寧新穩(wěn),朱　慶,任曉春,韓祖杰,王　華,趙　文,張　恒

(1.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,四川 成都 611756; 2.中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,天津 300251; 3.中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司軌道交通工程信息化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710000)

在工程建設(shè)管理中,施工進(jìn)度數(shù)據(jù)是管理者進(jìn)行進(jìn)度控制的基本依據(jù),如何快速、準(zhǔn)確、有效采集進(jìn)度數(shù)據(jù)對(duì)工程進(jìn)度管理至關(guān)重要,國(guó)際公認(rèn)施工現(xiàn)場(chǎng)管理人員需要耗費(fèi)工作時(shí)間的30%～49%用于進(jìn)度數(shù)據(jù)的收集與分析[1].美國(guó)建筑業(yè)協(xié)會(huì)(The Construction Industry Institute)的研究結(jié)果表明,一個(gè)典型的建設(shè)項(xiàng)目大約有1%的成本花費(fèi)在施工進(jìn)度管理上[2].因此,研究施工進(jìn)度數(shù)據(jù)采集方法不僅能夠有效縮短項(xiàng)目工期,而且有利于對(duì)工程進(jìn)度的準(zhǔn)確把握.

長(zhǎng)期以來(lái),鐵路工程施工進(jìn)度管理主要采用手工記錄的方式,通過(guò)電子表格將數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總,基于表格計(jì)算從而生成進(jìn)度報(bào)告[3-4].這種方法由于采用手工的方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和整理,因此需要花費(fèi)項(xiàng)目管理人員大量的時(shí)間,十分不利于對(duì)高鐵工程施工進(jìn)度的整體掌握.此外,手工記錄方式還存在數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化低、現(xiàn)勢(shì)性差、數(shù)據(jù)粒度粗等缺點(diǎn)[5-6].雖然有攝影測(cè)量、三維激光掃描、無(wú)線射頻識(shí)別RFID (radio frequency identification)等技術(shù)應(yīng)用于項(xiàng)目施工進(jìn)度的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)[7-12],但由于進(jìn)度粒度要求較細(xì),掃描、錄入工作量大,對(duì)建筑構(gòu)件檢索和識(shí)別的過(guò)程復(fù)雜、自動(dòng)化程度較低,致使其應(yīng)用局限性較大[13-15].

本文介紹了一種面向高速鐵路建設(shè)管理的施工進(jìn)度數(shù)據(jù)圖形化處理方法.

首先,對(duì)鐵路場(chǎng)景中的BIM模型按照工點(diǎn)工程進(jìn)行分解,對(duì)路基、橋梁、隧道等專業(yè)的工程結(jié)構(gòu)從邏輯層、物理層、施工管理方法等方面進(jìn)行全面分解;其次,設(shè)計(jì)一種參數(shù)自動(dòng)提取方法,對(duì)每個(gè)工點(diǎn)的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行逐步提取;然后,基于富互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用(rich internet application， RIA)和Web GIS等技術(shù)實(shí)現(xiàn)圖形化的施工進(jìn)度數(shù)據(jù)填報(bào);最后,以陽(yáng)大鐵路為例,介紹了本文方法的應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)圖形化的施工進(jìn)度數(shù)據(jù)采集與進(jìn)度報(bào)表的自動(dòng)輸出,并通過(guò)工點(diǎn)BIM模型對(duì)施工進(jìn)度信息進(jìn)行集成與共享,從而在3DGIS平臺(tái)中進(jìn)行三維形象進(jìn)度管理與展示.

1　施工進(jìn)度數(shù)據(jù)圖形化處理原理

整個(gè)系統(tǒng)框架由數(shù)據(jù)層、服務(wù)層和應(yīng)用層組成,如圖1所示.施工進(jìn)度數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)首先要考慮滿足實(shí)際工程進(jìn)度管理的需要,在保障數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性等前提下,盡量減少數(shù)據(jù)采集的復(fù)雜程度和工作量,同時(shí)采集的數(shù)據(jù)必須能夠滿足BIM模型管理應(yīng)用需求,為后續(xù)BIM應(yīng)用提供基礎(chǔ)進(jìn)度數(shù)據(jù).施工進(jìn)度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為鐵路工程建設(shè)管理平臺(tái)中的子系統(tǒng),能與其它子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)共享和交換.

圖1　進(jìn)度數(shù)據(jù)圖形化處理原理Fig.1　Structure of progress data graphical processing principle

數(shù)據(jù)層:存儲(chǔ)系統(tǒng)所涉及到的所有空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)主要包括三維基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等.以BIM模型為信息載體,關(guān)聯(lián)屬性數(shù)據(jù)、進(jìn)度數(shù)據(jù)和其它業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)構(gòu)建鐵路信息模型RIM (railway information model).三維基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)主要是指影像數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù),采用空間數(shù)據(jù)庫(kù)引擎ArcSDE和大型關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)Oracle實(shí)現(xiàn)對(duì)海量數(shù)據(jù)的組織、存儲(chǔ)和管理.

服務(wù)層:提供工點(diǎn)二維矢量圖服務(wù)和三維地形服務(wù).采用Openlayers提供的接口實(shí)現(xiàn)路基、橋梁、隧道二維矢量圖發(fā)布.利用TerraGate在線發(fā)布三維地形服務(wù),基于網(wǎng)絡(luò)無(wú)縫可變帶寬技術(shù)實(shí)時(shí)傳送三維地理數(shù)據(jù),當(dāng)初始影像以低分辨率被用戶所接收,用戶就能夠開(kāi)始進(jìn)行三維顯示,而不用等到所有的數(shù)據(jù)集都傳輸完畢.

應(yīng)用層:采用B/S(瀏覽器/服務(wù)器)結(jié)構(gòu),方便系統(tǒng)部署、使用和維護(hù).系統(tǒng)融合了業(yè)主、承包單位、施工單位和監(jiān)理單位等參建各方,實(shí)現(xiàn)進(jìn)度填報(bào)、進(jìn)度審核、報(bào)表輸出、三維形象進(jìn)度展示等功能,用戶可通過(guò)電腦、手機(jī)等移動(dòng)終端上的瀏覽器使用系統(tǒng),可在施工現(xiàn)場(chǎng)填報(bào)、審核數(shù)據(jù),也可回辦公室用電腦處理.

2　施工進(jìn)度數(shù)據(jù)圖形化處理關(guān)鍵技術(shù)

2.1　基于BIM模型的工點(diǎn)工程分解

系統(tǒng)填報(bào)的進(jìn)度數(shù)據(jù)需要滿足BIM管理應(yīng)用需求,能夠驅(qū)動(dòng)BIM模型進(jìn)行三維進(jìn)度管理與顯示,同時(shí)也是工程BIM模型信息的重要組成部分.在綜合考慮BIM模型粒度、項(xiàng)目管理需求、用戶工作量、系統(tǒng)效率等因素的基礎(chǔ)上,對(duì)路基、橋梁、隧道等專業(yè)的工程結(jié)構(gòu)從邏輯層、物理層、施工管理方法等方面進(jìn)行分解.

2.2　工點(diǎn)設(shè)計(jì)參數(shù)自動(dòng)提取

工點(diǎn)設(shè)計(jì)參數(shù)可以從二維施工圖中自動(dòng)提取,也可以從BIM模型中導(dǎo)出,Catia、Revit等BIM建模軟件都提供了模型參數(shù)導(dǎo)出功能.設(shè)計(jì)圖紙參數(shù)自動(dòng)提取技術(shù)是在AutoCAD平臺(tái)下進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),依據(jù)橋梁、路基、隧道專業(yè)設(shè)計(jì)圖紙規(guī)范建立讀圖規(guī)則,依據(jù)定義的讀圖規(guī)則進(jìn)行解譯,主要是以圖層、顏色、線型等為依據(jù),對(duì)實(shí)體CAD圖形如梁、墩身、路基橫斷面、隧道縱斷面等進(jìn)行圖形數(shù)據(jù)的提取,首先獲取里程注記值和每個(gè)截面的軸線位置,以軸線為中心獲取構(gòu)件多段線、截面結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)參數(shù),依據(jù)語(yǔ)義約束規(guī)則、空間位置約束規(guī)則等對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查、處理,錄入數(shù)據(jù)庫(kù)中,如圖2所示.

圖2　設(shè)計(jì)圖紙參數(shù)自動(dòng)提取流程Fig.2　Flow chart of design drawing parameters automatic extraction

2.3　基于RIA的Web GIS圖形化填報(bào)

Openlayers是一個(gè)專門為Web GIS客戶端開(kāi)發(fā)提供的Javascript類庫(kù),是一種輕量級(jí)的開(kāi)源Web GIS框架,支持多種地圖格式,Web頁(yè)面能實(shí)現(xiàn)頁(yè)面的無(wú)刷新動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)更新,能方便地將空間信息和非空間信息進(jìn)行集成管理,非常適合于小范圍、小尺度下的地理信息發(fā)布與應(yīng)用.

在進(jìn)行森林保護(hù)工作的過(guò)程中，林地保護(hù)人員的工作是非常重要的。但由于林區(qū)面積大，工作人員分配的等問(wèn)題，容易造成部分林區(qū)的管理存在缺失，再加上部分林區(qū)管理規(guī)范不完善，林區(qū)工作人員工作不認(rèn)真，導(dǎo)致森林保護(hù)工作沒(méi)有落到實(shí)處。這樣就給我國(guó)森林保護(hù)工作造成了很大的阻礙。因此，森林保護(hù)的人員管理問(wèn)題就是影響我國(guó)森林保護(hù)工作的一個(gè)重要因素，需要盡快的加大對(duì)林區(qū)工作人員的素質(zhì)培訓(xùn)。

RIA技術(shù)能充分利用客戶端的計(jì)算資源平衡客戶端與服務(wù)端的計(jì)算負(fù)載,減輕服務(wù)器的壓力,數(shù)據(jù)被緩存在客戶端,從而可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)比基于HTML (hypertext markup language)的響應(yīng)速度更快且數(shù)據(jù)往返于服務(wù)器的次數(shù)更少的用戶界面.RIA給用戶帶來(lái)更豐富、更具有交互性和響應(yīng)性的全新體驗(yàn),是一種全新的Web應(yīng)用解決方案.

系統(tǒng)利用Bootstrap富客戶端+Openlayers構(gòu)建Web GIS服務(wù),利用工點(diǎn)參數(shù)和進(jìn)度數(shù)據(jù)在線生成二維矢量圖,開(kāi)發(fā)圖形化進(jìn)度查詢、填報(bào)、審核等功能,如圖3所示.

圖3　Bootstrap+Openlayers系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.3　Bootstrap+Openlayers system architecture diagram

3　試驗(yàn)與分析

3.1　案例區(qū)域介紹

本文選擇陽(yáng)大鐵路為典型案例區(qū)域,并開(kāi)展相關(guān)的試驗(yàn)與分析.陽(yáng)大鐵路位于山西省陽(yáng)泉市及晉中市,途經(jīng)陽(yáng)泉市盂縣、郊區(qū)、平定縣及晉中市昔陽(yáng)縣,是一條客、貨共線的地方鐵路.全線新建線路約44.771 km,其中:橋梁19座,隧道9座,全線橋隧比50%.項(xiàng)目采取EPC (engineering procurement construction)總承包的建設(shè)模式,計(jì)劃總投資40多億元,是迄今國(guó)內(nèi)鐵路行業(yè)按工程總承包模式建設(shè)投資額最大的工程項(xiàng)目,計(jì)劃建設(shè)工期3 a.基于陽(yáng)大鐵路的復(fù)雜性,全線引進(jìn)BIM技術(shù)開(kāi)展應(yīng)用研究,是國(guó)內(nèi)第一條全線開(kāi)展BIM試驗(yàn)應(yīng)用的線路.

3.2　工點(diǎn)工程分解

基于BIM模型,本文采用面向?qū)ο蟮姆绞阶陨隙聦?duì)工點(diǎn)進(jìn)行工程分解,以便針對(duì)每一個(gè)工點(diǎn)自動(dòng)提取工程設(shè)計(jì)的參數(shù),主要包括橋梁、隧道、路基等3類工點(diǎn)的分解.其中,橋梁工點(diǎn)分為樁基、承臺(tái)、墩身、梁段、梁塊等構(gòu)件,樁基、承臺(tái)、梁段、梁塊不再細(xì)分,墩身按高度進(jìn)行分解；隧道工點(diǎn)分為明洞、洞門、初支、仰拱、襯砌、斜井、洞室、側(cè)溝等構(gòu)件,初支、仰拱、襯砌按工作面進(jìn)行劃分；路基工點(diǎn)分為路基本體和附屬設(shè)施,路基本體分為混凝土基床、基底處理、級(jí)配碎石、填方等,附屬設(shè)施按左右側(cè)分為邊坡防護(hù)、防護(hù)柵欄、電纜槽、排水溝、接觸網(wǎng)支柱等.

以隧道模型為例,其分解結(jié)果如圖4所示.

圖4　隧道模型的工點(diǎn)工程分解Fig.4　Engineering breakdown structure of tunnel model

3.3　設(shè)計(jì)參數(shù)提取與矢量圖顯示

工點(diǎn)工程分解確定了參數(shù)提取的基本單元與粒度,在此基礎(chǔ)之上,利用設(shè)計(jì)參數(shù)自動(dòng)提取技術(shù)提取路基、橋梁、隧道等設(shè)計(jì)參數(shù),建立基礎(chǔ)參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù).選擇某個(gè)工點(diǎn),從基礎(chǔ)參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取工點(diǎn)參數(shù),進(jìn)度數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取工點(diǎn)進(jìn)度數(shù)據(jù),利用Openlayers提供的組件和接口實(shí)現(xiàn)工點(diǎn)矢量圖的快速繪制、渲染、漫游等功能,點(diǎn)擊矢量要素可查詢構(gòu)件基本參數(shù)信息和進(jìn)度信息,對(duì)工點(diǎn)參數(shù)信息、進(jìn)度信息、審核信息、注記等進(jìn)行分層顯示和控制,用不同的顏色進(jìn)行渲染.圖5為某橋梁二維矢量圖，圖中：藍(lán)色表示已完成的進(jìn)度信息；灰色表示未完成的進(jìn)度信息.

圖5　橋梁二維矢量圖Fig.5　Bridge two-dimensional vector figure

3.4　圖形化進(jìn)度填報(bào)與審核

施工單位信息錄入人員選擇某個(gè)工點(diǎn),在生成的二維矢量圖上選擇相應(yīng)的要素填寫進(jìn)度信息,已完成的要素不能選擇再進(jìn)行填報(bào),填報(bào)完成后提交給監(jiān)理單位人員進(jìn)行審核.

在圖形化進(jìn)度填報(bào)的過(guò)程中,可以分別填報(bào)橋梁、路基與隧道等工點(diǎn)工程的進(jìn)度信息.以橋梁工點(diǎn)的進(jìn)度填報(bào)為例,橋梁工點(diǎn)樁基、承臺(tái)、梁段、梁塊進(jìn)度用完成和未完成兩種狀態(tài)表示,墩身進(jìn)度輸入實(shí)際完成高度.

在進(jìn)行圖形化填報(bào)的基礎(chǔ)之上,監(jiān)理單位人員可以對(duì)進(jìn)度數(shù)據(jù)進(jìn)行審核,需要審核的要素高亮顯示,點(diǎn)擊要素查看進(jìn)度信息,對(duì)不合格的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)記,退回給施工單位人員修改,全部通過(guò)后錄入進(jìn)度數(shù)據(jù)庫(kù),數(shù)據(jù)鎖死不能再修改.

3.5　施工進(jìn)度數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)應(yīng)用

陽(yáng)大鐵路采用本系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)度數(shù)據(jù)采集與管理,用戶單位包括工程承包單位陽(yáng)大項(xiàng)目部、7個(gè)施工單位、2個(gè)監(jiān)理單位和業(yè)主陽(yáng)大公司,每個(gè)單位用戶分配不同的權(quán)限,施工單位有進(jìn)度填報(bào)權(quán)限,監(jiān)理單位有審核權(quán)限,每個(gè)施工單位只能查看和填報(bào)自己標(biāo)段范圍內(nèi)的工點(diǎn)進(jìn)度,項(xiàng)目部有進(jìn)度統(tǒng)計(jì)分析權(quán)限.系統(tǒng)自陽(yáng)大項(xiàng)目開(kāi)工以來(lái),各項(xiàng)功能運(yùn)轉(zhuǎn)正常,各標(biāo)段施工進(jìn)度數(shù)據(jù)按照要求及時(shí)上傳,監(jiān)理單位對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量嚴(yán)格把關(guān),項(xiàng)目部通過(guò)系統(tǒng)把控工程進(jìn)度,進(jìn)度報(bào)表作為周例會(huì)和月例會(huì)的重要內(nèi)容,節(jié)省了大量的統(tǒng)計(jì)分析工作量,各參建單位借助系統(tǒng)都能較好地完成工作,系統(tǒng)對(duì)保障陽(yáng)大鐵路工程進(jìn)度發(fā)揮了積極作用.表1為使用本系統(tǒng)前后各參建單位進(jìn)度統(tǒng)計(jì)效率對(duì)比.

表1　使用本系統(tǒng)前后各單位進(jìn)度統(tǒng)計(jì)效率對(duì)比Tab.1　Efficiency comparison of progress data statistics

施工進(jìn)度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以在三維環(huán)境中對(duì)施工進(jìn)度加以形象展示,又可以進(jìn)行施工進(jìn)度的輸出與預(yù)警.

(1) 三維形象進(jìn)度展示與管理

將BIM模型導(dǎo)入到三維平臺(tái)中進(jìn)行管理和應(yīng)用,利用進(jìn)度數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)工點(diǎn)BIM模型進(jìn)行三維進(jìn)度展示,用不同的顏色表示進(jìn)度完成情況,圖6為橋梁三維進(jìn)度展示.

圖6　橋梁三維形象進(jìn)度圖Fig.6　Three-dimensional visualization of bridge schedule

圖6中,綠色表示實(shí)際完成進(jìn)度,紅色表示實(shí)際進(jìn)度落后于計(jì)劃進(jìn)度,藍(lán)色表示實(shí)際進(jìn)度比計(jì)劃進(jìn)度超前,灰色表示未完成.

(2) 進(jìn)度輸出與進(jìn)度預(yù)警

從進(jìn)度數(shù)據(jù)庫(kù)中提取數(shù)據(jù),進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,能夠提取開(kāi)累、日、周、月、年分部、分項(xiàng)、分專業(yè)工程進(jìn)度數(shù)據(jù),生成進(jìn)度統(tǒng)計(jì)報(bào)表.對(duì)實(shí)際進(jìn)度與計(jì)劃進(jìn)度進(jìn)行對(duì)比分析,根據(jù)填報(bào)的歷史進(jìn)度數(shù)據(jù),建立分部分項(xiàng)工程進(jìn)度速率模型,計(jì)算出超前或滯后工天,設(shè)立預(yù)警等級(jí),進(jìn)行進(jìn)度預(yù)警.

4　結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)傳統(tǒng)鐵路施工進(jìn)度多專業(yè)協(xié)同管理的關(guān)鍵問(wèn)題,集成網(wǎng)絡(luò)GIS技術(shù)和BIM技術(shù),提出了一種圖形化的施工進(jìn)度數(shù)據(jù)處理方法，并自主研制了實(shí)用系統(tǒng),具有以下主要特點(diǎn):(1) 通過(guò)對(duì)BIM模型進(jìn)行工點(diǎn)工程分解,自動(dòng)提取工點(diǎn)參數(shù),實(shí)現(xiàn)了施工進(jìn)度數(shù)據(jù)的圖形化處理;(2) 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化程度高,大大減少用戶輸入與多種類型數(shù)據(jù)的復(fù)雜統(tǒng)計(jì)工作量,并自動(dòng)生成各種統(tǒng)計(jì)報(bào)表,大幅提高施工進(jìn)度數(shù)據(jù)采集與應(yīng)用效率;(3) 繁雜的施工進(jìn)度數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)圖形化處理，并在3D GIS環(huán)境中進(jìn)行多維動(dòng)態(tài)的可視化表達(dá),形象直觀,滿足了工程承包、施工、監(jiān)理和業(yè)主等單位對(duì)高鐵建設(shè)進(jìn)行協(xié)同管理的需要.

致謝:軌道交通工程信息化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(SKLK16-02)

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