许铮铭
上海市地下空间设计研究总院有限公司 上海 200020
摘要：依托北横通道工程建设，以工程全生命周期协同管理的角度，提出以GIS和BIM三维空间模型为载体，将工程全生命周期的过程信息整合在一起，建立工程协同管理平台，通过信息化建设助力城市市政道路工程的全生命周期协同管理。
关键词：城市道路；BIM；信息化
引言
BIM的全称是建筑信息模型（Building Information Modeling），它以建筑工程项目的各项相关信息数据作为模型的基础，进行建筑模型的建立，通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息，从而实现可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图性等多项功能。BIM思想产生于20世纪70年代，受制造业启发，借鉴制造业成果，随着大规模工程建设发展，取得巨大进步。2002年，BIM的概念第一次被提出，目前BIM技术正引发建筑行业一次史无前例的变革，尤其是近十年来，BIM技术得到了较快发展，建筑业炙手可热的新名词、新概念、新技术和新方法。
近两年来随着建筑业信息化的快速发展，BIM技术受到业内广泛关注。BIM的应用是一种过程，它是通过开发、使用和传递建设项目的模型信息以提高项目的设计、施工和运营管理。BIM实际上是以三维模型为信息载体对全生命周期中所有信息进行集成和管理，以减少项目管理及运营成本。因此，基于BIM技术的协同管理平台的研究逐步引起学者的重视。
1 研究背景及意义
1.1 项目背景
北横通道新建工程是贯穿上海市北部中心城区的东西向的城市主干道，是上海市中心城区“三横三纵”骨架性主干路网的组成部分，沿途经过长宁区、普陀区、静安区、黄浦区、虹口区、杨浦区共6个行政区。工程范围西起北虹路，东至内江路，全线经长宁路~光复西路~苏州河~余姚路~新会路~天目西路~天目中路~海宁路~周家嘴路，向西衔接北翟快速路，向东接周家嘴路越江隧道，全长约19.1km。
城市道路工程与其他建设工程相比，具有工程体量大、投资高、周期长、影响范围广、专业多、对周边环境影响大、施工组织复杂、工程目标要求高、事关国计民生等特点，给城市道路建设管理带来了巨大挑战。北横通道是其典型代表，总投资近300亿，全线贯穿上海中心城北部地区，由桥梁、隧道、地面道路多种工程类型组成，工程沿线穿越多条轨道交通线、高架、桥梁、河流及其他建构筑物，是名副其实的特大型城市道路工程。工程具有参与方众多，信息交互量大、外部接口多，项目组织管理、技术难度与质量要求非常高，项目管理的复杂度和协调难度很大等特点，亟需通过BIM全生命周期协同管理平台实现建筑生命期精细化管理，对工程性能、质量、安全、进度和成本的集成化管理，推动建设工程精细化、集约化管理，打通各阶段、各专业和各参与方之间的信息传递，实现建设项目管理信息化。
1.2 研究意义
为北横通道工程提供三维可视化信息模型、动态建设管理及全生命期的信息管理平台，在工程建设阶段，可提高工程效率、减少失误、节省资源，使BIM环节的各利益参与方都能获益。更为重要的是，可合理降低和有效控制工程建设整体投资，为运维阶段提供一套完整的数字资产，便于在运维管理过程中对各个构件信息的快速查询与筛选，在中长期运维期产生的经济效益巨大。
可推动BIM技术在市政工程建设中的应用与发展，对未来城市市政基础设施建设水平的提高产生积极的影响；同时，基于BIM技术的工程建设全生命周期管理，将为政府主管部门提供管理上的便利，为智慧城市提供基础数据，其总体社会效益十分显著。
2 平台需求分析
2.1 BIM技术应用需求
为了提高北横通道工程项目管理水平，北横通道工程建设中全线采用BIM技术，发挥其可视化、虚拟化、协同管理、成本和进度控制等优势。
北横通道工程全线进行BIM协同管理的难点如下：
1）多软件和模型格式数据整合
北横通道主体模型有设计和施工方选用3家软件公司6种建模软件，模型格式见表2.1，这为北横通道整个工程的模型统一和共享带来了困难，需要采用平台将各种格式的模型整合后进行管理。
表1 北横通道工程BIM模型格式汇总表
2）体量大BIM模型，基于web交付难度大
北横通道工程的主体模型的数据量约为10G，周围环境的模型数据约为20G，近30G的大体量BIM模型的轻量化和优化的工作难度大，因此需要开发相应的数据接口，并应对大体量模型在线高速展示技术进行研究，提升用户体验。
2.2 业务流程分析
2.2.1 现有业务流程
目前的市政工程建设一般采用DBB模式，业主与设计方、施工方分别签订合同，一般由业主委托设计单位对工程项目进行设计，在施工详细设计完成后，进行施工招标进行工程建设。项目施工过程中，业主请监理单位对工程进行监督，确保施工方按照设计图纸和技术要求施工。同时，业主设立规划前期部、合约部、技术管理部、质量安全管理部、工程部等部门分别管理项目的前期设计招标和初步设计、合同、投资控制、施工图设计、施工方案、质量、安全等，该模式下设计和施工脱离，设计变更较多，同时对业主的管理和技术能力要求都很高，业主各部门的也存在信息不统一和不对称问题。
传统管理组织模式中，建设工程的决策、设计、施工和运维阶段独立运行，工程业主方、设计方、施工方和运维方都有自己独立的一个或者多个项目管理系统，如工程投标报价系统、建筑工程概预算系统、施工管理系统、成本控制系统、合同管理系统等。各系统之间相互隔离，因此各方信息存在着极大的浪费和冗余。项目规划和建设阶段生成的许多对运维管理有价值的信息不能在运营阶段被直接、准确地使用，造成很大的资源浪费，不利于项目总体目标的实现。
各参与单位之间的协同工作采用线下方式进行，市场上还没有成熟适用于市政工程的项目协同管理平台出现，很难对不同阶段的信息系统进行统一的管理和控制，信息标准性差。信息传递方式为点对点传递（见图2.3），导致沟通效率低，各方信息无法及时更新和同步，信息的有效性和可靠性差。
2.2.2 建设信息系统后拟实现的新业务流程
基于BIM的工程项目协同管理信息系统上线后，业主、设计方、施工方、监理方、运维方等多用户能够通过该系统实现信息的共享和协同管理。在新的信息化平台建设中，信息系统将整合各类业务以及实现联合工作，同时在信息系统建设之后形成一系列标准，实现信息的标准化。
新的信息系统满足不同用户的需求，解决“信息孤岛”、“应用孤岛”和“资源孤岛”三大难题。并为后续业务的建设预留接口，对原有业务流程的优化主要体现在以下几个方面：
3）信息传递由点对点变为集中共享模式。
基于BIM技术的信息管理模式将极大地打破现有工程项目管理中的屏障，集成工程项目各阶段、各关键指标、各组织、各专业、各项目的信息融合，确保信息的准确性、实时性、有效性和标准化。工程招标阶段，施工方信息与设计方信息能够双向传递，并且施工方信息直接在业主方呈现；施工阶段，通过统一的模型展示，使各参与方同步了解工程进度与变更，进行进度、质量、安全和成本的协同管理。通过协同信息管理平台，将工程全生命周期的信息集成管理，实现信息传递过程记录的完整性和可追溯性，见图2。
（a）传统的点对点模式 （b）集中共享模式
图2 信息传递模式优化
4）信息流程由离散变为无缝连接。
传统的信息管理模式中，信息存在极大的浪费和冗余现象。在传递过程中，信息不断流失，且交换效率低下，无法从全局的角度进行优化，并严重影响了信息的有效性。基于BIM 技术的信息管理模式，将建设全生命期、全方位的信息连续打通和无缝连接，整合了离散的信息流程，避免了信息的歧义和不一致，减少了信息总量，实现多元信息的标准化和有效共享，见图3。
图3 基于BIM的信息量与传统的信息量比较
5）实现信息化、可视化的多方协同管理。
信息协同管理平台提供了一个建筑工程全生命周期信息集成管理环境，为项目各方建设主体提供了一个三维的可视化BIM建筑信息模型，项目设计、建造、运营过程中的沟通、讨论都在可视化的状态下进行，能够随时随地直观快速地将施工计划与实际进展进行对比，同时进行有效协同。施工方、监理方、甚至非工程行业出身的业主领导都可对工程项目的各种问题和情况了如指掌。同时在项目竣工时形成一个包括设计、施工信息的竣工模型，业主或政府的市政管理部门可将竣工模型信息用于后续运维管理，见图4。
2.3 功能需求分析
依托北横通道工程背景，为了实现新的业务流程中信息集中共享、无缝连接和信息化、可视化的多方协同管理等业务需求，拟建系统所具备的各项功能如下：
图4 基于BIM的工程项目信息协同管理模式
2.3.1信息交换中心
1）数据整合
北横通道工程数据源、数据格式繁多，项目数据不仅有城市地形GIS数据、BIM模型数据、工程信息数据等外部数据，还包含了第三方监测信息、业主内部管理信息等关联信息；而数据格式不仅包括文档、工程数据等格式，还包括了视频影音、图像等格式。需一定的数据交互协议，将项目所需数据进行转换和整合，保证数据的可调用性、可传递性和完整性，并提高数据的利用率。
2）数据存储
北横通道工程的项目管理是针对全生命周期进行的，为保证工程各阶段信息的可追溯性，需一个足够大的数据存储中心，将项目实施的各阶段数据和信息分类存储，依照项目数据来源，可分为城市公共服务信息库、GIS数据库、BIM模型数据库、工程数据库以及文档视频库，方便后期数据的调用和查询。
3）数据调用
具备高效调用数据的能力，使得对工程信息进行可视化展示，建设各阶段可协同工作，并能保证各个系统、各个专业、各个岗位的人员都可以方便的查询、使用信息，进行线上沟通和反馈。
2.3.2项目管理功能
1）可视化的管理
以BIM模型为中心，以工程信息为支撑，通过生动形象的方式全面展示和模拟项目的现有状态和未来趋势，以便于快速发现项目存在的问题、洞察可能发生的问题、比较各种方案的优劣、在构件级模型与用户的互动和反馈中，为管理提供支持。
在方案设计阶段，项目参与人员能通过施工方案三维动态模拟，对现有方案进行审核或优选方案进行比较，发现可能存在遗漏、错误、冲突的问题，分析各工序之间的协调性和工序组织关系的合理性，比对各种方案的成本，发现方案中存在的不安全因素，实现方案的调整和优化。在工程监管阶段，项目参与人员能通过可视化的模型快速观察到工程质量薄弱部件或监测信息超限等风险点的位置，进行隐患快速定位和分析；在应急预案设计阶段，项目参与人员能通过模拟可能出现的事故以及事故处置手段对施工人员、工程本体和周边环境的影响，为制定合理的预案提供帮助。
2）移动化的管理
针对北横通道工程体量大、场地分散等不利因素，充分利用移动社交平台的快速、方便、灵活的特点，开展基于微平台的工程信息发布、沟通与讨论，提升项目管理的效率。
项目参与人员能够通过手机、平板等各种移动设备随时随地的将有关工程的问题以文字、声音、图片和视频的形式分享于相关人员，进行在线讨论，实现实时沟通和信息共享。
3 平台总体架构
特大型城市道路工程基于BIM全生命周期协同管理平台，以GIS模型和BIM模型为基础的三维空间模型为载体，将工程全生命周期的过程信息融合在一起，通过信息传递和交换中心，打破工程中不同阶段、不同专业、不同角色之间的信息沟通的壁垒，实现信息的准确传递。以此为基础，建立工程协同管理的平台，围绕规划期、设计期、施工期、运维期的核心管理目标，使管理人员能够通过快速、形象、便捷的信息入口，进行工程全生命周期协同管理和智慧决策，改变市政行业传统管理模式，提升市政工程的质量。项目的整体框架如图5所示：
图5 系统整体框架图
北横通道工程全生命周期涉及单位众多，原始信息呈现出多源、高维、异构的显著特征；项目全生命周期时间跨度长，仅建设期就要5年，运维时间将长达百年，大数据特征明显；同时，动态高维的信息和错综复杂的关联关系，对有效的工程管理与决策带来了挑战。
系统提供了web门户和移动APP门户两种方式，适用于PC、笔记、平板和手机等不同终端接入设备。
整个系统分为工程可视化信息展示门户网站、工程设计协同管理决策系统、工程建设协同管理决策系统、工程运维管理决策系统和微信息沟通APP五个子系统，系统功能图见图6所示：
图6 系统功能图
4 结语
特大型城市道路工程基于BIM全生命周期协同管理平台以北横通道工程建设为背景，结合BIM、GIS、Web等技术，实现各参与方的协同交流、信息共享，实现对进度、成本、质量安全的动态掌控，实现可视化、移动化管理，为管理和决策提供帮助，提升北横通道工程的精细化管理水平，提高工程管理和决策效率，减少返工浪费，建立一套市政工程建设可复制、可推广的成套BIM应用和信息管理体系。
参考文献：
[1]陈锋. 基于BIM技术的项目协同管理平台的实践[J]. 中国住宅设施，2017，02：62-64.
[2]李犁，邓雪原.基于BIM 技术的建筑信息平台的构建[J]. 土木建筑工程信息技术，2012，02：25-29.
基金项目：本论文获得上海市科学技术委员会科研项目《中心城区地下道路建设大数据辅助决策及全寿命信息平台研究》（编号：15DZ1203806）资助。
论文作者:许铮铭
论文发表刊物:《防护工程》2018年第9期
论文发表时间:2018/9/7
标签：信息论文; 工程论文; 模型论文; 项目论文; 数据论文; 生命周期论文; 通道论文; 《防护工程》2018年第9期论文;