铁路工程具有投资规模大、建设周期长、数据量大等特点。传统的施工管理模式多以人工管理为主，难以实现多维信息的高效传输与集成管理，不能满足多样化的工程信息化建设需求^[1-2]。BIM（Building Information Modeling）作为工程建造领域的前沿技术，其应用贯穿于项目的全生命周期。现阶段，单一BIM技术的应用缺乏良好的外部环境，缺少强制保障措施和统一的规范标准，铁路行业BIM软件还不完善，难以大规模推广和创造更高价值，因此，较多学者将BIM技术与互联网、物联网、大数据、地理信息系统（GIS，Geographic Information System）等相结合，以期提高铁路行业信息化、智能化水平。

符润泽^[3]结合数字孪生、BIM、GIS及物联网等技术，提出桥梁养护管理平台总体架构，并研究了三维环境性能优化与设备数字孪生映射平台关键技术，优化了管理手段，提高了桥梁养护效率；陈浩等人^[4]提出隧道监控平台下BIM+GIS、二三维一体化的应用，系统地阐述了平台架构及软件功能，并分析其应用前景及未来趋势；戴林发宝等人^[5]为解决BIM协同设计交互困难的问题，提出数据层面和模型层面的协同，建立基于多源数据的BIM平台，具有高效、便利、保护各专业知识产权等优点；王纪君^[6]结合BIM+GIS的优势，设计了桥梁在线监测系统，不仅实现了对桥梁的可视化、精细化管理，还实现了对桥梁运营状态的实时监测和预警。以上研究成果验证了BIM技术在铁路工程系统应用中的有效性，然而随着信息技术在铁路工程的全面推广，施工BIM模型应用深度和广度日益拓宽，迫切需要根据现场需求，研发智能建造管理系统，协助管理人员有效决策和精细管理，提高工程建设品质。

本文设计基于BIM技术的智能建造管理系统（简称：智能建造管理系统），以三维信息模型为载体，关联施工过程中的进度、成本、质量、安全等信息，融合GIS技术，形象直观地展示现场施工过程，及时发现和纠正风险点，从而达到减少施工变更、缩短工期、控制成本、提升项目建设质量的目的^[7]。

1   系统架构

智能建造管理系统是面向铁路施工建设中各参建方的项目级系统，采用SpringCloud、Docker、ArcGIS、GeoServer等组件化开发技术，具有不断发展和扩充的能力。该系统基于面向切面编程（AOP，Aspect Oriented Programming）权限控制技术，解决了面向对象编程（OOP，Object Oriented Programming）和过程化方法无法解决的横切问题，消除了OOP引起的代码混乱和分散问题，加强了系统的可维护性和代码的复用性。

本系统采用B/S架构，前端兼容主流浏览器，呈现层和数据层完全分离，通过跨域实现前后端数据通信。核心业务基于微服务架构，可独立部署、访问及水平扩展，进入数据层前的逻辑处理、合法性验证等都在服务层完成，系统架构如图1所示。

图  1  智能建造管理系统架构

下载: 全尺寸图片 幻灯片

（1）用户层：用户可通过浏览器或移动端App进行认证安全访问。

（2）接入服务：安全策略是保护计算机系统、网络和数据免受未授权访问、破坏、盗窃或滥用的原则和措施；API Gateway服务连接应用程序及其后端，通过管理和控制API流量，提供安全、监控、转型等功能；访问认证是确定用户、系统或进程是否有权限访问特定资源的过程。

（3）呈现层：采用Angular4+Bootstrap+Jquery开发技术，使用组件化的方式构建复杂的应用程序，提高了开发效率。

（4）缓冲层：采用Redis缓存框架，降低与数据库的交互次数，提高系统性能。

（5）服务层：利用Restful提出了一组客户端和服务器交互时的架构理念和设计原则，可使接口更简捷，更有层次；基于Spring Boot的开发模式，能够简化搭建框架时配置文件的数量，提升系统的可维护性；Spring Cloud是一系列框架的有序集合，可解决单一架构模式带来的系统复杂性的问题；Eureka作为一种服务注册和发现组件，具有简单、高可用性、自我保护机制等优点。

（6）数据层：数据存储采用MongoDB和Mysql，提供可扩展的高性能数据解决方案；Docker提供了一个轻量级、可移植的容器化方式，极大地简化数据库的管理和部署过程。

2   系统功能

智能建造管理系统以BIM技术为核心，以集成模型为载体，关联进度、成本、质量、安全等信息，实现施工组织计划制订、进度模拟与分析、质量安全管理、成本分析等施工业务的管控，如图2所示，方便客户端在不同的场地和设备上使用，实现零安装、零维护。同时，为桌面端、Web端和移动端提供协同管理环境，包括用户管理、权限管理、文档管理、流程管理等，实现多参与方、多阶段的信息共享与传输，以及多项目的管理。

图  2  智能建造管理系统功能架构

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.1   可视化管理

实现项目相关GIS数据的统一管理，为用户提供轻量化的工程三维展示途径^[8]，可查看单位工程项目简介、标段信息、施工单位和工点信息、总体计划进度信息、安全质量问题汇总和统计信息、新闻公告等，可展示项目施工期间的动态模型、相关数据和文档，提供测量、定位、透明度设置等工具。

2.2   技术管理

针对施工过程中的技术资料、开发与总结等内容，设计包括开工报告管理、施工组织设计、专项施工方案、作业指导书、技术交底管理等功能，可与BIM模型进行关联。

2.3   图模管理

主要包括施工图纸管理、工程样图管理、精细化模型管理及专业接口管理，可对施工图纸、BIM参考模型和站前站后专业接口模型进行统一管理^[9]。

2.4   质安管理

主要包括安全巡检记录、安全巡检分析、视频监控管理、第三方监测管理等功能。其中，质量管理根据规范和标准巡查每一控制单元的施工是否满足质量要求，具有单元工程分解、工序检测记录、材料及试件检测记录、质量缺陷及事故的登记与处理、质量验收与评定等功能；安全管理是针对人的不安全行为和物的不安全状态的控制管理，落实安全管理的决策和目标^[10]。

2.5   进度计划

创建并管理标段工点的施工组织计划，将BIM模型与时间、空间数据关联，进行施工组织设计优化、方案验证、模拟等。分别用不同颜色在BIM模型中对施工完成、正在施工、尚未开工、超前/滞后的工程标识出来。同时，在真实地形环境下，开展施工组织推演，及时发现不合理的施工顺序、安全隐患、作业空间不足等问题，提高施工组织设计的合理性、可操作性，实现对项目整体施工进度的管理和工艺的控制，指导现场施工过程。

2.6   工程量管理

工程造价作为建设项目管理的关键环节，是影响建设方作投资决策的主要因素，也是施工单位成本管理的重要指标。传统的造价管理模式低效且容易出错，缺乏精细化的数据管理。在智能建造管理系统中开展基于BIM技术的工程数量及造价应用研究，提高了工程计量的准确度与效率，实现对整个工程造价的实时、动态、精确的成本分析，减少资金浪费。主要实践路径包括：构建基于BIM模型的工程量计算方法，制定符合工程量计算的编码规则；研究建立基于BIM的铁路工程分解结构，建立以BIM为基础的工程量清单结构模型；通过建立单价与工程量之间的映射关系，形成工程造价，以达到BIM直接计量的目标。

3   关键技术

3.1   多源异构数据融合

多源异构数据融合技术是指将不同领域、格式、精度等异构数据有效整合，便于后续场景应用，提高数据利用、共享和交流价值。智能建造管理系统中的BIM数据格式包括rvt、dgn及交换数据ifc等；地理地质数据格式包括tif、img、off、ply点云数据、dem+dom地形数据等。数据融合过程中，导出数据的顶点和属性，并按类型或图层进行分类，同时，转换独立平面坐标系至世界球面坐标系，将BIM模型放置到GIS空间场景中正确的地理空间位置，提升三维数据在GIS平台中加载和浏览的性能。

3.2   模型轻量化

铁路BIM模型体量大、挂载信息多，需要简化几何形体的点线面和清理几何约束关系来减小模型体积，提高模型在智能建造管理系统中的灵活度，同时，将模型与属性信息分开管理，建立相互关联的映射关系，便于模型查看、应用，以及更好地维护与管理BIM信息。本系统轻量化技术的优势在于：通过几何转换处理和渲染优化设计，兼容不同格式的模型文件；支持带状工点BIM模型的自动投影；突破传统平台浏览器限制，能够完整保留模型数据信息，提高加载大体量的轻量化模型的效率和准确度。

3.3   工程结构树

为了系统性地对项目工程全生命周期的信息实施管理，在功能分析的基础上，对单位工程以分部、分项工程为参照进行EBS分解，并对工程逻辑节点进行编码，使得不同节点上的构件拥有唯一的一组编码，形成树状结构，以实现各项管理功能。模型导入本系统后，可通过编码反向解析出工程结构树，重新定义单元之间的关联和逻辑关系，快速定位相应的构件。

4   系统应用

目前，智能建造管理系统已在兰新（兰州—乌鲁木齐）高速铁路客专生产项目中取得了良好的应用效果。

（1）融合BIM、GIS、互联网等技术，将工程建造过程中的进度、质量、安全等多维信息与BIM模型深度融合，为项目建设提供高效管理手段，实现精细化管理。

（2）以项目为管理单元，以施工工艺为管理核心，通过工序卡控，实现了施工过程中数据的自动采集和流转，确保施工过程数据的真实、有效。

（3）基于BIM构件模型定位信息编码，自动创建工程实体结构树，实现了模型信息与业务管理数据的同步更新。

5   结束语

本文设计基于BIM技术的智能建造管理系统，实现了建设工程施工阶段信息化集成、可视化展示、过程管理、成本控制、技术管理、质量安全管控等目标，支持Web端和移动端的应用，可实时查看项目推进情况、现场资料、记录施工状态等，方便各参建单位及时沟通、发现问题并妥善解决。下一步，将根据现场工作进展，结合施工组织计划，将BIM模型与时间、空间数据关联，在真实地形下开展基于BIM技术的施工仿真分析及虚拟建造。