基于BIM的三維設計交底和施工工序仿真技術

王自超

（中國鐵路設計集團有限公司 工程實驗室，天津 300308）

0 引言

中國國家鐵路集團有限公司（簡稱國鐵集團）于2013年開始大力推廣以BIM為代表的鐵路工程建設信息化技術［1］，主導成立了鐵路BIM聯(lián)盟，2014—2019年，先后組織了16個以設計階段為主的鐵路BIM應用試點項目。通過近幾年的推廣和應用，我國鐵路BIM技術從單專業(yè)單工點應用發(fā)展為多專業(yè)成段落應用，最終發(fā)展到全專業(yè)全線應用，協(xié)同設計平臺、BIM標準、BIM工作流程、創(chuàng)建和交付BIM成果得到了全流程驗證和應用［2］。

BIM技術不僅能在設計優(yōu)化中發(fā)揮重要價值，而且為技術交底提供了更豐富的展現(xiàn)方式［3］。

鐵路建設項目技術交底包括設計技術交底和施工技術交底兩部分。技術交底是鐵路建設的重要程序，是鐵路建設技術管理的重要內容。國鐵集團在《中國鐵路總公司鐵路建設項目技術交底管理辦法》（鐵總建設〔2019〕72號）中明確要求：倡導利用BIM技術等信息化手段開展技術交底［4］。

設計技術交底是設計單位專業(yè)技術人員將設計內容、設計意圖和施工注意事項向建設、施工、監(jiān)理單位相關人員解答說明的過程；施工技術交底是施工單位專業(yè)技術人員將施工方案及施工工藝、施工進度計劃、過程控制及質量標準、作業(yè)標準、材料設備及工裝配置、安全措施及施工注意事項、應急處置措施等向參與施工人員傳達的過程［4］。

鐵路工程建設按不同工序、工種部位、區(qū)段、階段、系統(tǒng)，把項目劃分成不同單元，包括單位工程、分部工程、分項工程和檢驗批。單位工程是指1個完整構筑物、1個獨立系統(tǒng)，如1座大橋、1座隧道、1段路基、1個給水站、1個變電所、1個監(jiān)控系統(tǒng)等；分部工程是1個單位工程中的完整部位、主要結構、施工階段或功能相對獨立的組成部分，如1個橋梁單位工程，包括基礎、墩臺、梁部、附屬設施等分部工程；分項工程是工種、工序、材料、設備、施工工藝，如模板、鋼筋、混凝土、信號機、燈塔、洗車機等［5-6］。

目前鐵路建設項目各單位、分部、分項工程的技術交底仍以傳統(tǒng)二維CAD圖紙和書面文字材料為主［7］，交底過程往往出現(xiàn)設計信息和意圖傳遞缺失的情況，尤其在復雜工程和專業(yè)接口工程中傳遞缺失更嚴重，導致許多技術交底質量不高出現(xiàn)返工的現(xiàn)象［8］，BIM技術能夠很好地彌補傳統(tǒng)設計交底在可視化表達方面的不足。

我國鐵路BIM技術在設計階段的研究和應用已經較成熟，設計階段BIM數(shù)據如何向施工階段傳遞、解決施工企業(yè)項目BIM技術應用問題［9］、讓BIM技術在施工階段發(fā)揮價值，是當下鐵路BIM技術研究需要重點解決的難題。

從三維設計交底和施工工序仿真的角度，對鐵路單元劃分、不同BIM應用平臺之間的數(shù)據傳遞方式、設計交底工具和方法進行分析，編寫設計交底BIM應用標準化流程和相關配套手冊，對設計階段鐵路BIM成果如何向施工單位傳遞進行研究和舉例，依托具體項目，開展鐵路BIM設計交底和交付應用示范，以期為BIM技術在其他工程施工階段的應用提供參考。

1 技術路線

基于BIM的三維設計交底和施工工序仿真研究技術路線見圖1，展示了一種通過BIM基礎建模平臺完成鐵路工程信息模型創(chuàng)建后，根據不同模型體量和應用需求，分別導入不同BIM應用平臺進行三維設計交底、施工工序仿真、多專業(yè)大場景BIM數(shù)據融合展示的技術路線，系統(tǒng)分析BIM建模平臺向BIM應用平臺的數(shù)據傳遞方法和流程，并針對各應用平臺對BIM數(shù)據大小和展示效果支持程度的差異，分析適用于項目級、單位、分部、分項工程等不同鐵路工程單元的BIM應用平臺，以及相應的施工應用場景。

圖1 基于BIM的三維設計交底和施工工序仿真研究技術路線

2 分部分項工程三維設計交底

將3D數(shù)據流存入PDF文件形成3D PDF格式文件，可以將3D數(shù)據流存入PDF文件，以3D注釋的方式嵌入并表示三維場景［10］。

針對單體設備、設施、構筑物等分部分項工程，如1個橋梁單位工程的基礎、墩臺、梁部、附屬設施等分部工程；或橋梁分部工程中的模板、鋼筋、混凝土等分項工程，可將BIM模型導出為3D PDF格式文件，借助PDF編輯器進行編輯和制作，在PDF文件中實現(xiàn)三維模型的瀏覽查看，既可對模型三維結構進行精細化表達，又可進行精確尺寸測量。基于3D PDF的分部分項工程三維設計交底流程見圖2。

圖2 基于3D PDF的分部分項工程三維設計交底流程

3D PDF格式文件非常適合作為鐵路分部分項工程三維設計交底說明性文件，三維模型在PDF中可以實現(xiàn)自由旋轉、測量、剖切，通過個性化定制，輔以文字、圖紙、標注等補充說明，形成可交互式三維設計說明書，便于施工單位對設計圖紙的認識和理解，作為傳統(tǒng)文字性設計說明的有力補充，低成本、高效率解決設計意圖在流轉過程中的信息丟失問題。分部分項工程3D PDF格式文件見圖3，分部分項工程應用示例見圖4。

圖3 分部分項工程3D PDF格式文件

圖4 分部分項工程應用示例

3 單位工程三維設計交底及施工工序仿真

小型工點級的鐵路單位工程，如1座橋梁、1座隧道、1段路基，可借助Composer進行三維設計交底和BIM成果交付；借助Bentley可視化4D施工模擬等專業(yè)仿真平臺，可將BIM模型與現(xiàn)場施工進度計劃甘特圖結合，動態(tài)模擬單位工程的施工進度。

3.1 單位工程三維設計交底

Composer是一款圖形設計軟件［11］，兼容3D XML格式BIM模型，通過標注、批注、局部放大鏡、剖切、測量、時間軸、關鍵幀等工具，可充分展示復雜鐵路單位工程的各個細節(jié)，如1座橋梁、1座隧道、1段路基等，并快速實現(xiàn)BIM模型的動態(tài)演示，可以解決傳統(tǒng)基于BIM的數(shù)據、視頻、PPT、圖片等形式成果不可測量、不可交互的弊端，提高施工單位的可接受程度，降低使用成本。基于Composer的三維設計交底文件制作技術路線見圖5。

圖5 基于Composer的三維設計交底文件制作技術路線

通過平臺發(fā)布工具，可將制作成果發(fā)布為輕量EXE可執(zhí)行文件，Windows系統(tǒng)無需安裝第三方軟件，即可直接打開瀏覽和交互操作。單位工程Composer格式文件見圖6，單位工程應用示例見圖7。

圖6 單位工程Composer格式文件

圖7 單位工程應用示例

3.2 單位工程施工工序仿真

1座橋梁、1座隧道、1段路基等復雜單位工程的施工工序仿真，是BIM技術在施工階段的一個重要應用點。目前可以實現(xiàn)施工仿真的BIM應用平臺主要包括Navisworks、Synchro4D、Fuzor、廣聯(lián)達BIM 5D、Bentley可視化4D施工模擬平臺等。其中Navisworks和Fuzor更偏向于施工動畫制作，Bentley可視化4D施工模擬平臺和廣聯(lián)達BIM 5D更專注于整合BIM模型、施工進度計劃、施工組織邏輯、材料、成本、供應商等資源，是較專業(yè)的施工模擬仿真平臺。

通過將達索Catia V6系統(tǒng)建立的3D XML格式BIM模型和項目管理軟件建立的XML格式施工進度計劃，導入Bentley可視化4D施工模擬平臺，進行模型結構樹整理、施工模型與計劃任務關聯(lián)，調整甘特圖，設置模型動作，設置視角和圖例顯示，可快速實現(xiàn)工點的施工進度模擬仿真［12］。基于Bentley可視化4D施工模擬平臺仿真技術路線見圖8。

圖8 基于Bentley可視化4D施工模擬平臺仿真技術路線

通過平臺提供的動畫制作工具，可在同一動態(tài)畫面中關聯(lián)集成施工進度計劃、甘特圖、三維模型、當前施工構件、構件施工日期、構件供應商、資源消耗水平等一系列施工過程，為施工組織排布、施工工序優(yōu)化提供幫助。單位工程施工進度模擬仿真見圖9。

圖9 單位工程施工進度模擬仿真

4 項目級大場景、多專業(yè)工程三維融合展示

區(qū)別于民用建筑工程的單體點狀特點，鐵路項目多為長大帶狀工程，完成BIM設計后，如何脫離BIM建模平臺，高效、快速、低成本地傳遞至BIM應用平臺，是鐵路BIM成果向施工單位傳遞的一大難題。目前比較好的大體量鐵路BIM數(shù)據集成和傳遞方式為BIM+GIS模式［13］，但這種模式依賴于互聯(lián)網進行數(shù)據傳輸，一定程度上限制了BIM數(shù)據向施工環(huán)節(jié)的傳遞，不便于施工單位對BIM成果的高效瀏覽和使用。

基于達索Catia V6系統(tǒng)建立鐵路工程信息模型，通過將達索3D XML格式BIM模型導入Composer，轉換為3D S格式文件，進而導入Navisworks，實現(xiàn)了鐵路工程項目級大場景、多專業(yè)BIM數(shù)據在本地計算機的快速集成和展示。基于達索Catia V6系統(tǒng)和Navisworks平臺的鐵路BIM模型本地化集成技術路線見圖10，某項目Navisworks多專業(yè)、大場景集成展示工程應用示例見圖11。

圖10 基于達索Catia V6系統(tǒng)和Navisworks平臺的鐵路BIM模型本地化集成技術路線

圖11 某項目Navisworks多專業(yè)、大場景集成展示工程應用示例

5 應用

5.1 鹽通高鐵動車所工點

為詳細表達臨修庫的各組成部分，基于3D PDF制作了交互式三維設計說明書交付施工單位，實現(xiàn)建筑、結構、檢修設備三維模型的瀏覽查看、旋轉、測量、剖切，通過個性化定制，輔以文字、圖紙、標注等補充說明，大大方便了中國中鐵建工集團有限公司施工人員對文字性設計說明的理解，縮短了交底時間，減少了溝通次數(shù)，提高了交底效率。動車所臨修庫3D PDF格式設計說明書示例見圖12，設計交底現(xiàn)場見圖13。

圖12 鹽通高鐵動車所臨修庫3D PDF格式維設計說明書示例

圖13 鹽通高鐵設計交底現(xiàn)場

5.2 雅萬高鐵土建二標工點

基于Composer制作了DK86+957.00—DK86+987.40區(qū)間路橋、路隧過渡電纜井EXE設計交底程序，對各結構關鍵尺寸、剖面進行了詳細標注和說明，多次輔助我國設計人員與當?shù)赝檠趴栄殴荆╓ijaya Karya）進行設計思路溝通。過渡電纜井EXE設計交底程序見圖14。

圖14 雅萬高鐵土建二標過渡電纜井EXE設計交底程序

5.3 廣湛高鐵佛山特大橋和湛江灣海底隧道工點

為清晰表達東平水道斜拉橋725 m大跨度鋼混組合梁特殊結構及湛江灣海底隧道與周邊環(huán)境關系，基于Composer和Navisworks制作了鋼混結合段EXE設計交底程序和全專業(yè)BIM模型NWD集成文件，減少了設計和施工單位溝通次數(shù)，方便了中鐵廣州工程局集團有限公司和中鐵十四局集團有限公司施工人員對設計意圖的理解。鋼混結合段EXE設計交底程序見圖15、全專業(yè)BIM模型本地集成見圖16、現(xiàn)場設計交底見圖17。

圖15 廣湛高鐵鋼混結合段EXE設計交底程序

圖16 廣湛高鐵全專業(yè)BIM模型本地集成

圖17 廣湛高鐵設計交底現(xiàn)場

6 結論

從三維設計交底和施工工序仿真的角度，對鐵路單元劃分、數(shù)據傳遞流程、適用于不同數(shù)據體量的BIM應用平臺、應用場景進行分析，對設計階段鐵路BIM成果如何向施工企業(yè)傳遞進行研究和舉例。結果表明：

（1）針對鐵路分部分項工程：如單體設備、設施、構筑物等，可以通過3D PDF進行三維設計交底說明，構件三維模型在PDF中可以實現(xiàn)自由旋轉、測量、剖切，PDF頁面可以自由靈活定制，便于施工單位對設計圖紙的認識和理解，可作為傳統(tǒng)文字性設計說明的有力補充，低成本、高效率解決設計意圖在流轉過程中的信息丟失問題。

（2）針對鐵路單位工程：如1座橋梁、1座隧道、1段路基，可以通過Composer和Bentley可視化4D施工模擬等平臺進行三維設計交底、BIM成果交付和動態(tài)施工仿真，借助標注、批注、局部放大鏡、剖切、測量、時間軸、關鍵幀等工具，可充分展示復雜工點的各個細節(jié)，實現(xiàn)BIM模型的快速交付和動態(tài)演示。

（3）針對鐵路長大帶狀工程：可以通過Navisworks進行達索系統(tǒng)全專業(yè)BIM數(shù)據的本地化集成，緩解達索系統(tǒng)BIM數(shù)據向施工單位傳遞的難題。