鲁南高铁曲菏兰段建设运维BIM技术应用案例

1. 项目概况

1. 项目概况

鲁南高铁是国家 “ 八纵八横 ” 高速铁路网的重要连接通道，是山东省 “ 四横四纵 ” 高铁网的重要组成部分，东起日照市，向西经临沂市、济宁市、菏泽市，与河南省郑徐高铁在兰考南站接轨。鲁南高铁曲阜至兰考段，简称 “ 鲁南高铁曲菏兰段 ” ，设计行车速度为 350km/h ，总投资约 312 亿元，线路全长 204.43km ，于 2018 年 12 月开始建设， 2021 年 12 月底实现全线开通。

鲁南高铁曲菏兰段建维一体化管理需求主要体现在以下几个方面：

(1) 由于涉及铁路站前、四电及站房工程，工程建设包括多家设计和施工单位共同参与，这导致工程管理数据量大且分散，不利于有效收集和整合。同时，项目工期要求紧凑，需要通过信息化手段实现协同办公，以提高管理效率；

(2) 工程建设和运维管理由不同的主体单位负责。在竣工验收期间，建设期间积累的管理数据需要快速、有效地交接。然而目前铁路工程档案移交方式主要依赖纸质材料，无法保证数据的真实性和可靠性；

(3) 运维管理与建设管理应用所使用的数据结构和数据格式尚未统一，数据多为独立存储与处理，缺乏集成化应用的解决方案；

(4) 在运维管理体系中，工务、电务、供电、客运等专业人员在运维检修、培训等多个应用场景中存在跨专业资料整合和数据可视化等多方面的需求。

2. BIM 应用技术路线

2.1 总体技术路线

在建设阶段，项目明确了以提高工程建设信息化应用水平，全面提升工程建设质量，优化工程施工工期，降低工程建设风险为目标，以“建设单位主导，各参建方协同”的实施组织方式，以铁路BIM联盟标准体系为数据应用基础，以BIM全线全专业应用、分阶段实施为总体思路，以信息化协同平台应用与BIM技术应用双线并行为实施模式，实现项目的信息化协同，通过信息化协同平台打通建设阶段与运维阶段的数据隔阂，实现建设阶段的管理数据与BIM模型数据顺利交付运维的目标，BIM应用技术路线如图1所示。

图1 BIM应用技术路线

同时，将各运维单位的需求前置，基于运维管理实体工程结构对工程建设阶段的BIM模型进行运维交接深化，实现建设阶段与运维阶段数据的双向联动及可视化。BIM交付运维后，进一步融合地理空间信息、数字孪生引擎，应用物联网、北斗等技术与铁路运营、养护、维修等数据进行集成，进而实现基于BIM全生命周期数据的运维阶段管理应用。

2.2 BIM标准建设

铁路建设阶段到运维阶段之间的数据交接仍未做到平滑过渡和无损传递，同时存在信息孤岛、系统独立部署、数据多是独立存储和处理等问题，需要统筹加强信息流的无损正向传输和反馈优化机制，从而实现基于过程流管理的全生命周期信息流规范管理，即实现过程流和信息流的深度融合管理机制。“模数驱动”强调运用BIM等先进智能技术实现高铁设计、施工、运营全生命周期数据贯通，通过规范BIM存储结构、语义定义、信息传递和开放式数据存储，实现模型数据一体化，为数据全过程无损传输、强化高铁建设运营管理系统内部要素信息交互、推动系统整体功能大幅提升提供基础。

在鲁南高铁曲菏兰段工程建设初期，为实现工程项目建设运维一体化实施要求，提升工程信息化应用水平和BIM模型应用价值，统一规范建模标准及规则，依据国家铁路BIM标准、铁路BIM联盟标准，结合项目质量控制点开展BIM技术应用体系研究，编制鲁南高铁曲菏兰段BIM技术应用实施导则、模型创建与交付标准、模型应用技术标准、模型构件创建标准、模型构件分类与编码标准等，以保障鲁南高铁工程建设阶段BIM技术应用的顺利进行。同时，为保障运维阶段项目BIM管理数据的标准化应用，在建设阶段各类标准的基础上，通过引入BIM运维交接模型概念，以高速铁路运维管理对BIM模型数据信息需求为导向，进行运维阶段BIM数据应用标准的深化研究，建立高速铁路BIM模型数据运维交接标准，对BIM模型结构及要素、交付物、交付流程等进行规范。标准具备通用性及扩展性，可以有效地在后续类似工程项目中进行应用和扩展。

2.3 基础应用数据管理

为实现工程项目的数字孪生建设，为运维提供“模实一致”的高质、完整、标准的基础数据，通过在建设阶段参照BIM标准建立工程BIM模型，将编码、里程、施工信息、维保周期等建设及运维阶段所需的属性信息在模型中进行录入，同时利用无人机倾斜摄影技术，进行工程项目GIS数据的获取，为管理平台开展三维可视化应用提供数据支撑，项目无人机倾斜摄影GIS模型数据如图2所示。

图2 无人机倾斜摄影GIS模型数据

2.4 信息化协同平台建设

信息化协同平台以BIM模型及GIS数据为载体，直观展示铁路设备设施信息，集成工程文件管理、图纸管理、BIM模型管理、进度管理、质量管理、安全管理、物资管理及联调联试管理、工务、电务、供电、客运、房建等专业的运维管理应用。

平台使用SpringCloud微服务架构为基础，统一管理运行的应用及组件，总体架构划分为“五横四纵”，“五横”为基础设施层、业务服务层、应用层、展示层及用户层，“四纵”为保障体系、运维体系、安全体系及标准体系。

基础设施层是应用系统运行所依托的软硬件环境，为应用系统提供网络、计算、存储、运行基础环境等条件；业务服务层包括业务组件及技术组件，为平台应用提供能力支撑；应用层是平台应用的主要实现部分，通过接口定义使各模块间进行良好的协作；展示层主要为用户提供界面服务；用户层包括建设单位、设计单位、施工单位、监理单位、运维单位、监管部门等项目各阶段参与方；平台充分考虑信息安全体系、保障体系，平台运维体系，以及数据接口标准规范体系的建设，保障业务模块的稳定运行，信息化协同平台整体架构如图3所示。

图3 信息化协同平台整体架构深江铁路洪奇沥特大桥效果图

平台数据包括基础数据和业务数据。基础数据是平台范围内的共享数据，包含组织机构、管理人员数据及设计阶段、建设阶段、运维阶段的BIM、GIS、设备设施台账等数据。业务数据主要包括建设管理数据、检测监测数据、LKJ数据、生产数据、运行数据、分析数据、原材料数据、工器具数据、应急数据等。通过研究平台业务模块与工程BIM模型构件的耦合关联关系，基于分部分项拆分原则及参考《铁路工程实体结构分解指南》，实现基础数据、业务数据和BIM模型的关联贯通，为BIM+GIS建设运维可视化管理提供数据基础和底层数据逻辑。

3. BIM 建设运维一体化应用

3.1 建设阶段BIM技术应用

在鲁南高铁曲菏兰段连续梁工程施工中，利用BIM技术进行了0#段精细化建模，通过模型优化钢筋及预应力管道间距，辅助施工交底，保障施工质量。连续梁0#段钢筋BIM模型如图4所示。

图4 连续梁0#段钢筋BIM模型

蓼河特大桥跨京沪高铁（56+56）m T构转体施工作为本项目控制工程及重难点工程，通过整合BIM模型与现场无人机采集的倾斜摄影GIS模型，对施工现场及铁路营业线进行数字化还原，对施工工艺工序进行虚拟仿真，提前验证施工方案的可行性及可靠性，保障营业线施工安全。本工点BIM+GIS模型如图5所示。

图 5 跨营业线 T 构转体 BIM+GIS 模型

站场工程施工环境复杂，存在多家施工单位交叉施工的情况，站前工程、四电工程及站房工程各专业接口需要统一管理与协调，接口的工程界面和施工技术措施需要逐步细化。本项目通过将站场工程各专业BIM模型进行精细化整合，利用BIM碰撞检查及时快速发现施工存在的接口问题，提高各参建单位的沟通效率，为建设管理提供施工组织和安全质量管理的有效手段。多专业整合的站场工程BIM模型如图6所示。

图6 站场工程BIM模型

四电工程BIM应用中，通过对四电专业与站前、房建专业接口进行质量控制优先级排序，利用BIM可视化优势进行接触网基础预留预埋优化、接触网与CPⅢ桩碰撞检查、道岔区域精细化建模、室内电缆支架优化、室内盘柜位置优化、专业机柜等设备的放置及所需线缆的排布和方案优化。牵引变电所及接触网BIM模型如图7所示。

图 7 牵引变电所、接触网工程 BIM 模型

站房工程基于BIM技术，在施工场布优化、机电综合管线优化设计、站房钢结构深化设计、文化元素深化设计、客服信息设备设施深化设计、站台铺砖排布、站场区域接口深化及工程量统计、可视化交底、工艺工序仿真等方面得到了良好的应用。菏泽东站钢结构深化BIM模型如图8所示。

图8 菏泽东站钢结构BIM模型

3.2 BIM运维模型深化

BIM模型作为项目建设运维一体化应用重要的基础数据，是从建设向运维过渡的“桥梁”。随着建设阶段对BIM模型的不断深化，模型根据建设管理需求已按分部分项划分原则进行拆分，模型的属性信息包含IFD编码、EBS编码、基本信息、定位信息、施工标段、设计里程等数据，形成了完整、规范的BIM基础数据。

由于工程建设与运维管理存在着组织分解结构差异、工程结构分解差异、工作分解结构差异、工程结构编码体系差异、线路设备里程体系差异等，项目在竣工交接阶段以运维需求为导向，以运维交接标准为依据，在竣工BIM模型基础上进行了重构，从BIM模型属性信息上补强了高速铁路设备运维管理技术参数、从信息化协同平台服务上实现了建维数据的双向联动，以BIM为载体形成了工程全生命周期基础数据。如图9所示，根据运维阶段应用需求，将建设阶段机柜BIM模型进行运维深化，完善机柜内部设备及线缆构件。

图9 机柜BIM模型深化

3.3 信息化协同平台应用

针对鲁南高铁曲菏兰段工程建设与运维阶段的现状及特点，按照全阶段策划，分阶段实施的原则，划分建设管理及运维管理两大基础应用模块。平台以BIM+GIS数据为载体，实现建设与运维阶段数据流与信息流的打通。

（ 1 ）建设管理应用

在建设管理应用中，功能模块皆在满足施工生产为主的业务需求，包括以下几个方面。

BIM模型管理：平台支持对BIM模型的轻量化处理，通过轻量化BIM模型，可以直观查看模型几何结构及模型的构件属性信息，同时，BIM模型支持与平台其他业务功能进行挂接。

进度管理：通过将施工EBS编码与BIM模型构件相关联，以工序报验为驱动，融合GIS、大数据等技术，实现进度数据的自动统计及分析，生成进度可视化管理模型，助力管理者直观快速掌握现场进度信息，如图10所示。

图10 协同平台进度管理模块界面

质量安全管理：通过平台质量、安全管理模块，对施工生产的人、物、环境的行为和状态进行管控，管理过程数据通过安全质量问题库和隐患排查库进行闭环管理，同时与BIM+GIS模型关联，定位问题所在位置及构件部位，为施工现场质量及安全管理提供快速、直观的决策依据，如图11所示。

图11 协同平台质量管理模块界面

物资管理：利用平台进行工程物资信息及物资审批流程的全面管控，做到有据可查，有责可追，同时物资管理信息在平台中可以快速与BIM模型构件进行关联。

地形沉降监测：针对工程地处地面沉降变形带边缘的问题，控制地下水开采对工程路基沉降的影响，在平台GIS地图中快速、直观、智能查阅沿线各个水井位置、巡检情况、抽水情况及封闭状态，及时进行水井监测问题的预警及报警，同时平台通过接口开发实现了对外部地形监测平台监测点位及监测数据的共享，如图12所示。

图12 协同平台地形检测管理模块界面

通过项目建设管理功能模块的应用，有效提高了工程建设管理协同效率，同时将运维阶段的需求进行前置，积累的施工管理数据为运维阶段设备设施资产管理建立数据基础。

（2）运维阶段应用

在运维管理应用中，施工阶段的管理数据可以被继承并应用到静态验收、联调联试及竣工交付后的运维管理过程中，运维管理主要的功能模块包括以下几个方面。

运维管理大屏：为满足运维多专业协同办公的需求，平台通过大屏直观显示运维巡检、视频监控、设备监控、BIM+GIS等各业务模块管理数据，通过多维度、多层次的数据分析和统计，有效提高运维管理的工作效率，如图13所示。

图13 协同平台运维管理驾驶舱界面

联调联试管理：通过平台实现了对联调联试列车信息的维护，直观显示联调联试试验列车的位置，掌握试验列车实时动态信息，对联调联试问题进行电子化整改及销号闭环等功能。

资产管理：通过对建设管理模块积累的工程基础数据进行筛选，同时对筛选后的数据进行完善及整合，形成运维管理阶段的BIM可视化资产管理基础台账功能。

结合部管理：为满足高速铁路行车设备管理结合部对工务、电务、供电、房建等专业设备资产数据和维修管理生产信息的集中统一管理需求，平台按铁路结合部管理分工、管理界面要求，通过对BIM运维交接模型进行结合部拆分，在竣工交付阶段利用BIM可视化管理手段进行快速、高效的铁路设备结合部管理。

巡检管理：在定期巡检和故障维修管理中，利用BIM模型对故障位置进行快速定位，平台支持对设备基础信息台账、施工图、施工数据及维修巡检记录的快速查阅及巡检过程数据的快速上传，同时建立巡检问题库对闭环后的设备维修过程进行统一归档与管理，为运维大数据建设提供基础，如图14所示。

图14 协同平台巡检管理界面

通过运维管理功能模块的应用，为工程BIM数据接收、归档、应用提供技术支撑，为各专业运维人员提供协同办公环境，为提高铁路设备运维效率及各专业数据信息共享创造条件。

4. 总结

在铁路建设信息化快速发展的背景下，实现铁路建设和运维一体化管理已成为必然趋势。研究表明，BIM技术应用在提高铁路建设效率和质量、优化铁路运维管理流程、实现多阶段信息共享和协同等方面具有极大的作用和价值。从工程全生命周期管理理念出发，通过在鲁南高铁曲菏兰段工程项目中进行建设运维一体化应用研究，取得良好的应用效果。本项目应用成果总结如下。

（1）解决了BIM技术由铁路建设阶段向运维阶段应用转化的瓶颈问题。通过高速铁路BIM运维交接标准，明确铁路18个专业的运维模型单元交付几何信息、几何表达精度和信息深度要求，实现铁路BIM数据由建设阶段到运维阶段之间的平滑过渡和无损传递，为运维阶段BIM应用的深入开展奠定了基础。

（2）实现了BIM数据资源整合和多阶段共享及协同应用。通过信息化协同平台的建设，将建设期间积累的BIM模型和相关管理数据直接用于运维管理，减少信息传递的错误和耗时，提高数据的真实性和可靠性。同时，使项目各参与方在同一个模型中进行交流、协调和决策，减少沟通和协作成本，提高工程管理效率。平台提供标准化的数据结构和格式，使各个专业的数据可以进行统一管理和集成应用，运维管理人员可利用平台快速、直观查询相关设备的基础信息，协同运用多专业数据信息对本专业设备进行全流程管理，极大提高了设备管理效率和运营可靠性。

（3）有效提高了高速铁路运维智能化水平。一方面，与既有检测、管理系统融合，通过一个平台实现了对不同专业设备状态、现场作业的实时管理、预警提示，提升了管理效能。另一方面，通过GIS和北斗技术深化应用，实现了现场应急处置路径优化、联调联试列车运行动态掌握、人员机具实时管控，提升了高速铁路应急处置和安全管控能力。此外还通过巡检、问题库流程管控与优化，实现了从工作计划、实施、验收到问题发现、整改、销号的全流程管理，提升了铁路运维管理标准化水平。