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1. 項 目 概 況
魯南高鐵是國家“八縱八橫”高速鐵路網的重要連接通道，是山東省“四橫四縱”高鐵網的重要組成部分，東起日照市，向西經臨沂市、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，這導致工程管理數據量大且分散，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協同辦公，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據需要快速、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，無法保證數據的真實性和可靠性；
(3)運維管理與建設管理應用所使用的數據結構和數據格式尚未統一，數據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)資料整合和數據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，各參建方協同”的實施組織方式，以鐵路BIM聯盟標準體系為數據應用基礎，以BIM全線全專業(yè)應用、分階段實施為總體思路，以信息化協同平臺應用與BIM技術應用雙線并行為實施模式，實現項目的信息化協同，通過信息化協同平臺打通建設階段與運維階段的數據隔閡，實現建設階段的管理數據與BIM模型數據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，實現建設階段與運維階段數據的雙向聯動及可視化。BIM交付運維后，進一步融合地理空間信息、數字孿生引擎，應用物聯網、北斗等技術與鐵路運營、養(yǎng)護、維修等數據進行集成，進而實現基于BIM全生命周期數據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據交接仍未做到平滑過渡和無損傳遞，同時存在信息孤島、系統獨立部署、數據多是獨立存儲和處理等問題，需要統籌加強信息流的無損正向傳輸和反饋優(yōu)化機制，從而實現基于過程流管理的全生命周期信息流規(guī)范管理，即實現過程流和信息流的深度融合管理機制。“模數驅動”強調運用BIM等先進智能技術實現高鐵設計、施工、運營全生命周期數據貫通，通過規(guī)范BIM存儲結構、語義定義、信息傳遞和開放式數據存儲，實現模型數據一體化，為數據全過程無損傳輸、強化高鐵建設運營管理系統內部要素信息交互、推動系統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，統一規(guī)范建模標準及規(guī)則，依據國家鐵路BIM標準、鐵路BIM聯盟標準，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管理數據的標準化應用，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模型數據信息需求為導向，進行運維階段BIM數據應用標準的深化研究，建立高速鐵路BIM模型數據運維交接標準，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 基礎應用數據管理
為實現工程項目的數字孿生建設，為運維提供“模實一致”的高質、完整、標準的基礎數據，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數據的獲取，為管理平臺開展三維可視化應用提供數據支撐，項目無人機傾斜攝影GIS模型數據如圖2所示。
圖2 無人機傾斜攝影GIS模型數據
2.4 信息化協同平臺建設
信息化協同平臺以BIM模型及GIS數據為載體，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、物資管理及聯調聯試管理、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運行所依托的軟硬件環(huán)境，為應用系統提供網絡、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部分，通過接口定義使各模塊間進行良好的協作；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，以及數據接口標準規(guī)范體系的建設，保障業(yè)務模塊的穩(wěn)定運行，信息化協同平臺整體架構如圖3所示。
圖3 信息化協同平臺整體架構深江鐵路洪奇瀝特大橋效果圖
平臺數據包括基礎數據和業(yè)務數據。基礎數據是平臺范圍內的共享數據，包含組織機構、管理人員數據及設計階段、建設階段、運維階段的BIM、GIS、設備設施臺賬等數據。業(yè)務數據主要包括建設管理數據、檢測監(jiān)測數據、LKJ數據、生產數據、運行數據、分析數據、原材料數據、工器具數據、應急數據等。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》，實現基礎數據、業(yè)務數據和BIM模型的關聯貫通，為BIM+GIS建設運維可視化管理提供數據基礎和底層數據邏輯。
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模型與現場無人機采集的傾斜攝影GIS模型，對施工現場及鐵路營業(yè)線進行數字化還原，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)接口需要統一管理與協調，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)勢進行接觸網基礎預留預埋優(yōu)化、接觸網與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BIM模型如圖7所示。
圖7 牽引變電所、接觸網工程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據，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、設計里程等數據，形成了完整、規(guī)范的BIM基礎數據。
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，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、從信息化協同平臺服務上實現了建維數據的雙向聯動，以BIM為載體形成了工程全生命周期基礎數據。如圖9所示，根據運維階段應用需求，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數據為載體，實現建設與運維階段數據流與信息流的打通。
（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，以工序報驗為驅動，融合GIS、大數據等技術，實現進度數據的自動統計及分析，生成進度可視化管理模型，助力管理者直觀快速掌握現場進度信息，如圖10所示。
圖10 協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，對施工生產的人、物、環(huán)境的行為和狀態(tài)進行管控，管理過程數據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，定位問題所在位置及構件部位，為施工現場質量及安全管理提供快速、直觀的決策依據，如圖11所示。
圖11 協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。
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)實現了對外部地形監(jiān)測平臺監(jiān)測點位及監(jiān)測數據的共享，如圖12所示。
圖12 協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，積累的施工管理數據為運維階段設備設施資產管理建立數據基礎。
（2）運維階段應用
在運維管理應用中，施工階段的管理數據可以被繼承并應用到靜態(tài)驗收、聯調聯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)務模塊管理數據，通過多維度、多層次的數據分析和統計，有效提高運維管理的工作效率，如圖13所示。
圖13 協同平臺運維管理駕駛艙界面
聯調聯試管理：通過平臺實現了對聯調聯試列車信息的維護，直觀顯示聯調聯試試驗列車的位置，掌握試驗列車實時動態(tài)信息，對聯調聯試問題進行電子化整改及銷號閉環(huán)等功能。
資產管理：通過對建設管理模塊積累的工程基礎數據進行篩選，同時對篩選后的數據進行完善及整合，形成運維管理階段的BIM可視化資產管理基礎臺賬功能。
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)設備資產數據和維修管理生產信息的集中統一管理需求，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、施工數據及維修巡檢記錄的快速查閱及巡檢過程數據的快速上傳，同時建立巡檢問題庫對閉環(huán)后的設備維修過程進行統一歸檔與管理，為運維大數據建設提供基礎，如圖14所示。
圖14 協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數據接收、歸檔、應用提供技術支撐，為各專業(yè)運維人員提供協同辦公環(huán)境，為提高鐵路設備運維效率及各專業(yè)數據信息共享創(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、實現多階段信息共享和協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，實現鐵路BIM數據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）實現了BIM數據資源整合和多階段共享及協同應用。通過信息化協同平臺的建設，將建設期間積累的BIM模型和相關管理數據直接用于運維管理，減少信息傳遞的錯誤和耗時，提高數據的真實性和可靠性。同時，使項目各參與方在同一個模型中進行交流、協調和決策，減少溝通和協作成本，提高工程管理效率。平臺提供標準化的數據結構和格式，使各個專業(yè)的數據可以進行統一管理和集成應用，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，協同運用多專業(yè)數據信息對本專業(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、管理系統融合，通過一個平臺實現了對不同專業(yè)設備狀態(tài)、現場作業(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，實現了現場應急處置路徑優(yōu)化、聯調聯試列車運行動態(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，實現了從工作計劃、實施、驗收到問題發(fā)現、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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