高铁轨道工程设计建造一体化协同管理

中铁第四勘察设计院集团有限公司

中铁第四勘察设计院集团有限公司（简称铁四院）是中国铁建的国有全资子公司，现有职工4500余人，是国家认定企业技术中心及国家委托铁路、城市轨道交通专业投资咨询评估单位，获国家首批工程勘察设计综合甲级资质，连续多年在全国勘察设计行业综合实力百强中名列前十。近十年来勘察设计高速铁路13000余公里，设计建成京沪、武广、郑西、郑武、杭长、贵广等30多条高速铁路，已建成运营里程近一万公里，成为世界上设计高速铁路里程最长、标准最高、经验最丰富的设计企业。

一、高铁轨道工程设计建造一体化协同管理背景

（一）创新中国高铁轨道工程设计建造现代化管理需要

传统的高铁设计建造管理由设计单位完成设计文件（施工图），建设单位组织施工、监理等单位按图施工，施工过程若遇到与设计条件不一致时，设计单位需进行变更设计，施工单位再根据变更设计文件进行施工。在我国第一条时速350公里高铁建造过程中经常出现“设计变更”“施工返工”“施工误差大”“±1mm高精度的质量控制困难”“建造工期延长”“单位间沟通不及时”等一系列问题，迫切需要加强轨道工程设计建造在各专业、各阶段、各单位之间的信息交流以及基于信息共享的协调管理。伴随着网络、信息、智能等管理手段和方法的普及及应用，构建轨道工程设计建造一体化协同管理模式，对消除传统管理模式弊端、进一步提高项目设计建造管理水平具有重要意义。

（二）确保高铁建造效率和安全运营的需要

高铁轨道铺设涉及设计、产品制造、工程施工等多家单位，其建造工艺需要将系统设计的理念通过全过程控制予以高效落实。通过设计与制造的协同，实现轨道预制产品的高精度；通过设计与施工的协同，消除误差积累，实现轨道高精度铺设目标；通过制造和施工的协同，可以提高建设质量、铺设效率，降低工程造价。通过设计、制造和施工的一体化协同管理，可极大提升高铁建造效率和工程质量，为高铁运营安全提供可靠的技术保证。

（三）提升我国高铁设计建造行业国际竞争力的需要

交通运输部和中国铁路总公司多次提出要打造“安全可控、服务优质、效益良好、管理科学的市场化、现代化、国际化的大型国有企业”。但是由于高铁的系统性、复杂性和时效性，世界各国对高铁建设管理还相对传统，我国及高铁技术相对发达的德国、日本、法国等国家依旧采用设计单位完成图纸，施工单位照图施工的流线式管理模式。由于前期信息化技术手段与方法的限制和铁路野外施工作业的困难环境条件，同时高铁系统的设计技术掌握难度大，虽提出要实现动态化的建造管理，但均未真正的实施。针对专业多、参与单位多、工序工艺复杂，传统的建造模式必须创新，必须有一种高效、协同作业的管理模式，提升高铁建造管理水平，进一步提升中国高铁的国际竞争力。

二、高铁轨道工程设计建造一体化协同管理内涵和主要做法

铁四院基于协同和动态设计的理念，构建轨道工程设计建造一体化协同管理模式，以“设计数据”和“施工过程数据”为核心，建立“一体化协同管理平台”，对高铁设计方案进行动态调整，消除误差累积，实时监控施工质量和精度，实现轨道工程质量的预警预报和质量监控，形成设计、制造、施工的过程、组织和信息的全方位协同；同时以技术为支撑，制定系列一体化协同管理的规章制度和操作手册，全面实施设计建造全过程中各工序工艺的精细化管理，从而达到提升轨道工程的建设效率和质量、保证高铁安全运营。主要做法如下：

（一）明确一体化协同管理的工作思路

铁四院围绕国家铁路建设要加强“管理和运行机制创新”“铁路建设标准化”的总体要求，针对高速铁路设计建造特点，认真研究高铁轨道工程设计、制造和施工中各个环节的要求、工艺和瓶颈，提出协同管理、设计建造一体化紧密结合、建造过程动态化的工作思路。

一是通过消化吸收“系统工程+项目管理”的管理理论，基于协同和动态设计的理念和方法，利用一体化平台，建立高铁轨道工程设计建造一体化协同管理模式，以实现从设计、制造、铺设、工序工艺、检验、测试等六大环节的量化控制，加强和深化各组织单元之间的互联互通，以确保轨道工程的建设质量。

二是针对高铁轨道工程特点，深入研究设计建造的过程管理，优化工艺流程和组织结构、专业人员配置，提高生产效率和工程质量；加强过程管控，通过动态管理实现生产和组织的高效协同，确保全过程、各阶段的质量控制；加强设计建造一体化关键管理要素和风险控制，充分利用信息化、网络数控等先进技术，实施精细化管理，从细微之处防控风险。

三是实施施工过程数据与设计数据文件进行对比管理，以数据一致性确保建设质量和轨道施工精度。同时当发生现场数据与设计数据不一致时，及时分析原因，对于现场允许范围内的施工误差进行动态化设计调整，防止误差累积到下一环节。在工程质量和工期双重约束条件下，以工程技术管理和工序工艺综合管理为主导，以规章制度体系建设为基础，开展工程技术体系建设、人才队伍建设、一体化协同平台建设、部件产品标准化建设，强化技术创新以及施工装备的平衡协调，实现从“重设计、轻工艺”到“设计与工艺并重”的转变。

四是深入落实质量零缺陷理念，将“误差不累积、质量零缺陷、风险控制”贯穿到轨道工程设计建造的各个阶段、各个过程、各个岗位和各位员工，以过程的零缺陷保证最终工程质量的零缺陷。通过严格的过程控制和闭环管理，将各项要求切实落实到每个工序工艺、分部分项工程中，确保工程无差错，使轨道工程从设计到工程交付的各个环节都得到有效控制。通过确定质量控制要点，明确控制要求并量化指标，建立技术状态控制体系，开展关键工艺工序评审，规范各类操作工艺，严格控制关键工序和验收，全面实施高铁设计建造全过程中各工序工艺的精细化管理，从细微之处防控风险。

（二）构建一体化协同管理平台

为使轨道工程设计、制造、施工等各生产过程进行协同工作，确保设计单位、建设单位、制造单位、施工单位、监理单位等组织单元信息的实时互通，首先建立“一体化的协同管理平台”。

首先，一体化平台以“设计施工图数据文件”和“施工全过程动态数据文件”为核心，并作为一体化平台的数据库来源；设计单位提供“设计施工图数据文件”指导制造和施工过程，轨道工程制造和施工过程中的工程偏差或前序工程变更数据实时反馈到一体化平台中，设计单位对一体化平台中的数据文件进行确认，并及时对制造和施工数据文件进行动态更新；利用一体化平台，实现轨道板设计布置、制造、检验、施工精调等各过程信息协同；使轨道工程建造中的各项生产过程（包括设计、制造、施工等各个环节）和组织单元（包括设计单位、建设单位、制造单位、施工单位、监理单位等）之间实现了深度协同和双向反馈。

其次，为了确保一体化协同管理的有效实施，铁四院研究开发了一体化平台的管理软件，以及针对不同的生产过程和组织单元，研究开发轨道设计布置系统、轨道制造和验收系统、轨道施工布置系统、轨道精调系统、质量监控预警预报管理等成套系列软件。轨道工程建设的相关单位通过一体化平台直接从服务器中使用数据库文件，这样可以有效保证数据的一致性和完整性。一体化平台中的网络系统包括在线接入、在线数据库文件更新及下载等功能，并保证传输的安全性和高效性。设计、制造、施工、建设、监理等各单位，及工程设计和建造的各阶段均可在一体化平台进行有效的协同工作。

最后，形成利益共同体，建立一体化协同管理平台使设计、制造、施工及建设单位达到互利共赢。施工单位在轨道工程建造时，前序工程施工误差不累积，后序工程施工前可及时发现问题并进行处理，各工序施工过程中的偏差可实现设计的动态化调整，不需更多的设计变更，设计单位提供的数据文件通过一体化平台可高精度、高质量和高效率的完成轨道板铺设，轨道板铺设的工程误差可自动和实时的记录到一体化平台中，一体化平台可自动分析后序钢轨精调时的非标准部件的数量、铺设位置，极大降低了工程费用。轨道板制造时，利用一体化平台的数据文件可对模具和成品板进行高效检测和验收，采用满足轨道施工过程变化的动态数据使轨道板制造不产生废品，同时为每天成百上千的轨道板信息实现自动和实时的记录，不仅提高了制造质量和效率，还极大地降低了人力成本。

（三）提高技术和设计能力，为实施设计建造一体化创造条件

铁四院开展系列技术攻关，实现多项技术的提升和革新，在轨道数据模型构建、现场施工和轨道板制造过程中的数据实时回收、采用数控机床进行轨道板三维可调式制造等技术均为国内首创，提升高铁轨道工程的设计建造水平，为实施设计建造一体化提供了技术保障。

创新轨道设计数据和信息化技术，实现轨道数据模型构建技术的重大突破。铁四院根据轨道设计方案和施工图纸，研究制定轨道数据文件标准，及针对制造、施工单位制订接口标准。通过建立轨道三维数据模型，研发轨道设计数据生成软件，将各专业接口数据文件及轨道设计原则、设计参数输入，实现轨道三维数据文件的自动生成，以实现一体化平台中的动态化设计功能。

实现“互联网+”技术的应用和创新。利用轨道施工测量设备全站仪和电子水准仪，研究新型测量方式及数据交互手段，研究现场数据回收方式，并将数据实时与一体化平台进行交互，实现设计数据、施工过程动态数据的实时性，为一体化协同提供可靠保证。

轨道制造和施工新技术应用及创新。提出轨道板采用数控模具进行制造，为适应不同类型轨道板的制造，研发三维可调式模具；同时针对轨道板检测，利用激光、高清摄像等技术研发轨道板检测装备；针对轨道结构施工技术，研究提出采用可调式模板、CPⅢ轨道精调等施工技术；为轨道信息化制造和施工提供技术保障。

研发“一体化平台服务器软件”“轨道设计数据生成软件”“轨道板制造和模具检测软件”“底座板铺设软件”“轨道铺设精调软件”等系列软件，为一体化协同管理的顺利实施提供保证。

此外，设计单位调整角色定位，从单纯设计的角色转变为“设计+服务”的角色，在设计完成后除提供设计施工图以外，还提供数字化的设计数据库文件，为后续单位的制造、施工等提供共享的设计成果，将设计向后延伸，最终实现动态设计。通过角色的转变及共享设计成果文件，实现各单位的组织协同。

（四）加强数据文件管理，为实施一体化提供信息化支持构建一体化平台核心是数据库数据库主要由以下两类数据，文件构成。

第一类“设计施工图数据文件”，即设计单位将轨道设计施工图文件转化形成的数据文件。该数据文件为一体化平台的初始设计成果数据文件，是将设计方案、图纸、文件进行数据化，将设计施工图中钢轨、轨道板、底座、扣件等各层结构的坐标、里程、型号，并依据测量、线路、站场、路基、桥梁、隧道等各专业的设计数据，结合轨道结构设计数据，在全线范围内转化形成的数据库。

第二类“施工全过程动态数据文件”，即将设计施工图数据文件进行轨道部件制造和轨道工程施工时，把施工过程中的现场数据记录形成的数据文件。该数据文件作为一体化平台中的实时动态数据文件，是将现场施工环境等相关参数数据化，结合设计数据对现场的施工误差进行调整，从而对设计数据文件进行修正。同时随着工程的进展，把通过专业设备收集到的已完成产品的实际验收和测量数据动态记录的一体化平台中，使得一体化平台数据库文件保持实时最新状态，保证数据的实时性。

两类数据文件相辅相成，第一类数据文件是轨道工程制造和施工的依据，第二类数据文件是现场施工状态的反馈，是开展建造过程协同和动态化设计的数据依据。当轨道工程制造和施工过程中发生工程偏差或前序工程变更时，通过第二类数据文件的现场实时反馈，可对第一类数据文件进行动态更新，确保第一类数据文件满足制造和施工实际情况，实现轨道工程设计、制造、施工的过程、组织和信息的全方位协同，使轨道工程建造中的各项生产过程和组织单元之间实现深度协同和双向反馈。

各单位明确由专人团队进行数据文件管理，确保平台数据的安全、保密和完整。对数据文件建立强化协调、密切配合，形成齐抓共管的机制。各单位明确由项目经理主管数据文件，建设单位组织设计、制造、施工等单位做到数据文件的统一标准、统一建设、统一管理。同步考虑保密技术防范措施，同步投入保密技术防范设备。

（五）强化各方协同管理

1.设计与施工协同

设计单位完成轨道工程设计形成施工图数据文件，其数据文件作为一体化平台的基础数据，轨道施工以该数据文件为依据。以底座板铺设施工为例，利用“底座板铺设软件”，测量采用的全站仪与软件关联，从一体化平台服务器中选择设计数据文件，进行底座板施工放样，在施工放样的同时测量路基、桥梁和隧道等线下工程的高程坐标、路桥分界里程、梁缝里程等，测量得到的数据实时上传到一体化平台，一体化平台自动运行设计布置软件生成新的设计数据文件（动态设计过程），新的设计数据文件会自动得出底座板放样调整位置，从而指导底座板精确的施工。

轨道工程施工最核心的工作是轨道板精调，在完成底座板施工、轨道板粗铺后，前序工作的施工误差等均通过各过程测量仪器和软件系统上传到一体化平台，一体化平台完成动态设计后形成的新数据文件，指导“轨道板精调软件”进行轨道板精调。

2.设计与制造协同

轨道制造以一体化平台中的设计数据文件为依据，轨道板预制厂进行生产时，利用“轨道板制造软件”，从一体化平台服务器中选择将预制生产的轨道板对应的数据文件，进行轨道板模具的调整和检测，检验合格后浇筑混凝土制造轨道板，实现设计与制造的协同。

当轨道板生产完成后，利用检测仪器和“轨道板成品板验收软件”，对轨道板（如长度、宽度、高度、施工偏差等）进行测量检验，根据相关的制度和流程将经过确认的检测数据传送到一体化服务平台中，实现制造过程对轨道板制造的修正和更新。

3.制造与施工协同

施工过程由于发生偏差或变更，将导致工厂预制件（轨道板等）的数量、尺寸、型号等发生变化。轨道工程施工利用“轨道施工铺设软件”采用全站仪、水准仪等测量设备进行测量和检测，施工铺设软件与全站仪、水准仪等测量设备及一体化平台进行实时对接。轨道施工时，一方面软件连接一体化平台下载最新数据进行轨道施工放样、铺设精调；另一方面现场的施工和精调数据又反馈到一体化平台中。如现场施工过程中发现桥梁的墩台里程发生偏差（该里程的偏差可直接导致轨道板布置、甚至型号发生变化），其偏差值实时通过与“轨道施工铺设软件”上传至一体化平台，一体化平台根据偏差值完成动态设计，重新生成轨道板布置数据，其更新的数据随即反馈给轨道板制造工厂，制造工厂利用“轨道板制造软件”连接一体化平台，即可根据一体化平台中的最新的数据进行轨道板制造，从而实现制造与施工的协同。

此外，轨道板制造完成后需逐一对轨道板进行检测，利用“轨道板检测软件”将检测数据（包括轨道板的制造误差等数据）上传到一体化平台中，轨道钢轨在进行±1mm的施工精调时，可利用一体化平台中轨道板误差数据准确计算出精调部件的调整量，从而提高精调的效率和非标准精调件的使用量，降低造价。

4.轨道工程与其他各专业间的协同

轨道工程设计建造一体化协同管理，还包括轨道工程与路基、桥梁、隧道、线路、通信、信号等各专业间的协同，主要工作是做好轨道设计、施工过程中与各专业的接口协同管理。轨道工程是在路基、桥梁和隧道（简称“路桥隧”）建造完成的基础上进行的，路桥隧在建设过程中发生变更情况，需及时将变更方案和数据反馈到一体化平台中，同时路桥隧建造完成后对其进行的验收和复测情况也及时反馈到一体化平台中，从而实现前后序各专业间的协同管理。

通信、信号等各专业是在轨道工程完成后进行建造的，是轨道工程的后序工作，轨道工程的设计变更及建造完成后的轨道结构类型、铺设里程、线路数据等信息，可通过一体化管理平台及时提供给通信、信号等后序工作，实现各专业、工序间的协同。

（六）建立一体化协同管理的保障体系

1.组织保障

铁四院成立了一体化协同管理领导小组、专家委员会，组建了一体化协同管理项目总体组。为保证项目顺利推进，线站处将该项目作为“一把手”工程付诸实施，由线站处处长担任项目组组长，轨道所所长担任总体设计负责人。铁四院还拥有无砟轨道技术湖北省工程实验室，具备轨道结构现场试验、状态监测和安全评估能力，为一体化协同管理提供强大的现场测试和评估服务。同时，在具体的工程项目建设过程中，各参建设单位均成立常驻现场的办公机构（指挥部或项目部），配齐配强各类技术、管理人力资源，为一体化协同管理的顺利运行提供稳定的组织保障。

2.制度保障

针对轨道工程设计建造一体化协同管理，制定了20余项制度和规范，为一体化协同管理的顺利实施提供制度保障。

针对数据文件的标准化管理，分别针对设计、制造、施工等单位制定《轨道设计数据文件标准格式》《施工过程动态数据文件标准格式》《一体化平台数据交互方式规程》等数据标准化管理制度。

针对建造过程的各工序的施工工艺，制定《CPⅢ控制网测量作业指导书》《无砟轨道底座作业指导书》《轨道板精调施工作业指导书》等作业指导书，为轨道工程的标准化施工提供保障。

针对轨道板工厂预制制定《轨道板制造技术规范》《轨道板模具调整和检测作业指导书》《轨道板成品板检测作业指导书》等作业指导书，为轨道工厂预制件的制造标准和标准化作业提供依据。

针对一体化协同管理系列软件，编制《一体化协同管理平台软件用户使用手册》《轨道板制造和模具检测软件用户使用手册》《底座板铺设软件用户使用手册》《轨道铺设精调软件用户使用手册》等，保证各软件的正常使用。

3.人才保障

一是制定一体化协同管理人才发展规划，铁四院制订并实施“361”人才工程，分类制订管理、技术、操作三类人才建设目标；依托工程实验室、博士后科研工作站、劳模创新工作室等研发平台，采取自主培养和外部引进等方式，大力培养和引进项目管理、软件开发、网络技术、数控制造、BIM等相关人才，形成了一支配套齐全、结构合理、数量充足的一体化协同管理人才队伍，保障一体化创新协同管理工作的持续性和创新性。

二是主动承担一体化协同管理人才培养的责任。针对制造、施工等单位在一体化协同管理的职责定位和管理需求，编制各工序工艺、各单位和部门的培训教材、作业指导书、使用手册等，充分利用正在开展的重大工程项目、科研项目等实践平台，组织开展各类管理培训和技术交流活动，加快培养各单位和部门的一体化协同管理人才队伍。

三是利用高铁轨道工程一体化协同平台，集成先进的软件工具、设计和施工经验，建立网络化的知识管理系统，加强各单位一体化协同管理知识经验的共享，将设计建造经验转化为手册，促进知识的快速积累、共享和传承。

三、高铁轨道工程设计建造一体化协同管理效果

（一）创造了一体化的建造管理模式，提高了设计和建造效率

轨道工程设计建造一体化协同管理，统一了专业接口，加强了项目建设、设计、制造和施工单位之间的横向沟通和信息交流，真正实现了专业设计和项目参建各方之间的设计成果共享，实现了动态化、信息化、协同化的管理模式，达到高效和全方位过程控制，提高设计、制造、施工和监控的质量与效率，使得标准化得到全面落实，真正做到“事事有标准，人人讲标准，处处达标准”，确保高速铁路建设工程质量，为安全运营打下了坚实基础。一体化协同管理极大地减少和避免了差、错、碰、漏和设计返工，减少了人力资源投入，提高了生产效率，经济效益显著。如湖北城际铁路在无砟轨道制造和施工过程中，未产生轨道板废品，未出现轨道工程质量事故，轨道建设工期缩短两个月。此外，极大地提高了轨道施工精调效率，减少了非标准扣件的使用，提高了高速铁路建设效率，节省了工程投资，提高了经济效益。湖北城际铁路仅减少非标准扣件一项，节约工程投资约8000万元。

（二）提高了设计建造质量水平，确保高铁安全运营

轨道工程设计建造一体化协同管理模式，通过高效和实时的过程控制提高了设计、制造和施工的质量水平，开创了中国高铁轨道工程设计建造管理新模式。例如湖北城际铁路在无砟轨道施工过程中实现了“零缺陷”“零变更”和“零返工”，实现了轨道工程建造质量的重大提升。尤其显著控制了轨道板的制造和铺设精度，将传统模式的轨道板铺设精度由0.5～2mm提升至0.35mm。同时有效控制了底座板面高程，传统模式出现大量的底座板太厚或太薄（经常出现超过20mm以上的公差，严重超出规范规定的10mm公差）引起工程质量问题，采用一体化的建造管理模式湖北城际铁路底座板达到了100％的高程和厚度质量控制，在铁路总公司组织的一次专家验收会中底座高程和厚度90％以上达到±2mm的高精度控制。

同时作为设计企业，一体化协同建造管理提高了设计质量，极大降低了设计质量事故，也降低了制造和施工单位的质量事故。湖北城际铁路建设过程中未发生由于设计、制造或施工单位造成的质量事故，提升了企业形象，减少了过程控制风险，将工程质量控制和管理真正地实现了中间各环节的全方位控制，极大地提高了工程建造质量和提高了建设效率、缩短了工期，确保了高铁建造安全和运营。

（三）提升了高铁设计建造的国际核心竞争力

一体化协同管理首次提出了设计成果信息数据化，以统一的标准设计数据文件作为全新的设计成果表现形式，改变了传统设计只提供设计图纸指导施工的模式，进一步加强了轨道工程设计业务标准化建设。铁四院在一体化协同管理构建过程中，成功开发了一体化软件系统，并通过省部级成果测试和鉴定。2014年5月20日，中国铁路总公司组织现场测试和审查，明确该系统“可推广应用于高铁项目”。2015年6月30日，湖北省科技厅主持“一体化平台及软件系统”成果鉴定会，认为该成果“基于设计、制造和施工一体化理念，首次实现了无砟轨道布板设计、制造和铺设一体化的建造技术管理”，“创新实现了自动生成轨道结构的空间位置、高程、矢距等布板设计；实现了轨道板模具水平、垂直方向的二维调整和成品板检测；利用全站仪进行数据交换，实现了快速高精度的底座定位、轨道板粗铺和精调”，“对于推动我国自主创新高铁轨道技术发展具有重要意义，整体技术达到了国际领先水平。”

（成果创造人：黄正华　孙　立　王森荣　胡晓兵　许国平　李秋义　江先冬　邓振林　郑　洪　刘莉虹　孙智勇　刘　博）