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BIM+铁路精细化管控平台设计应用

2023-05-18 13:45

       为解决铁路全生命周期建设过程中涉及参与方多、专业跨度大、施工过程精细化管理要求高等问题,文章设计BIM+铁路精细化管控平台,将三维模型与施工信息关联,结合物联网、大数据、云存储等技术,从施工组织优化、进度跟踪、综合展示分析等多方面把控工程质量,实现铁路工程建设施工过程的全方位、多角度管理。该平台已应用于雄安特大桥的项目建设,应用结果表明,该平台可辅助施工建设并提高施工效率,助力铁路建设信息化发展。

平台设计

       1、平台构成

       平台总体架构采用私有云+公用端的模式,以BIM数据为核心,集成物联网、大数据和云存储等技术,通过模型和工程数据进行施工过程全生命周期管控,将施工建设各个时期信息进行整合。同时,客户端、服务器与数据库作为数据媒介,服务并支撑私有云和公用端的业务应用,平台构成如图1所示。

图1 BIM+铁路精细化管控平台构成

     (1)公用端包括工程模型、电子沙盘及进度质量安全数据,用于数据的可视化展示,实现业务应用。

     (2)私有云用于存储BIM、现场数据及协同数据,供各应用端进行调用。

     (3)客户端、服务器与数据库共同支撑模型展示与人机交互功能。其中,客户端负责展示与输出数据;服务器负责接收、处理数据;数据库用于数据和模型的存储。

平台可划分为数据层、接口层、服务层、模型层和应用层,逻辑架构如图2所示。

图2 BIM+铁路精细化管控平台逻辑架构

    (1)数据层:包含原始数据、模型数据及地理信息数据,负责处理和存储接口层、模型层和应用层传输的各类数据。

    (2)接口层:分为结构化数据接口、非结构化数据接口和数据同步接口,为服务层提供统一的数据接口,进行数据的解析、提取和集成。

    (3)服务层:为应用层和模型层提供服务,主要分为渲染服务、权限服务、模型处理服务和分析服务问。其中,渲染服务包括BIM的展示和浏览;权限服务包括数据的读取控制及修改控制;模型处理服务包括模型的存储、查询、提取、更新及比对;分析服务包括数据的通用性能分析。

    (4)模型层:用于分层存储BIM,并对模型进行轻量化及优化,以减小CPU负载、内存负载和网络负载,实现精准调用。模型层为应用层的具体功能提供三维可视化服务,支持应用层的各类业务智能化管理。

    (5)应用层:通过读取、调用数据库数据,对BIM和各类数据进行三维展示,实现平台业务数据的输入与输出。按不同建设管理目标对工程的模块与功能进行划分,实现电子沙盘、进度管理、施工组织(简称:施组)管理、资料查询等功能应用。

       3、技术架构

       平台采用Java数据库连接(JDBC,Java DataBase Connectivity)技术和模型-视图-控制器(MVC,Model View Controller)设计模式。其中,MVC设计模式用于链接后端MySQL数据库和Tomcat服务器;JDBC用于打通资源数据、数据服务、应用服务与Web服务,再由Web服务将数据和应用输出到互联网端进行展示和应用。平台技术架构如图3所示。

图3 BIM+铁路精细化管控平台技术架构

       平台基于面向服务的架构(SOA, Service Oriented Architecture)进行前后端分离、模块化设计和服务化设计,分离了数据层和控制层;通过中间件构件设计、高扩展设计和高可用性设计形成Java开源生态圈;通过性能扩展性设计和高响应速度设计实现动静分离机制。

       平台由前端和后台组成:

     (1)后台采用MySQL数据库,并基于Tomcat服务器进行应用发布,传输动态资源数据和静态资源数据,实现数据服务和应用服务,同时,服务将数据反馈回到MySQL数据库,处理生成新数据后再由Tomcat服务器进行发布;

     (2)前端采用Html、Css等浏览器原生支持的技术进行客户端的应用构建,包括浏览器端平台界面、模型应用、业务应用和系统调用服务,可在保证平台性能的同时,给予良好的用户体验,实现高效开发。

平台功能

       平台的功能主要有电子沙盘、进度跟踪、施组优化及施工方案模拟。该平台以施工进度为主线、数据信息为基础、成本控制为核心,实现了施工过程的实时、多方位和多节点管理。

       1、电子沙盘

       BIM施工建设电子沙盘提供不同的投影模式,可使用户从高处对整个场景进行全局性的观察,以不同的角度和距离俯瞰整个区域,且具有放大、缩小、平移、旋转等基本操作功能。同时,电子沙盘提供天空背景和环境效果,可增强场景的真实感,便于用户对地形、地貌进行分析及对整体、局部地形进行观察。

       通过电子沙盘,用户可从大数据的角度解析施工数据需求,对施工过程数据进行梳理和统计,从项目基本信息、进度、安全、质量等多个维度对铁路施工的整体建设精准把控。

       2、进度跟踪

       进度跟踪是将施工计划进度、实际进度数据与BIM模型相挂接,将空间信息、时间信息、质量安全信息整合在一个模型中,并对一些重要的施工环节、工艺工法进行模拟和分析,以提高计划可行性,实现实施成果的预见性和可追溯性。在施工单元BIM中,可将实际进度与计划进度进行比对,并在三维动态模型上展示,实现进度偏差分析和施工进度滞后预警。

       进度跟踪功能有助于用户在项目施工过程中合理制定施工计划、精确掌握施工进度、优化施工资源及科学布置场地,可对整个工程的质量和安全进行统一管理和控制,有效缩短工期、降低成本、提高工程质量。

       3、施组优化

       平台基于计划编制的算法、BIM与甘特图结合的形象进度展示方法,将工作分解结构(WBS,Work Breakdown Structure)与工程实体结构自动挂接,实现铁路施组优化决策设计。此外,利用BIM技术进行施工资源配置优化,以施组计划为辅助,与工程中传统方法技术相结合,充分发挥各自的优势,可有效解决施组和资源配置优化问题,使施组编排更优化、资源利用更合理,从而达到降低施工成本的目的,为铁路施工精细化管理打下坚实基础。

       4、施工方案模拟

       施工方案模拟可对重点施工单元分别建立地形模型、场地布置模型、构筑物模型、结构模型和机电各专业模型等。模型的精细度为LOD350及以上,模型单元的建立、传输、交付和解读信息包含模型的几何造型、几何精度、信息深度及基本信息附加。对施工过程中的具体工艺工法进行模拟,可根据模拟结果预判可能的结果,及时调整工艺工法的选择,优化总体施工效率。

平台特色

       1、大体量模型轻量化融合

       平台可将BIM、地理信息系统(GIS, Geographic Information System )及航拍大体量数据标准化,将不同标准的数据进行拆分和重组,形成统一可视化数据,为平台的应用层提供准确、全面的有力支撑。

       平台实现轻量化的方式是将三维模型瓦片化。通常一个瓦片由级别、横坐标和纵坐标唯一标识,每个瓦片表示的像素宽度和高度是固定不变的,随着级别增高,每一级的瓦片数量指数性增多,每一个瓦片所覆盖的地理范围减少但像素宽和高不变,从而使得模型信息更加清晰明确,实现大体量影像数据、高程数据和BIM的轻量化。

       2、多源数据动态更新

       平台通过统一数据源解析过程,保证数据动态更新。具体流程为:

     (1)从BIM中提取出属性信息数据,赋予其唯一标识定义;

     (2)将属性信息数据进行流化处理,传入BIM流数据库,发布BIM服务;

     (3)生成一份GIS模型文件,将其存储到GIS数据库,发布GIS服务;

     (4)BIM服务与GIS服务经过认证后,统一由GIS+BIM应用服务器发布到客户浏览器。通过该技术,当数据动态更新时,业务数据可通过唯一标识得以继承,使得模型版本控制更精准。

       3、多期影像自动校准

       平台通过导入无人机定期巡检形成的倾斜摄影影像,可自动生成模型,对新采集的影像自动进行位置配准及视口嵌套更新,并按日期排列对齐。通过多期影像自动校准技术可有效解决影像定位配准时的应用难题,包括人工分拣不及时、工作量大、相似区段地物无明显特征等问题,从而有效提高施工效率、降低人工成本。

平台应用

       平台已成功应用于京雄(北京一雄安)城际铁路站前七标雄安特大桥项目的建设,实现了铁路工程建设施工精细化管控的目标。

       1、应用概况

       京雄城际铁路是完善京津冀区域高速铁路网结构的重要铁路线路,七标主要工程为雄安特大桥。平台实施采用多层分布式应用部署,通过数据层实现关系型数据与非关系型数据的存储,包括施工组织、检验批、工程影像、施工进度、地形数据、BIM、倾斜摄影等数据;通过服务层授权认证接口服务、地理信息服务及BIM图形引擎服务;通过应用层实现综合展示、进度跟踪、施组优化、工单派发等功能。

       2、应用效果

      (1)模型深化:对雄安特大桥设计模型按照施工需求深化为施工模型,以m为单位进行拆分,对模型进行组装后形成整体模型,并创建重要节点LOD400级模型,可对细部构造进行展示。

      (2) 施工单元划分:将雄安特大桥项目的施工分部、分项的方法与BIM技术相结合,提出基于BIM的工程单元划分原则;根据工程施工单元划分原则,提出施工单元划分方法;在此基础上,根据编码体系,实现施工单元的分类和编码。

      (3) 进度跟踪推演:以终端采集的雄安特大桥工程进度数据为基础,进行历史数据的综合分析,挖掘重点信息;通过进度推演算法和进度红线报警,可快速直观地反映进度滞后的原因和位置,从而实现工程项目WBS与BIM的自动关联、基于位置的计划编制与资源配置、施工进度采集、进度跟踪与控制及基于BIM的计划进度形象展示等功能。

      (4) 施组优化:通过BIM+技术,以系统工程学、控制论和信息论为理论基础,实现信息集成和矩阵式结构管理,对雄安特大桥项目的施组情况进行动态、量化管理和有效优化。

      (5) 分布式电子沙盘:基于雄安特大桥BIM单元,通过多层分布式应用部署,实现电子沙盘虚拟场景与桥梁真实场景的融合,通过统一标准的经度、纬度、海拔等地理信息坐标体系,实现精准定位和时空动态分析。

      (6) 精细化管理:将雄安特大桥工程的每一个BIM构件作为一个施工单元,结合施工经验,通过平台掌握每个工点的详细情况,从而完成特大桥整体的多方位、精细化管理。

总结与展望

       本文提出的BIM+铁路精细化管控平台结合物联网、大数据、云存储等技术,将三维模型与施工信息关联,实现电子沙盘、进度跟踪、施组优化及施工方案模拟等多种功能,从而以专业化和科学化的管理手段,对项目施工建设期的进度、成本、质量、资源、安全等方面进行动态和量化管理,可有效控制风险因素,保证铁路全生命周期涉及到的各方参与人员高效协同工作,最终对项目建设实现精细化管理。下一步,还须针对铁路管理领域的深度要求,构建完善的精细化管理体系,进一步提升铁路工程建设水平。

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