工程量的數(shù)據(jù)必須達(dá)到規(guī)定的精度,其余數(shù)據(jù)應(yīng)盡可能少,以最大限度地減少待處理的數(shù)據(jù)量。在數(shù)據(jù)獲取方式上,可以通過(guò)列車(chē)行車(chē)、常規(guī)測(cè)量或激光掃描創(chuàng)建的點(diǎn)云采集數(shù)據(jù)。
在施工過(guò)程中,必須記錄每個(gè)施工工序及所有施工對(duì)象的實(shí)際數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)的用途是:①輔助承包商進(jìn)行必要的補(bǔ)充計(jì)算和后期計(jì)算;②創(chuàng)建線路的數(shù)字孿生模型。
與傳統(tǒng)方法相比,線路上部工程項(xiàng)目使用BIM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于:①面向?qū)ο蟮挠?jì)算形式;②提供已有或新創(chuàng)建的數(shù)據(jù)詳細(xì)信息;③5D模型在進(jìn)行任意更改后會(huì)同步更新所有尺寸和視圖。
3 BIM技術(shù)的具體應(yīng)用
3.1 面向?qū)ο蟮挠?jì)算形式
如果當(dāng)前產(chǎn)生的工程量是根據(jù)工程量說(shuō)明、工程量清單或施工部位確定的,則可由面向?qū)ο蟮挠?jì)算形式替代。
為實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn),需要待維修路線當(dāng)前狀態(tài)和目標(biāo)狀態(tài)的完整5D模型。應(yīng)用BIM技術(shù)需與施工過(guò)程和物流相關(guān)聯(lián),所以BIM建模時(shí)應(yīng)包含施工段及其附近區(qū)域(包括停車(chē)區(qū)域、倉(cāng)庫(kù)和貨物換裝場(chǎng)),以及用于物流運(yùn)輸?shù)母L(zhǎng)鐵路線(包括收費(fèi)站)。圖2中顯示了上述各區(qū)域。每個(gè)區(qū)域中,對(duì)于建模精度和模型對(duì)象的幾何形狀都有不同的要求,因此應(yīng)根據(jù)具體要求創(chuàng)建模型。
3.2 模型創(chuàng)建和精度等級(jí)
創(chuàng)建符合BIM技術(shù)要求的線路模型時(shí),應(yīng)考慮滿足不同需求后的數(shù)據(jù)精簡(jiǎn),僅保留必要信息。使用BIM模型可以采集和融合施工期間的海量實(shí)際狀態(tài)數(shù)據(jù),由于德國(guó)移動(dòng)數(shù)據(jù)連接的可用性還有待提高,因此很有必要縮減數(shù)據(jù)量。
3.3 線路上部工程項(xiàng)目計(jì)算
承包商的報(bào)價(jià)和工程量計(jì)算以施工工地5D模型中生成的工程量為基礎(chǔ)。有許多工具軟件可以支持承包商進(jìn)行面向?qū)ο笥?jì)算,其中包括標(biāo)準(zhǔn)化的施工流程數(shù)據(jù)庫(kù),以及自動(dòng)化的資源優(yōu)化和工資成本計(jì)算軟件等。圖3為具體的計(jì)算流程圖。
上述應(yīng)用軟件之一是線路上部工程施工工序的標(biāo)準(zhǔn)工程量數(shù)據(jù)庫(kù)(SLAG)。它是有關(guān)新建、改建和維修線路上部結(jié)構(gòu)時(shí)所有典型施工工序的數(shù)據(jù)庫(kù)。借助SLAG,可以根據(jù)實(shí)際模型與目標(biāo)模型之間的對(duì)象更改(如鋼軌更換),創(chuàng)建包含所有所需施工工序的清單;還可以根據(jù)從5D模型中獲取的更多信息,尤其是物流邊界條件,制定施工組織計(jì)劃。但使用SLAG還無(wú)法全面考慮所有可能的施工工序、依賴(lài)關(guān)系和相互作用,所以自動(dòng)創(chuàng)建的施工工序清單存在不能完全符合實(shí)際應(yīng)用需要的情況,還需再進(jìn)行人工更正、優(yōu)化和最終確認(rèn)。
創(chuàng)建施工工序清單后,承包商可以針對(duì)人員和機(jī)械開(kāi)展資源計(jì)劃,以?xún)?yōu)化施工過(guò)程。采用施工過(guò)程中的人員和資源動(dòng)態(tài)分配方法,并保證(大型)機(jī)械和設(shè)備的多樣性,有助于計(jì)算得到最佳解決方案。此時(shí),應(yīng)該區(qū)分己方設(shè)備和第三方設(shè)備,并將其他因素(如運(yùn)輸成本)考慮進(jìn)來(lái)。
4 結(jié)論
通過(guò)使用BIM技術(shù),可以使線路上部工程施工的規(guī)劃和計(jì)算得以?xún)?yōu)化。為此,5D模型是基礎(chǔ)。然而,5D模型的創(chuàng)建和維護(hù)花費(fèi)巨大。因此,對(duì)于每個(gè)項(xiàng)目,必須驗(yàn)證創(chuàng)建模型的必要性及其可能產(chǎn)生的附加值。簡(jiǎn)化的線路模型也需要驗(yàn)證。
盡管在線路上部工程中使用BIM技術(shù)的形式多種多樣,但在施工工地上仍需要訓(xùn)練有素的人員,他們能夠在施工物流、施工過(guò)程等發(fā)生變化的情況下,做出判斷并確定下一步的程序。
因?yàn)榭梢允褂?D模型執(zhí)行其他應(yīng)用程序,例如噪聲計(jì)算、可視化或維修計(jì)劃等,對(duì)于復(fù)雜的鐵路基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目而言,線路的完整5D模型非常有用。
在將來(lái),線路的5D模型還可以推動(dòng)線路上部工程施工過(guò)程自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)步。此外,其還可以用于全生命周期成本研究,從而將當(dāng)前的和預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)與維修計(jì)劃和鐵路運(yùn)營(yíng)聯(lián)系起來(lái)。借助整體線路模型,可以識(shí)別和管理鐵路系統(tǒng)中復(fù)雜的相互關(guān)系,例如在特定運(yùn)行載荷下的鋼軌磨損增加等。
參考文獻(xiàn)
[1]Christoph Schütze. Anwendung von Methode des Building Information Modeling(BIM)bei Instandsetzungsma?nahmen im Gleisbau[J]. Eisenbahntechnische Rundschau,2019,68(10):49-52.
蘇靖棋 編譯
收稿日期 2019-12-01