蔡 蔚

（上海轨道交通十三号线发展有限公司，200070，上海∥高级工程师）

0 概述

建筑信息模型（Building Information Modeling，简为BIM），是在计算机辅助设计技术基础上发展起来的三维信息集成技术，是对工程物理信息和功能信息的数字化承载和可视化表达。美国国家标准NBIMS对BIM的定义分为3个部分：BIM是一个设施（建设项目）物理和功能特性的数字表达；BIM是一个共享的知识资源，是一个分享有关这个设施的信息，为该设施从建设到拆除的全生命周期中的所有决策提供可靠依据的过程；在项目不同的阶段，不同利益相关方通过在BIM中插入、提取、更新和修改信息，以支持和反映其各自职责的协同作业。

在我国，BIM技术早期只是应用于一些大型标志性建筑项目，除应用于上海最高的摩天大楼“上海中心”外，在上海世博会的一些场馆也有所应用。2011年5月，住房和城乡建设部发布的《2011—2015建筑业信息化发展纲要》中明确指出：“推进BIM技术从设计阶段向施工阶段的应用延伸，降低信息传递过程中的衰减；研究基于BIM技术的4D项目管理信息系统在大型复杂工程施工过程中的应用，实现对建筑工程有效的可视化管理”等。可以说，该纲要的颁布拉开了BIM技术在我国建筑行业全面推进的序幕。

2011年底，BIM技术在上海轨道交通13号线一期工程中开始尝试性应用。其最初目的在于辅助解决车站设备安装过程中的“错、漏、碰、缺”问题。此技术得到有效验证后，开始应用于城市轨道交通项目管理的全过程。2012年底，上海轨道交通13号线一期工程西段通车时全线已经建立了完备的BIM模型。在上海轨道交通新一轮项目建设中，建设单位正在对BIM技术进行全面推广和开发，希望能在3D模型的基础上加载更多有效的管理信息和措施，并更好地服务于工程筹划、投资控制、施工组织、设备维护等领域。

1 BIM技术在城市轨道交通项目管理中的应用

1.1 动态筹划及资源管理

工程筹划是城市轨道交通项目管理中最为重要的环节之一。常规的筹划采用横道图或者网络图等二维平面方法表达，无法详尽地表达构件的空间信息以及具体构件在施工上的逻辑关系。BIM技术的出现解决了工程的三维可视化问题，在3D模型中可根据每个工序的施工周期为每个构件赋予时间参数，将每个构件的施工起止时间及持续时间作为属性与模型关联；在此基础上赋予每个构件与先导工序和后续工序的逻辑关系，进而形成4D建筑信息模型。利用4D建筑信息模型可以对施工方案进行实时、交互的虚拟建造（Virtual Construction），进而对已有的施工方案进行校核和优化，避免和减少返工以及资源浪费的现象。相对于传统的施工筹划编制方法而言，此法更加精准有效。图1为某车站虚拟建造示意图。

图1 某车站虚拟建造示意图

4D建筑信息模型的另一个重要用途是进行施工资源的动态管理。在既有的4D建筑信息模型的基础上，自动计算各个时间节点的工程量，并将施工方案中的人员、设备材料与工程量相关联。根据动态工程筹划，可以给出施工资源需求的历时曲线，进度计划中任意时间节点的施工资源需求量也都可以自动生成。在施工过程中，项目管理人员可以清楚地掌握项目各阶段的资源用量以及累计资源用量，合理制定施工人员使用安排、材料资源采购和进场等事项。图2为某车站各阶段的混凝土用量以及累计混凝土用量时程曲线。

图2 某车站各阶段的混凝土用量以及累计混凝土用量时程曲线

1.2 投资控制

BIM技术同样可以为项目投资控制提供有效的手段。相对于以往的造价分析工作而言，其在工程量计算方面有着无可替代的强大功能。BIM模型中主要包含构件的几何信息，通过添加构件的物理信息，如材质（混凝土标号、钢筋等级等），并对构件按照招标清单进行分类，即可实现对构件的工程量计算。通过计算每一个构件的工程量，然后对所有构件的工程量进行汇总即可得到最终的工程量。因此，对于最终的工程量清单中的每一项工程量，都可以追溯到BIM模型中的每一个构件。预算人员可以清楚地知道每一项工程量的来源，并能在三维模型中找到对应的构件，从而对工程量的计算进行校核，能大大提高工程量计算的精度，从而降低投资控制的风险。通过将BIM技术的工程量计算与工程施工进度计划进行关联，可实时计算工程量。一旦工程发生变更，模型将自动重新生成新的工程量清单，改变了传统方法中在投资控制决策之后才能算出工程量的缺点，在施工实施之前就能计算出工程量，因而可以作为投资控制的决策依据。在实际应用中，还能对从招投标阶段开始一直到工程竣工的全过程进行投资控制，将任意时间节点的工程造价与招投标阶段的投资目标进行对比，必要时采取相应的工程措施，将工程造价控制在投资上限以内，降低工程投资的风险。

在上海轨道交通13线某车站从招投标到工程竣工的整个过程中，将BIM技术引入到了车站的投资控制管理中，解决了工程量的精准计算、工程量可溯源、动态投资控制等问题；对于施工过程中的任何工程变更都能在施工前完成评估，并做出相应的投资决策，将工程造价始终控制在投资目标上限以内，大大降低了投资风险。图3为该车站工程造价与投资目标随时间变化的对照图。图3的两条曲线中，较细的虚线表示不同阶段的投资目标值，较粗的线表示不同阶段车站的工程造价。图3下方是上方时间节点相应的工程量统计，相关管理人员可以据此进行投资控制。

图3 某车站工程造价与投资目标对照图

1.3 流程再造

据统计，在我国现阶段建筑施工中大约70%的“碰撞错误”都源于设计方面的疏忽，而这些错误一般是到了施工或后续阶段才被发现并进行修正。如此一来就造成了建筑资源的大量浪费。究其原因，主要是因为缺乏有效的检验手段，仅以检查图纸是否合理来确定其实施可行性如何。城市轨道交通工程中，在车站狭小的空间内同时分布有十几个系统，而在图纸上各个系统又单独成图，仅以系统接口提资的方式与其余系统协调，并在此基础上进行系统综合。因此，基于平面图纸的设计协同缺陷成为系统“错、漏、碰、缺”的主要来源。目前，在城市轨道交通工程的施工阶段，工程人员往往直接按照施工图进行施工；如在施工过程中碰到冲突即停下来修改方案，然后再返工。这会造成资源浪费、工期拖延和成本增加等问题。

利用BIM技术，可以对传统的管理工作进行流程再造。如图4所示，在设计单位施工图出图到正式施工之前，BIM咨询单位依据施工图纸进行建模，此后由设计、施工、监理各方共同参与，进行虚拟建造、虚拟验收，并据此对施工方案进行修改，直至施工方案达到最优，最后编制详细的施工组织计划进行正式施工。以上正式施工之前的一系列工作均在模型中完成，将施工中可能出现的问题提前暴露并予以解决，以大大降低正式施工时出现问题的可能性，从而节约成本、缩短工期。在上海市轨道交通13号线自然博物馆站的施工中，基于BIM技术进行流程再造，不断地优化施工方案，最终将计划需要12个月完成的工作量在8个月内就提前完成，大幅降低了成本。

图4 车站施工流程再造框架图

1.4 全生命周期设备维护

伴随着上海轨道交通13号线一期西段工程于2012年底建成通车，又开始了基于BIM技术的全生命周期数字化设备维护平台的探索和建设。基于BIM系统平台基础上针对城市轨道交通资产设备维保需求进行二次开发，建立数字化城市轨道交通设施维护管理平台，对于提高城市轨道交通设备维护管理水平、建立全生命周期的城市轨道交通维保体系具有重要意义。

首先，在竣工模型的基础上，根据既有的轨道交通资产管理规范进行二次开发，将轨道交通资产管理信息与模型信息相关联，可以在模型中查询产品状态、图纸信息、维养信息等，建立数字化的资产信息平台。在此基础上，通过模糊搜索技术，还可进一步研究各类资产设备的三维可视化搜索定位、信息即时查询、与现有管理系统的数据接口研究，实现智能化的资产管理。

其次，结合运营维护需求对既有的工务、通信信号、供电等专业分公司的流程进行梳理，在数字化管理平台中嵌入各设备的维护需求，通过多种方式对维护任务预先提示，定期生成维护清单并通过多种方式下发。在此基础上，可以建立设施设备的维护记录档案（病历卡），将现场的维修照片、视频及语音文字等与设备相关联，实现设施设备的全生命周期的维护记录可视化管理。

2 结语

综上所述，无论是建设实施过程中的动态筹划、资源管理、投资控制和流程再造，还是项目全生命周期的资产管理和设备维护，BIM技术在城市轨道交通项目管理的多个领域都开始取得显著的成效，具有广泛的应用前景。笔者认为，BIM技术在为城市轨道交通项目管理工作提供新型信息化手段的同时，更为重要的是为城市轨道交通项目管理创新创造了新的机遇。伴随着BIM技术在城市轨道交通项目管理工作中的进一步应用与探索，在项目管理实践中还需重点推进落实两个方面的工作。

（1）开展BIM技术的应用标准研究。就BIM技术来说，首要的问题是建模，而建模就必须要解决好BIM技术的应用标准问题。简单地说，BIM技术应用标准可以归纳为两个层面：一是面向用户的交付标准，就城市轨道交通来说就是符合城市轨道交通全生命周期项目管理需求的数据粒度和信息内容，包括构件单元、设施设备和相应的维修养护数据；二是面向设计协同的数据交换标准，就城市轨道交通而言涉及到不同设计阶段和不同专业的数据标准和接口，包括在不同的设计单位间如何建立统一的族群单元交互平台，以及如何在该平台上重塑设计流程以实现真正意义上的3D协同设计。该项工作目前仍在研究探索中。清华大学牵头的课题中也在进行类似的研究工作。上海轨道交通13号线一期西段工程的探索实践是在各家设计单位提供的二维图纸基础上重新建立BIM模型，然后基于BIM技术进行二次开发以实现前述的项目管理功能。目前的这一应用水平，距离BIM技术研发的初衷还有相当的差距。因此，要加快推进城市轨道交通项目管理中的BIM技术应用标准研究工作，从设计源头突破BIM技术应用实践中的协同性和功能性的瓶颈，从根本上解决BIM技术的可操作性和适用性问题。

（2）从3D向ND拓展。这一提法是由中国建筑学会工程管理研究分会理事长丁烈云先生在2012年的“城市发展与工程管理——转型·变革·创新”国际学术研讨会上提出的。按照丁先生的提法，中国的BIM技术应用还有很大的空间待挖掘，BIM技术应用就是3D到ND的过程，而实现ND的关键则在于构建相应的管理模型。总体上看，在城市轨道交通领域，BIM技术从3D向ND拓展可以从建设管理和运营管理两个方面进行。在建设管理方面，可以探索动态筹划、资源管理、投资控制和流程再造等维度；在运营管理方面，可以探索资产管理、设备维护、灾情模拟、应急疏散、能耗分析等维度。根据BIM技术在城市轨道交通项目管理中的实践，笔者认为：BIM技术的实现基础是3D数据模型，本质是城市轨道交通工程项目的数字化；从3D向ND拓展就是基于数字化模型的管理能力开发，每一个维度的建设都是BIM技术强大的内含功能的释放。这也正是BIM技术的价值和魅力所在。

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