BIM GIS数据集成在京雄城际铁路四电施工管理中的应用

为提高铁路施工建设全产业链数字化、信息化应用水平，全面提升铁路建设质量，依托京雄城际铁路四电施工项目，基于BIM+GIS数据集成技术，搭建一体化的京雄城际铁路四电施工管理平台。应用BIM技术，完成虚拟建造、碰撞检测、管线优化、深化出图、工程量统计等工作，建立项目模型并进行可视化交底，确保从设计阶段到施工阶段的无缝对接。京雄城际铁路四电施工管理平台具备驾驶舱管理、三维电子沙盘、接触网智能预配信息管理、施工进度管理、监控管理、安全和质量管理、物资管理等功能，可实现铁路施工各阶段管理数据的整合和不断优化。建立数字化、自动化、集成化的四电施工管理平台，保证安全生产、管理质量和效率，提高四电施工水平，缩短项目建设周期，为铁路工程的信息化、智能化施工起到典型示范作用。

工程概况

依托京雄城际铁路四电施工项目，实现BIM+GIS数据集成在京雄城际铁路电力施工管理中的应用。京雄城际铁路是一条连接北京市与河北省雄安新区的城际铁路。2018年2月28日，京雄城际铁路大兴机场站—雄安站段（简称大雄段）开工建设；2019年9月26日，京雄城际铁路李营站—大兴机场站段（简称李大段）开通运营；2020年12月27日，京雄城际铁路大雄段开通运营。京雄城际铁路李营站—雄安站全长91km，设6座车站（其中5座办理客运业务），设计速度分别为250 km/h（李大段）、350 km/h（大雄段）。

系统构成

系统架构

基于BIM+GIS技术的京雄城际铁路四电施工管理平台（简称管理平台）按照标准MAC架构设计，其技术架构为分层式模块化设计，每层对应1个或1类技术架构，按模块进行建设，1个功能对应1个模块。管理平台系统分为用户层、交互层、业务功能层、数据服务层、技术标准层（见图1）。

图1 京雄城际铁路四电施工管理平台技术架构

（1）用户层。平台用户包括建设指挥部、工程局项目部、现场作业队，可针对用户不同需求，实现差异化展示。

（2）交互层。不同规约下的多种信息处理，实现平台在不同终端的展示与应用。

（3）业务功能层。实现进度可视化管理、物资系统集成、安全质量管理等多项功能，实现功能模块的数据传递、处理、共享。

（ 4）数据服务层。管理平台系统的核心，负责所有数据信息的处理与分析，作出判断并下发指令；同时，实现各类接口与平台对接。

（5）技术标准层。通过BIM相关标准、工程相关标准，为管理平台提供支撑依据。

模型建立

基于BIM+GIS技术建立三维可视化模型，实现项目设计。通过大数据技术手段，收集样本空间信息，对项目范围内的地理信息模型进行精细化采集，建立三维场景数据库；加入通用铁路设施模型、设计方案线位及里程、大临设施、主要跨越物及工点等信息，为可研阶段的方案可视化比选、设计阶段的施工图三维模型展示、施工阶段的电子沙盘提供基础三维场景。京雄城际铁路三维可视化场景见图2。

图2 京雄城际铁路三维可视化场景

建立元器件BIM模型专业构件族，将模型的几何数据、编码、基础数据作为管理平台主数据。基于BIM技术实现支吊架、桥架预制化加工，以及接触网腕臂、吊弦数字化装配；并根据定制化需求向其他系统扩展。

结合设计平面图，将房建专业模型与变电专业构件进行合模，构建施工建筑、内外部结构、元器件装配的孪生环境。在三维实景中，完成虚拟建造、碰撞检测（见图3）、施工方案分析（见图4）、安装（布线）效果检查（见图5）等，提前发现冲突并协调设计解决，避免返工。依据施工判断设备布局是否合理，并在施工前及时优化调整，保证室内设备布局的美观性、实用性。

图3 碰撞检测

图4 施工方案分析

图5 安装（布线）效果检查

在京雄城际铁路四电施工的深化设计中，利用BIM的出图功能，将优化BIM信息转换为二维图纸，直观地反映设备房建布置平面及各电缆沟剖面，精确展现各沟段线缆在不同支架上的线缆布置情况（见图6），在四电施工现场，快速获悉线缆敷设路径，实现高效率施工，达到节省工时、缩短工期的目的。

图6 一次电缆敷设平面

对于布线复杂的细节部位，利用 BIM 的三维可视化功能，直观地查看细部线缆敷设详情，实现线缆精准施放（见图 7 ）。

图7 细部线缆敷设三维可视化

在满足工艺及工程要求的前提下，将二维图纸与三维设计相结合，深化 BIM 模型，统一规范管理各材料及元器件等，为物资计划提供参考数据；利用可视化模型指导现场布线施工，提高施工的精细化程度，便于施工方案优化，合理、明确地统计工程量。深化模型效果见图 8。

图8 深化模型效果

将以上设计导入管理平台进行可视化技术交底，包括制作技术交底书、作业指导书、相关工艺视频二维码，便于工程审查及用户的查看、保存，最终完成模型建立。

主要功能

管理平台依托京雄城际铁路，利用BIM+GIS融合技术，提升对工程进度、质量、安全等管理的精细化程度，把握铁路四电项目施工管理流程，全面提升工程管理信息化、智能化水平。目前，管理平台实现的功能主要包括：智能化施工、管理驾驶舱、电子沙盘、接触网智能预配信息管理、进度管理、监控管理、安全质量管理、物资管理等。管理平台采用多种交互方式，通过不同终端设备，实现平台建设。管理平台功能界面见图9。

图9 管理平台功能界面

1、管理驾驶舱

该功能将各专业工程进度、位置信息、施工安全质量情况、现场实时监控可视化动态等进行汇总展示，让用户全面、实时地掌握工程情况。管理驾驶舱功能界面见图10。

图10 管理驾驶舱功能界面

2、电子沙盘

该功能利用参数化模型进行深化地图展示，并赋予属性特征，实现工程数据与三维地图的信息融合；构建三维电子沙盘，全方位、多角度实现与用户交互；具有精确定位、直观便捷的优点，有利于设计施工。电子沙盘功能界面见图11。

图11 电子沙盘功能界面

3、接触网智能预配信息管理

基于参数化模型的全信息化管理，对模型预配数据、预配流程进行预设，按照规范标准设置运行程序，将现场测量数据、预配计算数据等导入平台主服务区，完成数据与加工机器间的无障碍快速互认，实现数据无缝对接。

预制流程数据与对应 BIM 模型对接，对预配数据生成 BIM 模型校核，并进行虚拟装配，通过对测量、预配计算中存在的问题进行检查，减少预制出错率。对与预配相关的测量、预配、安装数据等整个预配生产链进行管理，保证预配数据的有序流转、集中规范管理、归档存储，为“一杆一档”提供数据依托。预配加工机器获取生产数据，机器通过接口将加工数据接入平台。实现基于BIM的接触网腕臂预配管理。接触网智能预配信息管理功能界面见图12。

图12 接触网智能预配信息管理功能界面

4、进度管理

该功能是将施工中的过程性文档（如施工进度情况、材料采购及使用情况等数据）导入i-model后台文件，前端通过不同颜色区分不同类别，分别展示采购及安装状态，实现高效、快捷、精准的施工进度管理。基于数据集成一体化管理平台的全专业模型，对特性、关联数据赋予属性，便于进度及采购流程的调管。

管理平台具备三维模型数据可扩展、对其属性参数不同管理流程可获取等功能。基于 BIM+GIS 平台，实现工程项目进展情况和后期工程实施计划的点对点可视化管理。在工程实施全流程，做到自主规划、流程优化等，兼具监督监管功能；对已设定的工程目标进行进度跟踪，若出现大于阈值的偏差，则及时提醒管理人员，查找原因、纠偏纠错，并结合现有情况重新制定计划和补救方案，直至项目按期完成。在项目中，通过对施工组织合理分析与拆解，制定并优化合理的施工进度安排，通过监控施工，控制项目进度。进度管理功能界面见图13。

图13 进度管理管理功能界面

5、监控管理

现场配置太阳能摄像头，向云端实时传输数据。发生紧急情况时，启动应急预案，返回监控所在位置，通过三维沙盘获取位置，直观查看监控，并向多终端发送问题报告。监控管理功能界面见图14。

图14 监控管理功能界面

6、安全质量管理

配合监控管理功能，应用BIM技术，严格安全和质量管理流程，实现数据实时解析，更精确、有效地做好工程监管、问题上报、整改、记录等环节。同时，通过BIM技术在三维电子沙盘中标记，将发现问题以图片、文档形式进行描述和提交。在施工过程和施工完成阶段，可随时对质量问题进行全方位查看，对问题及整改进度进行追踪，对施工各环节进行把关，保障施工质量、落实安全责任。安全质量管理功能界面见图15。

图15 安全质量管理功能界面

对于现场安全问题，通过浏览模型找到与现场对应的视角，在此视角基础上进行安全问题记录、批注，并直接指定整改单位、限制整改日期，相关单位收到整改通知后，进行整改销项工作，并记录、存储现场整改照片和资料，形成安全问题的闭环管理，最大限度确保施工顺利进行，对项目安全生产保驾护航。

7、物资管理

从物资初始状态开展管理工作，溯源追本。依托管理平台，结合二维码跟踪技术，建立二维码数据共享资源，制定物资二维码追溯管理流程。从需求计划开始立项建档，采购排产，并将计划编号、排产编号、需求信息等赋予二维码，实现数据流动可延伸、可追溯。厂家生产、到货入库、领料申请、发料、现场安装等环节，均通过信息跟踪，实时更新状态。该功能实现了物资管理的自动化、智能化，便于调管和管理流程的实施掌握，为数据统计、物资入档提供了便利。物资管理流程见图16。

图16 物资管理流程

关键技术及创新点

京雄高铁建设管理“一张图”关键技术

基于BIM+GIS技术，建立京雄城际铁路建设管理综合数据库，利用参数化模型信息、工程现场周边地理空间信息、施工管理进程信息，构建“多维一体”的京雄高铁建设管理“一张图”。将各个层级的管理分权限纳入一体化管理平台，按照职责、岗位、责任划分等，授予不同平台用户不同的权限。分层、分流的管理体系，使工程管理更精细，流程清晰、顺畅。

依托BIM+GIS一体化管理平台，集成卫星航拍数据、勘察实测数据、BIM模型数据、工程案例预设数据、质量安全实时动态数据等，形成多维度、可视化管理界面，内嵌京雄高铁建设管理“一张图”，实现以下功能：

（1）安全、质量、进度、环保“一张图”。管理平台不对单一流程或标准进行管控，而是构建多维度管理“一张图”。通过横纵对比，实现项目的全方位监管、评估，有效避免风险点。切实把握施工进程中的安全、质量、进度、环保4个方面问题。对结果进行综合分析，及时生成施工作业多维管理报表；同时，将多维评估标准分类、分级，设置管理优先级，更好地实现风险预警和流程处理。

（2）施工设计、成果交付“一张图”。通过一体化管理平台，应用标准化数据接口技术，实现从设计到成果的可视化，包括设计成品可视化、流程进度可视化。避免设计阶段与施工阶段衔接问题，尽早发现疏漏、减少返工、提高效率。

（3）参数化数据“一张图”。将项目信息、人员信息、组织机构、项目实体的参数化数据融入“一张图”，通过施工管理系统实现双向数据流通，扩展“一张图”功能应用。

基于BIM+GIS的四电工程施工技术

（1）基于四电工程施工特点，加强建设管理与施工应用的紧密联系，实现项目工程双向推进。管理平台不仅面向设计人员，还面向建设管理人员和施工人员。搭建应用平台后，可实现“1个工程、1套管理制度”“1个项目、1个管理方案”，在满足规程、规范等技术要求前提下，针对每个工程不同的要求和特点，调整平台模块，契合工程实际。在建设管理和施工现场，双方共同监督施工标段的进度、质量、安全管理等。

（2）在四电工程中，实现不同数据共享互认、不同阶段任务信息对平台内公开，变纸质材料交接为线上业务确认，做到站前土建施工单位与站后四电施工单位衔接过程全透明、流程可控、过程可追溯、进度可把握，便于施工协调与管理。

（3）建立站前、站后各专业台账，依据综合接地、接触网支柱基础、无砟轨道绝缘处理、各类过轨管道、电缆上下桥锯齿孔、电缆槽、手孔等工程进行分类，基于管理平台建立不同工程的三维模型，将关键节点标注，工程实施过程中进行检查督导，并在BIM+GIS模型中动态标注，做到台账可视、可查、可检。

（4）施工过程中，利用BIM+GIS的四电工程施工技术，指导站前施工单位施工；施工完成后，依据国家标准、行业标准、企业标准及相关规程规范，指导施工和监理单位检查验收。

总结与展望

基于BIM+GIS数据集成技术，建立京雄城际铁路四电施工管理平台，对铁路设计施工各阶段进行全生命周期管理。管理平台完成了数据整合优化，实现了智能化施工、管理驾驶舱、电子沙盘、接触网智能预配信息管理、进度管理、监控管理、安全质量管理、物资管理等功能。对京雄高铁建设管理“一张图”关键技术和基于BIM+GIS和四电工程施工应用技术进行研究，实现铁路BIM模型由设计阶段向建设阶段的有效传递。形成一种安全、智能、立体的综合安全运营一体化管理模式，最终完成设计、施工阶段的可视化交底、虚拟建造、碰撞检测、管线优化、深化出图、工程量统计、协同管理、数据共享、可视化工程进度等业务，为现代化铁路工程全面实现智能化管理起到示范引领作用。