基于BIM+GIS技术的铁路工程管理系统研发与应用

石硕，倪苇

（中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043）

1 概述

目前，我国铁路工程建设领域大力发展BIM+GIS技术，两者在概念与技术上的有效结合可以提高铁路规划、建设、运维全生命周期资源管理的质量，大量试点项目和推广应用取得了显著的成效和宝贵的经验［1-3］。

铁路工程项目是一个复杂的系统工程，其技术要求高、建设速度快、周期长、专业多、工程规模大，并具有地域广、跨度大、线状分布、施工复杂的特点，传统工程管理模式无法满足多维信息共享传递的需求，是主要以人工为主的粗放型管理方式，对施工建设过程的管理精细化程度不高，未充分利用BIM、物联网、激光测绘、3D GIS等技术，无法实时查看施工现场的进度，缺少发现问题及时反馈的机制。因此，开发基于BIM+GIS的新型铁路工程管理模式具有重要的工程意义。

BIM技术的核心在于解决铁路工程项目实施过程中的数据管理与共享问题，减少冗余投资、资源浪费。BIM模型是智能化的3D模型，不仅使工程建设参与人员更直观、便捷地获取模型所承载的设计信息，同时负责全生命周期不同阶段的数据资源传递，是对铁路工程对象的完整描述。但是BIM模型存在多尺度表达、一致性和统一管理等问题，GIS作为描述地上、地下空间的信息科学，更善于进行空间分析、时空可视化表达和地形建模，可以快速高效地获取大范围时空信息并建立三维场景模型，与BIM技术形成优势互补，满足各部门工作人员对宏观和微观信息的把控［4-8］。BIM与GIS的深度融合可以为铁路工程建设项目管理提供新技术手段，提高信息共享水平与传递效率、节约成本、缩短工期，促进铁路工程管理向标准化、信息化、智能化发展。

2 总体框架

基于BIM+GIS技术的铁路工程管理系统采用微服务模式搭建系统框架，基于“标准流程+三维场景”的理念进行设计，分离每项独立业务功能，提供铁路项目全过程工程管理的通用服务模块。区别于传统SOA模式的系统架构，微服务具有高并发、高可用性、自由伸缩、负载均衡和故障转移等特点，SOA模式与微服务模式的GIS服务对比见表1。

表1 SOA模式和微服务模式的GIS服务对比

2.1 系统架构设计

系统充分发挥BIM+GIS的优势，形成了以全过程为主线、以BIM模型为触点、以空间位置为检索目标的技术路线和方法，从检验批逆向思考，将工程施工过程中的质量、安全、进度、人员、成本、物资等信息与BIM模型构件、GIS场景、空间位置进行动态关联，实现基于空间位置信息的BIM模型服务，从而提高建设施工的过程管控质量，节省人力、物力资源，具有跨平台、无插件、多尺度、高精度等特点。

系统架构分为用户层、服务接入层、前端呈现层、缓冲层、微服务层、数据支撑层和基础设施层（见图1）。其中，用户层即终端应用层，表示不同的访问方式和所使用的设备；服务接入层负责承载大量的网络请求并进行负载均衡，同时实现资源隔离与统一认证；呈现层主要负责前端页面的展示和用户的交互，采用前后端分离技术，基于Vue+ElementUI实现页面设计；缓冲层通过Redis实现对动静态资源的缓存，提高访问效率和用户体验；微服务层是对业务逻辑独立化的封装，每个服务都是独立部署的功能模块，主要包括计划进度服务、物资管理服务、质量服务、安全服务、文件管理服务等；数据支撑层包括关系、非关系型数据库及文件存储系统，负责响应服务层对数据的请求；基础设施层主要包括软硬件环境及虚拟化的Docker存储容器。

图1 系统架构

2.2 系统功能设计

通过建立细化的BIM施工模型，将BIM模型的结构、属性进行解析与重构，按照单位工程、分部分项工程的方式对BIM模型的逻辑层级关系进行重组，形成便于使用和分析的工程结构树，通过BIM工程结构树将构筑物及其施工现场3D模型与施工进度、施工资源、物料管控、安全质量、场地布置、成本变化等信息链接集成一体，实现基于BIM的施工进度、人员、材料、设备、成本、安全、质量等进行动态集成管理及施工过程可视化模拟，从而提高施工效率和水平，保障工程质量。系统根据通用的业务功能进行划分，形成7大独立服务模块，主要包含质量管理、安全管理、进度计划、物资管理、技术管理、BIM中心、系统管理（见图2）。

图2 系统功能设计

2.2.1 质量安全管理服务

质量安全管理服务采用物联网与LBS技术对施工现场进行数据采集与问题地点定位，将这些数据进行数据清洗、过滤等预处理，然后对数据进行处理与分析。基于BIM安全模型、BIM数据库、知识库、规则库进行风险分析、安全评估，最后进行质量安全风险监控和预警，并对施工现场进行及时问题反馈（见图3）。

2.2.2 进度计划管理服务

进度计划管理服务实现施工计划的编制和审批，将施工进度与BIM模型的具体构件挂钩，日志填报形象生动地反映了不同工点的进度信息，并用不同的颜色、符号、状态进行表达。

2.2.3 技术管理服务

技术管理服务主要包括施工组织设计、开工报告审批、施工作业指导书编写、资料文件归档、图纸变更和检验批查询。其中，施工组织设计通过将大临工程BIM模型、料源点信息、交通线路图、实景模型等数据快速导入系统，实现大临工程信息的直观表达、料源运输线路分析，通过GIS+BIM实现对工程概况、重难点工程工期进度的可视化表达。

图3 基于BIM与物联网的质量安全风险管理流程

2.2.4 物资管理服务

基于BIM+GIS技术的物资管理模式区别于传统的报表管理方式，将工程物资与BIM模型关联，实现数据集中管理与形象化展示，完成物资采购、存储、发放、核算等功能，辅助现场工作人员基于BIM模型对工程用量进行清单式管理与统计，保证物资库存的动态增长，满足工程施工建设的需要。

2.2.5 系统管理服务

系统管理主要实现对项目基本信息的维护，包括BIM模型工程结构树维护、用户信息修改、权限分配、分部分项工程设置等功能。

3 应用实践

根据系统的总体架构和功能设计思路，将每个功能服务独立部署，形成多个页面风格统一的独立子系统，为体现理论研究的实用性和领先性、系统开发技术的先进性和有效性，将基于BIM+GIS技术的铁路工程管理系统成果于某铁路项目中应用。

（1）三维场景展示：将地形、BIM模型数据导入系统搭建三维场景，实现不同工点的精确定位、不同区域的分析、周边线路的基本情况等工程概况信息展示（见图4）。

（2）基于BIM模型的工程项目组织：根据项目的标段、施工单位、单位工程、分部分项工程、检验批等几个不同层次进行项目内容组织和管理，形成完整的BIM模型工程结构树，便于构件定位与信息查询（见图5）。

图4 三维场景

图5 BIM精细模型信息查询

（3）质量安全巡检：现场施工人员可以及时将质量安全问题通过系统进行反馈，并将现场出现的事故通过图片、视频、文字等信息上传系统，并与BIM模型绑定，便于对事故位置定位，分析原因（见图6）。

（4）进度计划：根据现场人员填报的施工进度，系统基于BIM模型以泳道的方式表达不同工程部位的进度信息，同时根据计划中的工期要求，对比、分析、模拟计划进度和实际进度的差异（见图7、图8）。

（5）施工组织设计管理：以重难点工程为核心，设计人员不仅可以在系统中通过大临选址功能确定大临工程的布设位置，还基于交通网络分析功能，从运输方式、费用、时间等角度对比分析不同物料的供货方案，减少设计人员的分析工作量，提供最优的设计方案（见图9）。

图6 质量安全巡检

图7 进度统计

图8 进度对比

图9 交通线路分析与料源点选取

4 结束语

基于BIM+GIS技术的铁路工程管理系统可提高工程建设的质量，保障建设安全，缩短建设周期。将铁路工程建设进度、工程概况、物料用量、质量安全等信息与BIM模型关联，实现过程信息的直观可视化表达，通过三维GIS技术确保空间信息的完整与全面。基于BIM+GIS的全建设周期的信息管理，保证从设计到施工现场再到管理层的信息通畅，促进工程建设扁平化管理，为决策和监督提供重要信息来源的同时，带来规模效益，实现铁路工程建设企业信息化，规避工程建设企业的技术、人力资源、经济、管理等风险，具备因工程建设技术创新、管理优化等信息化需求不断变化与发展的适应能力，实现铁路工程建设信息化资源优化配置和可持续发展。