2019创新项目推广 | 城市轨道交通基于互联网+智慧建造技术研究与应用

随着我国社会经济的不断发展，城市交通系统已无法满足日益增长的交通需求。为缓解城市交通压力，近年来城市轨道交通建设迎来了一轮新的热潮。城市轨道交通项目具有投资大、线路长、风险高、工期紧等特点，同时面临复杂多变的水文地质及周边环境，传统的项目安全管理及建造模式由于信息化和智能化水平不高等诸多问题，从而制约了我国城市轨道交通工程综合技术的发展。

如图1和图2所示，在庞大的建设体量下，城市轨道交通建设需面对作业人员安全意识淡薄、缺乏有效的安全监管体制等难题；同时，钢筋加工过程中经常面临劳动力短缺、绿色发展理念倒逼、效益空间逐步压缩等发展困境。如何更为有效地运用现代化信息技术破解城市轨道交通安全监管困局和钢筋加工存在的不足成为各方关注的焦点。

图1 城市轨道交通建设安全管理面临的监管困局

图2 城市轨道交通钢筋加工存在的不足

城市轨道交通工程在水文地质条件、周边环境影响和结构形式等方面存在许多的不确定性。当城市轨道交通线路穿越瓦斯地层时，根据《铁路瓦斯隧道技术规范》（TB10120-2002），可将其划分为低瓦斯工区、高瓦斯工区以及瓦斯突出工区。隧道建设过程中应根据瓦斯、地层分布情况因地制宜地采取不同的施工工法，对于高瓦斯及瓦斯突出地层，一般采用矿山法进行施工，低瓦斯地层可采用盾构法施工。

目前，我国盾构施工项目均不同程度的采用各种远程监控系统进行施工管理，系统的功能大多涵盖施工参数、材料消耗、盾构姿态等动态显示、设备故障预警和报警、数据信息的记录和保存等。通过此系统，项目管理人员可以实时获得盾构施工当前的各项施工参数、工程进度等信息，通过对所采集的数据进行处理，可以分析盾构施工过程中存在问题，有效降低盾构施工的安全风险。

为保证作业人员的安全、遏制事故的发生、有效降低事故危害程度，目前隧道工程施工开始逐步采用人员定位系统。人员定位系统所采用的技术包括RFID技术、ZigBee技术、CAN技术、GIS技术和WIFI技术等。RFID技术采用无线电频射，可以绕开障碍物，适应在各种恶劣环境中工作，而且可以对多个物体进行识读，具有成本低、传输距离远等特点，近年来在隧道中的应用愈加广泛。

此外，作为关键生产要素的劳务资源逐渐成为制约施工企业发展的重要因素，如何加强劳务人员管理是企业在当下和未来都要面临的难题。目前国内很多地区已对建筑行业的劳务人员管理系统进行研发并投入使用，如青岛市已启动了建筑行业劳务人员“双卡”工程，采用实名制卡片，具备工资发放、员工培训、考勤等作用。广州、上海、南京等城市采用全市统一的实名制管理信息系统、软件或平台，有利地打破企业和区域限制，优化管理程序，提升管理效率。

1）钢筋现场加工现状

2）钢筋场外集中加工配送现状

为了将基于互联网+智慧建造创新技术的研究运用到城市轨道交通建设的全过程中，本项目利用物联网、移动互联网和无线传输等新技术，配合瓦斯检测、风速检测和盾构施工监控等专业应用，运用流媒体、大数据等技术搭建施工工区、标段项目部、项目公司、第三方单位等多方参与、共同监控管理的一体化安全管理信息平台，有效整合各方力量，构建全线覆盖、全员参与、全过程管理的智能化管控模式。同时，积极探索钢筋工程新型产业化发展模式，倡导“绿色环保，精益建造”的建设理念，按照信息集成、设备集控、资源集约的总体思路，提出一种基于BIM技术的钢筋数字化建造新模式，自主研发了“钢筋工程BIM翻样智能化辅助系统”和“钢筋工程云管理系统”等系列成果，实现了钢筋加工的智能化翻样，集约化加工，配送，信息化管控，为基于BIM技术的钢筋集约化加工新模式的应用奠定了基础。

随着城市轨道交通建设规模的日益增大，建设过程中的安全风险管控愈加困难。本项目围绕城市轨道交通建设过程中安全风险管控的核心问题，以成都轨道交通6号线三期工程（原11号线一期工程）为依托，为保障工程项目施工安全，同时降低管理费用，从理论方法、技术手段等层面开展研究，构建了一套适用于复杂环境下城市轨道交通建设全过程的一体化安全管理信息平台。

成都轨道交通6号线三期工程（原11号线一期工程）线路全长23.37km，全地下敷设，该线路有4.7km位于高瓦斯地段、6.6km位于低瓦斯地段，瓦斯段总长度达到11.3 km，是国内穿越瓦斯地层最长的城市轨道交通线路。为了进一步提升全线安全监控管理水平，本项目针对瓦斯隧道、深基坑等危险源安全风险分布的特点进行深层次的研究与开发，建立了一套基于互联网技术的一体化安全管理信息平台，如图3、图4中所示，集成了隧道瓦斯浓度自动监控系统（G）、盾构施工实时数据监控系统（S）、重大危险源视频监控系统（H）、隧道施工人员定位系统（P）、劳务人员实名制管理系统（R），可实现施工工区、标段项目部、项目公司、第三方单位等多方参与、共同监控管理重大安全风险的功能。

图3 一体化安全管理信息平台架构图

图4 指挥部安全风险监控管理中心

1）隧道瓦斯浓度自动监控系统

团队开展了城市轨道交通工程隧道瓦斯浓度自动监测系统的技术研究，如图5、图6所示，通过在隧道各工作面（矿山法隧道：掌子面、衬砌台车等部位；盾构法隧道：螺旋机出土口、1#和5#台车尾部等部位）安装瓦斯传感器，以及在隧道回风流内安装风速传感器，对洞内瓦斯浓度和回风风速进行24小时实时监测，并将监测信息回馈至主控计算机进行分析处理，对洞内瓦斯、风速、风量和风机实施自动化监控管理，同时实现风电、瓦电闭锁功能。

图5 隧道瓦斯浓度自动监控系统

图6 标段隧道监控中心

2）盾构施工实时数据监控系统

通过构建盾构施工实时数据监控系统，确保各层级管理人员可以实时获得全线每台盾构机当前的各项施工参数、工程进度等信息，如图7、图8所示，提出利用计算机强大的数据处理功能，系统自动对数据分析、材料消耗数据进行对比与统计，实现盾构数据动态管理、自动识别、有序地海量存储历史数据、信息汇总。从而便于分析盾构施工过程中可能存在的问题，以便能够及时、准确地远程掌控盾构施工情况，全面控制盾构施工成本和质量、盾构施工安全、施工区域的环境安全。

图7 盾构施工实时数据监控系统功能

图8 标段盾构施工监控中心

3）重大危险源远程监控系统

通过在基坑、盾构隧道及矿山法隧道关键位置根据施工进度和工况动态设置施工专用监控摄像头，利用互联网技术将现场施工情况同步传输至监控中心和移动客户端，可以实时了解施工进度，掌握可视范围的施工情况等，从而实现对重大危险源的全方位远程管控，重大危险源远程监控系统架构如图9所示。

图9 重大危险源远程监控系统架构图

4）隧道施工人员定位系统

基于RFID技术搭建隧道施工人员定位系统，通过隧道施工人员携带的定位器，定位系统能够实时探测和显示洞内人员数量及具体位置，管理人员在监控中心和移动客户端均可实时查看洞内人员数量和位置分布情况，系统架构见图10，系统界面如图11所示。定位器具备双向通讯功能，能够在紧急情况下，群发撤离通知信号或发出求救信号，达到事故预防和有效施救。

图10 隧道施工人员定位系统架构图

图11 隧道施工人员定位系统界面

5）劳务人员实名制管理系统

为了实现劳务人员信息化的统一管理，搭建了集教育培训、出工考勤、用工分析、工资支付等多种功能于一体的劳务人员实名制管理系统，系统架构如图12所示。劳务人员在进场施工前需办理实名制管理卡，录入个人信息、工种、技能等级等信息。当进行安全教育培训、进入或离开施工现场时，通过刷卡进行考勤和信息统计，实名制管理通道如图13所示。工人的从业经历、优良表现、违章违规行为等也会进行全过程记录，作为工人技能等级认证、务工准入及评价劳务分包单位的实力和信誉的重要依据。

图12 劳务人员实名制管理系统架构图

图13 工点实名制管理通道

1）高效BIM协同翻样技术

依托成都轨道交通6号线三期工程（原11号线一期工程），在钢筋翻样中采用BIM三维与钢筋基础数据库的结合，以全流程应用为目标，进行组建开发，建模标准建立，实现智能断料数据传递。在基于钢筋翻样辅助系统标准化、系统化应用的基础之上，如图14所示，中建三局编制了企业内部基于Tekla建模软件的《钢筋工程BIM协同翻样建模标准》和《钢筋工程BIM协同翻样指导手册》，精准化建立各站点钢筋信息模型，使得钢筋BIM翻样技术在本项目中的具体实施时有标准可依，有方法可寻，为协同分工、合理组织提供了新的工作思路和方法依据，实现了真三维平台下的高效协同与精确化翻样，源头上解决了翻样手段有限，错误率高，原材料利用率低，变更适应性差等问题。

图14 钢筋工程BIM协同翻样建模标准及翻样模型

采用Tekla作为平台软件，界面如图15所示，对软件基础数据进行本地化定制，在其基本建模功能基础上，针对工程中不同构件和钢筋类型的构造特点，分别编写独立的参数化组件程序，程序内置规范，结合实际施工需求，实现钢筋自动、快速、精准建模，大幅提高建模效率的同时，参数化驱动方式也能更快应对设计变更的修改。为后续加工配送及绑扎的总体有效管控提供了精确的数据基础，使得翻样工作变得更加高效、便捷、智能化，数字化。

图15 基于Tekla的BIM钢筋高效翻样辅助系统平台

2）钢筋BIM信息化管理系统

利用云管理系统，将钢筋分为料单管理、生产管理、半成品管理三大板块集成于信息化管理平台中，覆盖整个钢筋工程的业务流程，确保信息的唯一性，实现钢筋信息的追本溯源，解决进料、堆料、找料混乱问题，有追溯性的进行材料库存盘点管理，集中加工信息的交接缺失等现场问题，从而达到高效管控的目的。

系统自动解析，生成常规料单的数据BIM模型料单上传至云管理系统，系统自动进行解析，生成常规料单的数据，管理人员与生产加工作业人员均可在构建料单中管理与查看，如图16所示，并根据需要下载工料单，用于加工生产或保存归档；利用工料单，系统自行分拣打包半成品，以实现自动化信息解析，使数据交换更为便捷。

图16云管理系统根据需求生成工料单

3）钢筋集约化加工技术

借助数控设备应用的开发、信息化加工技术的创新，将传统的管理重点由繁琐的现场转移到信息化管理平台之中，改变其生产组织方式，使得设备之间协同生产，提高产能，解决常规加工的时效率低、管理繁琐、工作强度大，缺乏整体考虑的单件加工造成钢筋损耗大，标准化程度低，生产管理方式适应性差等缺点。

采用高效数控机械、优化设备配置，提高协同生产效率，降低劳动强度，最大化利用设备产能，配合信息化钢筋管控，提升钢筋加工管理水平，改善生产力的组织，开发出了新的生产能力的一种钢筋工业化生产方式，如图17所示，建立BIM钢筋集约化加工中心，以实现基于数控设备的批量加工生产，零件半成品的自助餐式分拣，各加工设备之间的协同生产。

图17 BIM钢筋集约化加工中心

根据项目钢筋含量、场地、工期等基本情况进行设备匹配，确保能完成生产又不闲置设备，以生产单元为最基本的、不可再拆分的生产要素，包含设备选型、设备占地、人员配置、每班产能、每班成本以及每班效益等基本内容。将钢筋半成品加工细分为箍筋生产单元、板筋生产单元、大料弯曲生产单元、大料剪切生产单元、大料锯切套丝生产单元。通过研究各生产单元，实现加工设备的合理化配置，确保最大的投入产出比，钢筋集约化加工生产现场如图18所示。

图18 BIM钢筋集约化加工生产

4）集约化钢筋半成品加工配送管理

在钢筋信息传入系统后，自动划分构件加工任务，加工队伍接收加工单，逐条加工并挂上标签，加工单上所有任务都完成后，进行登记。根据现场施工进度与施工顺序提出加工需求，将构件划分到配送批次中，生成配送单。在系统中可根据配送单与加工单间的逻辑关系，查到配送单上的钢筋是否已加工完成。半成品装车时，构件任务按照构件信息对应的生产单元堆场找到构件包装车，零件任务则根据零件标签数量在对应的零件半成品堆场中清点并悬挂零件标签后装车，最终按照配送单核对无误后运输至施工现场，钢筋加工与配送云管理系统应用流程如图19所示。

图19 筋加工与配送云管理系统应用流程图

云系统管理，实现互联网高效管控。借助于云管理系统的开发与管理，集原材料管理、料单管理、加工生产管理、半成品管理、出库管理以及各机位任务下发、加工时效统计于一体，利用互联网技术，对加工生产状态做到实时管控，钢筋BIM云管理系统界面如图20所示。钢筋云管理系统借助于图像处理技术，对钢筋照片辅助点数，准确便捷的钢筋原材料出入库信息管理，无纸化加工任务的下发与计时，借助系统进行钢筋信息查询与登记，与进度关联的钢筋半成品配送管理，实现了钢筋原材到半成品的过程信息全流程精准掌控。

图20 钢筋BIM云管理系统应用

本项目自始至终以基于互联网+智慧建造创新技术研究与应用为主线，综合采用理论方法、技术手段和管理规范作为不同研究内容的研究方法，三部分内容前后相继，共同服务于项目的总体研究目标，总体技术路线如图21所示。

图21 项目技术路线图

1）本项目基于互联网+智慧建造创新技术研究与应用为研究主线，运用互联网技术所搭建的一体化安全管理信息平台结合“技防+人防”的安全监管理念，利用物联网、计算机软件、移动通信等多种先进的信息化技术手段研发而成，旨在实现一体化、智能化、信息化监管，提升安全意识、统筹监管流程、实现对安全隐患实时、高效、智能、闭环式管理。

攻克了复杂环境下城市轨道交通安全风险管控的关键技术。针对线路穿越瓦斯地层的工程难题，提出了一套适用于高瓦斯暗挖、低瓦斯盾构的隧道瓦斯浓度自动监控系统，解决了瓦斯监测+风电、瓦电闭锁等难题，为城市轨道交通瓦斯隧道施工的安全管理提供了技术保障。

针对盾构穿越地层的复杂性和工程地质条件的多变性及不可预见性，建立了盾构施工实时数据监控系统，实现了盾构掘进数据的实时采集、传输、存储及分析等功能，极大地降低了盾构掘进控制的难度和风险，保障了隧道成型质量。

构建了基于互联网技术的复杂环境下城市轨道交通集瓦斯自动监测、盾构施工数据实时监控、重大危险源远程监控、隧道施工人员定位和劳务人员实名制管理为一体的智能化安全管理信息平台，可实现实时重大安全风险综合监控管理的功能。

提出了施工工区、标段项目部、项目公司、第三方单位通过线上线下联动、全线覆盖、全员参与、全过程管理的集约化管控模式，搭建了“点-线-网”全方位的安全管理信息平台，有效保证各监管方的多点协调管控。

2）采用互联网+BIM的钢筋集约化信息管控技术，通过钢筋料单云端集中管理技术，实现料单数字化信息跟踪，实现了钢筋原材到半成品的过程信息全流程精准掌控。集约化加工模式下的大料、小料、套丝分别按不同单价，以各工位实际完成的加工任务单作为劳务结算依据；同时，加工数据实时反馈至管理系统，过程数据实时监控，又可减少数据不透明、数据无法追踪造成的额外成本。

采用该系列集约化加工技术，原材料损耗降低通过套料优化，原材损耗率可控制在0.5%左右，而常规加工的损耗率一般在2%~3%，通过应用钢筋集约化加工技术，库存成本仅为常规模式的20%~30%。同时该技术还可节约的间接成本有：用工数量的减少可节省工人住宿、劳保等相关费用，降低工人管理安全风险；场地集中可减少分散式加工棚数量，减少项目措施费。

1）基于互联网+一体化安全管理信息平台技术

本项目通过理论研究和技术创新，针对项目部、项目管理公司等各方的不同需求，首次开发了针对复杂环境下城市轨道交通工程施工全过程的一体化安全管理信息平台，实现对重大危险源全方位、智能化的管控，为城市轨道交通施工过程的安全管理提供了强有力的技术支撑，对其他城市轨道交通线路建设阶段的安全管理工作提供了重大参考和指导，一体化安全管理信息平台的功能及特点如图22所示。

图22 一体化安全管理信息平台功能及特点

一体化安全管理信息平台实现了对城市轨道交通建设全覆盖、全过程、全参与的管理模式，其创新点主要包括以下四个方面：

2）基于BIM技术的钢筋工程智慧建造技术

基于BIM技术的钢筋智慧建造技术有效解决了钢筋工程长期以来的发展难题，探索落地钢筋加工新型产业化发展模式，立足当下工程环境需求，提出一种基于BIM技术的钢筋集约化加工新型作业方式，其功能和特点如图23所示。按照信息集成、设备集控、资源集约的总体思路，自主研发“钢筋工程BIM翻样智能化辅助系统”、“钢筋工程 BIM云管理系统”等系列成果，并经工程应用示范实践检验，实现钢筋加工的智能化翻样、集约化加工、信息化管控。

图23 钢筋数字化建造模式功能及特点

依托本研究项目，已出版专业著作3部，制定标准2项，发表核心期刊论文1篇，获得软件著作权4项，获省部级奖3项，获评四川省工法3项，详见表1。

表1 项目取得的科技成果

基于互联网+智慧建造创新技术的研究成果已成功应用到成都轨道交通6号线三期工程（原11号线一期工程）建设的全过程中。一体化安全管理信息平台整体运行稳定，110余项重大危险源得到了有效监控管理。在施工期间，通过线上线下联动监控管理，及时发现并消除了20000余项安全隐患，有效处置了200余次监控数据异常情况，项目施工全过程中未发生任何安全事故。通过该平台，管理人员可随时随地查看线路各工点安全状态，实现了重大安全风险源的集中管控，管理效率得到显著提高。

通过成都轨道交通6号线三期工程（原11号线一期工程）的应用示范，从产能数据上看，在包含人员培训时间的情况下，在智能化翻样辅助平台下BIM人员的钢筋翻样效率远远超过了常规翻样效率，且翻样质量更高，现场反馈的错误率仅为0.04%，同时有效降低了专业门槛，三维化的操作模式提高了各环节的沟通效率。在集约化加工中整体测试了管理体系创新成果、探索了新型专业化分包组织模式，验证了成果的成熟性与完整性。经应用实践证明，钢筋原材料加工利用率达99.5%，翻样效率较传统技术提升20%以上，加工效率提升2倍以上，自主翻样及优化降低2%以上的钢筋用量，加工材料损耗降低1%以上，同时减少加工工人需求60%。

随着我国城市化水平的不断提升，城市地面交通拥堵问题日益严重，大力发展城市轨道交通成为了解决这一难题最好的途径，此举将对城市的快速发展必将起到至关重要的作用。近年来，城市轨道交通的建设开启了一个全新的格局。城市轨道交通建设将面临复杂多变的地层和周边环境，现场的安全管理工作也将面临极大的风险。目前各地区的安全监管体系适用环境单一，不具备普遍应用性。本项目所构建的一体化安全管理信息平台可实现对基坑、盾构、矿山法隧道等施工内容进行全方位的管控，满足参建方及各监管方的不同需求，应用前景及未来市场空间广阔，可满足城市轨道交通建设全过程安全管理的实际需求，提高了城市轨道交通的信息化和智能化安全管理水平，提升了城市轨道交通安全管理的整体形象。

一体化安全管理信息平台形成了城市轨道交通从隧道瓦斯浓度自动监测、盾构施工数据实时监控、重大危险源远程监控、隧道施工人员定位和劳务人员实名制管理配置优化的一体化安全管理技术，研究成果主要通过技术服务以及系统集成与工程示范的形式进行应用和转化，从而提高了我国城市轨道交通安全管理水平，极大地推动了行业技术进步。目前，国内在城市轨道交通建设过程中，频繁出现由于线形选择、建设环境、建设周期、建设成本等因素不得不穿越瓦斯地层等复杂、高风险地质情况的工程实例，本项目的研究成果可以在这些项目中得到良好的推广应用和发展。

钢筋数字化建造新模式通过钢筋集约化加工技术研究，可为钢筋加工专业化分包、精细化管理打下基础，有利于保证工程质量、控制工程成本、促进建筑产业化发展；同时，钢筋集约化加工技术的推广，受制于项目精细化管理深度和生产计划准确性，要实现集约化加工高产能、低损耗、零库存的目标，需生产计划具体到天、明确到轴线，且项目全员参与钢筋管控，使钢筋集约化加工与项目进度保持步调一致，不会因服务不及时、不到位等引发与项目、主体劳务间的矛盾，因此基于BIM技术的钢筋集约化加工系列技术将会在实现钢筋商品化的进程中发挥重大作用，同时钢筋工程的智能化翻样、加工及配送也为建设工程的高效建造、智慧建造、绿色建造打下坚实的基础。

本项目以成都轨道交通6号线三期工程（原11号线一期工程）为依托，针对城市轨道交通建设规模大、安全风险高、安全管理手段薄弱等诸多的监管难题，基于互联网技术开展城市轨道交通一体化安全管理信息平台的研究，寻求达到构建城市轨道交通建设阶段安全管控的优选策略和配置方案，开发和建立隧道瓦斯浓度自动监测及盾构施工实时数据监控等系统的关键技术，构建城市轨道交通一体化安全管理信息平台，并将研究成果全部应用于成都轨道交通6号线三期工程（原11号线一期工程）的建设中，平台搭建前期投入少，工作性能稳定可靠，有效节约了安全管理信息化建设及后期维护成本；减轻了管理人员的工作量，提高管理工作效率，从而降低管理成本，同时为工程项目安全、高效的优质履约提供支撑和保障。

全线采用本项目所提出的钢筋数字化建造模式原材料损耗降低通过套料优化，原材损耗率可控制在0.5%左右，而常规加工的损耗率一般在2%~3%，采用该套集约化加工技术，仅损耗降低就可以节约30元/吨。减少库存成本常规模式的钢筋库存资金成本约50元/吨，通过应用钢筋集约化加工技术，库存成本仅为常规模式的20%~30%。人工费降低通过料单拆分、任务下发、差异化批量加工的技术手段，再结合数控设备的高效性，人均加工产能提高2~3倍，减少工人需求50%~60%，降低总体用工成本30%~50%。

随着城市轨道交通建设规模的不断扩大，建设过程中面临诸多的安全风险，依托互联网技术对现场的安全监管成为了今后的发展趋势。本项目基于互联网技术研发的一体化安全管理信息平台，实现智能化、信息化、全方位的管控，可大幅提高建设全过程中的安全管理水平，增强了企业的创新能力和网络信息化意识，为城市轨道交通的安全生产提供强有力的保证。

钢筋工程BIM技术应用研究为基于BIM技术的钢筋协同翻样及集约化加工新模式奠定了基础，采用三维软件高效建模、智能断料、钢筋套料自动优化，料单数据在数控设备传递，操作简单、数据精准、料单现场适用性强。通过技术推动作业效率和生产力水平提升，节约成本，加快施工进度，降低钢筋损耗及人工劳动强度，有利于现场安全文明施工，经济和社会效益显著，将有效提升钢筋翻样质量及效率、促进钢筋加工产业化升级、提升钢筋配送质量与管理水平，在实现钢筋商品化的精品建造过程中迈出来重要的一步。

（内容来自中国土木工程学会轨道交通分会，如有转载请标明出处）