西安地鐵3號線軌道工程BIM技術(shù)研究及應(yīng)用

陳杰

【摘要】對軌道項目施工管理具有線路狹長，管理跨度大，線型控制難、施工精度高，道床類型多、工程量計算復(fù)雜，作業(yè)面交叉作業(yè)多、施工組織難度大，過渡段結(jié)構(gòu)復(fù)雜、施工要求高等難點，以西安地鐵三號項目為試點，在軌道施工中首次采用BIM技術(shù)，實現(xiàn)了地鐵無砟道床三維精準(zhǔn)建模、工程量精確提取、可視化交底、施工模擬。

【關(guān)鍵詞】地鐵軌道；BIM技術(shù)；軌道模型

【中圖分類號】U213.2

【文獻標(biāo)識碼】A·B

【Abstract】It is difficult to deal with the construction management of the track project， the management span is large， the linear control is difficult， the construction precision is high， the type of the track bed is large， the engineering quantity is complicated， the working area is crossed， the construction organization is difficult， the transition structure is complex， Difficult， through the Xi'an Metro Project 3 as a pilot， in the orbital construction for the first time using BIM technology， to achieve the subway ballastless track three-dimensional precision modeling， engineering precision extraction， visualization， construction simulation.

【Key words】Subway track；BIM technology；Track model

1. 背景技術(shù)

1.1我國地鐵工程建設(shè)正處于高速發(fā)展時期，地鐵的建設(shè)將極大的緩解城市交通壓力。地鐵軌道工程是土建及機電安裝承上啟下的關(guān)鍵工程。地鐵軌道工程施工具有：（1）施工管理線路狹長、管理跨度大；（2）線型控制難、施工精度高；（3）道床類型多及軌道扣件繁雜、工程量計算復(fù)雜；（4）作業(yè)面狹長且交叉作業(yè)多、施工組織難度大；（5）過渡段結(jié)構(gòu)復(fù)雜、施工要求高；（6）安全風(fēng)險大、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)等特點。給施工管理帶來巨大挑戰(zhàn)。目前的管理模式大部分依靠傳統(tǒng)的人工管理模式，信息溝通和協(xié)同管理手段落后，信息化程度底，與地鐵高速發(fā)展不相匹配，尤其是基本的管理問題難以解決，如道床類型及軌道部件多，工程量人工統(tǒng)計耗時耗力，計算復(fù)雜、精確度低，造成材料提取困難，浪費嚴(yán)重，建設(shè)成本增加，現(xiàn)場軌行區(qū)交叉作業(yè)多，安全風(fēng)險大，落后的管理手段無法實現(xiàn)可視化管理、協(xié)同管理、模擬建造等，不利于安全控制。采用信息技術(shù)構(gòu)建地鐵施工時間及空間模型，實現(xiàn)地鐵施工現(xiàn)場“信息化，精細(xì)化”管理是時代發(fā)展的必然趨勢。

1.2我公司承建的西安地鐵3號線軌道工程施工項目，在國內(nèi)外首次將BIM技術(shù)引入地鐵軌道施工領(lǐng)域，實現(xiàn)集成地鐵工程地理位置、周邊建筑物、工程設(shè)計方案、施工工法、現(xiàn)場施工人員及機械行為等多因素，通過借鑒其它領(lǐng)域BIM技術(shù)應(yīng)用的成功案例，實現(xiàn)了BIM技術(shù)在地鐵鋪軌施工中成功應(yīng)用。

2. 工程概況

西安地鐵3號線全長39.9公里，設(shè)車站26座。本次BIM技術(shù)應(yīng)用先以胡家廟至石家街區(qū)間段作為研究對象。全長：1477.282m； 其中包括：曲線段830.299m，道床類型9種，扣件4類。 項目特點：（1）減振道床類型多，各施工工藝復(fù)雜；（2）施工精度要求高（線性、空間位置）（3）項目管理難度大。通過該段的研究應(yīng)用和驗證，進一步優(yōu)化改進，拓展研究內(nèi)容，推廣應(yīng)用于全線路軌道工程施工。

3. 項目研究的主要內(nèi)容

（1）結(jié)合地鐵軌道工程的特點，通過對現(xiàn)有各種建模軟件的深入分析（用魯班、Revit及CATIA三款軟件分別進行建模試驗，對比各自優(yōu)缺點后，選取最適合本項目的一款軟件建立完整BIM模型，并進行后期應(yīng)用），選擇CATIA建模軟件，以突破軌道曲線、超高等精細(xì)化建模的瓶頸，創(chuàng)建地鐵各種類型道床結(jié)構(gòu)和軌道部件及施工機具設(shè)備等參數(shù)化模型庫和施工工藝仿真庫。

（2）建立基于參數(shù)化模型，通過測量任意里程處的剖切斷面可以得到斷面的結(jié)構(gòu)尺寸模型，并直接提取出坐標(biāo)、標(biāo)高、控制點距離等信息。

（3）將輔軌施工的二維信息（圖紙信息）轉(zhuǎn)化為三維實體模型，通過錯漏碰缺檢查，實現(xiàn)圖紙二次深化設(shè)計。

（4）精準(zhǔn)建模，配合項目部實現(xiàn)多維度、多視角現(xiàn)場施工三維精準(zhǔn)技術(shù)交底，在模型及應(yīng)用平臺中獲取各施工段有關(guān)信息。

（5）專業(yè)開發(fā)插件，配合項目部進行施工進度管理及材料管理。基于施工進度的4D模擬，按照施工進度提取材料量（包括：鋼軌、軌枕、混凝土、扣件），從而幫助項目部進行庫存管理。同時，將實際的材料消耗量通過接口附加在BIM施工模型數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)全周期信息共享。

（6）基于DELMIA的施工仿真技術(shù)，模擬現(xiàn)場施工、優(yōu)化施工組織和場地布置，制作鋪軌基地建設(shè)、基地軌排安裝、普通整體道床施工、鋼彈簧浮置板道床施工等過程動漫仿真，指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

（7）軌道過渡段三維建模，實現(xiàn)精準(zhǔn)施工。

（8）開發(fā)BIM5D應(yīng)用協(xié)同管理平臺。利用BIM5D管理平臺實現(xiàn)安全質(zhì)量信息化管理，即現(xiàn)場人員一旦發(fā)現(xiàn)安全質(zhì)量問題及重大危險時，可通過移動端上傳管理平臺，實現(xiàn)信息共享、部門協(xié)調(diào)、團環(huán)對應(yīng)等管理目標(biāo)。endprint

（9）更新、維護工程BIM模型及應(yīng)用平臺。施工過程中需要設(shè)計變更、人員設(shè)備變化時，根據(jù)項目實際，及時修正模型、維護平臺信息。

（10）BIM技術(shù)培訓(xùn)及應(yīng)用推廣。

4. 應(yīng)用軟件綜合分析

項目通過對各系列BIM應(yīng)用軟件進行綜合對比分析，國內(nèi)外主要BIM技術(shù)系列軟件對比分析如表1，決定選用CATIA作為建模軟件，Delmia作為仿真制作軟件，另針對該項目開發(fā)了基于CATIA的BIM5D-BIM技術(shù)應(yīng)用管理平臺（國內(nèi)外主要BIM技術(shù)系列軟件對比分析見表1）。

5. 軌道BIM關(guān)鍵技術(shù)

5.1審核施工圖紙及參數(shù)，完成無砟道床及鋼筋模型。

（1）地鐵軌道具有設(shè)計類型多、軌道部件繁雜、預(yù)埋管線多的特點，尤其是減振道床，設(shè)計結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鋼筋密集，二維圖紙給圖紙審核、工程量計算、專業(yè)交叉碰撞檢查等帶來很大難度。為了保證鋪軌施工的準(zhǔn)確、精細(xì)性，首次將機械設(shè)計領(lǐng)域的CATIA建模軟件應(yīng)用于鋪軌施工中，突破了曲線、超高等精細(xì)化建模的瓶頸；實現(xiàn)了參數(shù)化道床模型庫、施工工藝仿真庫的創(chuàng)建。軌道BIM技術(shù)通過嚴(yán)格、細(xì)致的設(shè)計管理體系，保證項目從方案、初步設(shè)計、施工圖紙到現(xiàn)場施工全周期的技術(shù)把關(guān)，消滅人為因素造成的施工質(zhì)量差異，從而最大限度控制工作成本，成功杜絕了因設(shè)計造成的返工浪費。通過將地鐵輔軌建設(shè)項目的二維信息（圖紙信息）全部轉(zhuǎn)化為三維實體模型，將整個建設(shè)項目的土木、材料、施工等全部信息融合到模型數(shù)據(jù)庫中，工程技術(shù)人員可以對整個項目施工所需的曲線要素、空間技術(shù)參數(shù)、斷面結(jié)構(gòu)盡寸、坐標(biāo)及標(biāo)高信息實施準(zhǔn)確查詢。同時，BIM模型還集成了所有與管理有關(guān)的行為信息，并通過信息關(guān)聯(lián)、調(diào)用等方式可真實模擬整個建設(shè)過程的實際行為，使工程技術(shù)人員對各種建筑信息作出正確理解和高效應(yīng)對，為各方建設(shè)主體提供協(xié)同工作的基礎(chǔ)，在提高生產(chǎn)效率、節(jié)約成本和縮短工期方面發(fā)揮重要作用，實現(xiàn)項目精細(xì)管理，如圖1、圖2。

（2）項目信息化整體模型如圖3。

5.2配合項目部進行多維度、多視角現(xiàn)場施工三維精準(zhǔn)技術(shù)交底。

（1）項目施工過程中，施工圖紙、設(shè)計變更、圖集、施工規(guī)范及施工驗收標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等技術(shù)文件資料均在施工管理技術(shù)人員手中，管理人員必須通過技術(shù)交底的形式將設(shè)計意圖、施工技術(shù)要求和安全操作事項等灌輸給具體操作人員。技術(shù)交底有書面交底、口頭交底和樣板交底，其中以書面交底最多，而樣板交底是效果最好的一種。項目基于BIM施工模型，利用3DVIA Composer三維交互式瀏覽技術(shù)，將項目的BIM施工模型進行輕量化處理，結(jié)合必要的文字概要、工程文檔、圖紙、視頻等，并對重要工程結(jié)構(gòu)和施工構(gòu)件進行參數(shù)標(biāo)注，形成三維化的“圖紙”和工程信息電子文檔?，F(xiàn)場施工人員可以利用該文檔查看三維BIM模型、工程相關(guān)的信息文檔以及對三維模型進行測量獲取工程數(shù)據(jù)、或利用三維模型對某一結(jié)構(gòu)進行標(biāo)注，與設(shè)計人員進行協(xié)同工作。

（2）BIM技術(shù)通過對現(xiàn)場施工多維度、多視角進行現(xiàn)場三維交底，突破了辦公室會議交底的空間限制，更好的適應(yīng)了現(xiàn)在軌道建設(shè)行業(yè)現(xiàn)場操作人員多為民工，素質(zhì)較低，所以要求交底內(nèi)容盡可能詳盡、針對性強、具有可操作性、表達方式要通俗易懂的施工現(xiàn)狀。這種技術(shù)交底方式不僅提高了工作效率，同時保證了工程中的每道工序均能按設(shè)計規(guī)范及施工規(guī)范要求執(zhí)行，避免了交叉作業(yè)混亂，保障工程質(zhì)量。

5.3項目施工材料管理及工程量分析。

軌道結(jié)構(gòu)為線形結(jié)構(gòu)，有直線、曲線、豎曲線、過渡段、道岔等不同形式，涵蓋的工程材料包括鋼軌、道岔、扣配件、軌枕、減振原件、鋼筋、混凝土等材料，工程量計算復(fù)雜，采用傳統(tǒng)方法，對曲線、豎曲線計算精準(zhǔn)度不高，不利于工程量的精確計算和控制。通過BIM技術(shù)建立軌道線形模型，實現(xiàn)了工程量隨時隨段精確計算，確保了材料數(shù)量的精確提取和控制。并通過RBIM5D管理平臺，可實現(xiàn)對施工全周期材料計劃、進場驗收、儲存與保管、領(lǐng)發(fā)、使用監(jiān)督、回收、周轉(zhuǎn)、審計等目的。

5.4項目施工進度管理。

（1）傳統(tǒng)的施工進度管理，大部分采用橫道圖或網(wǎng)絡(luò)圖的形式體現(xiàn)，可視化程度底，動態(tài)調(diào)整不及時，不能真實反應(yīng)軌道施工進度情況。通過RBIM5D平臺建設(shè)，施工之前，可以創(chuàng)建不同的施工計劃，如施工總計劃，施工日計劃，將不同的施工計劃和相應(yīng)的模型進行關(guān)聯(lián)，建立信息管理數(shù)據(jù)庫。BIM技術(shù)的3D+時間概念實現(xiàn)了4D技術(shù)。對模型中的各個部位附加時間概念，實現(xiàn)施工進度模擬，通過與計劃進度的對比形成曲線圖來進行分析，為實際施工進度管理、實際問題分析提供有效的支撐。并導(dǎo)出相應(yīng)進度分析報表。同時，將總計劃或者日計劃與相應(yīng)的施工模型進行關(guān)聯(lián)，管理人員就能夠準(zhǔn)確查詢、提取每日的施工工點（里程）及相關(guān)施工信息，為后期材料，進度管理，搭建信息平臺。

（2）將施工計劃與模型關(guān)聯(lián)后，能夠通過三維仿真顯示施工進度，真實反映過程。能夠?qū)⒔Y(jié)構(gòu)形式特殊，工藝復(fù)雜的施工過程，用不同顏色、不同視角詳細(xì)展現(xiàn)出來?，F(xiàn)場施工人員精確地看到工程施工的內(nèi)部構(gòu)件，方便觀察者從內(nèi)部到外部直觀地看清施工進度。也能夠?qū)⒆尣恍蜗蟮摹?眼睛看不到的東西能清晰地表現(xiàn)出來。

5.5成本管理。

BIM平臺成本核算為企業(yè)資金運營提供了一條解決途徑，它可以根據(jù)BIM模型數(shù)據(jù)，估算出投資項目總體費用。同時，也可對地鐵輔軌建設(shè)過程中各環(huán)節(jié)進行資金預(yù)算。并通過BIM平臺對整個項目做總體運營規(guī)劃，并得出大量的直觀數(shù)據(jù)作為方案決策的支撐。工程量顯示，在模型上點擊時，可在右邊的工程量統(tǒng)計窗口顯示出當(dāng)前選中模型的工程量情況，如圖4、表2（工程量顯示見圖4，部分工程量統(tǒng)計表見表2）。

5.6協(xié)同管理。

現(xiàn)場施工過程工程審定一般采用看圖審計法，來核實工程量與工程價款，首先必須認(rèn)真仔細(xì)地看清所有的施工圖紙，才能全面準(zhǔn)確無誤地計算審定工程造價的真實性。要求審計人員必須熟練掌握所有的建筑識圖知識，不僅要看建筑施工圖，而且要看結(jié)構(gòu)施工圖和竣工圖，不僅要將每一張圖紙endprint

圖5隧道內(nèi)鋪設(shè)鋼筋籠軌排

看懂吃透，而且要將所有的圖紙綜合分析。只有在認(rèn)真看懂吃透圖紙的基礎(chǔ)上，才能發(fā)現(xiàn)問題、揭露問題。對審計人員識圖能力要求很高，BIM技術(shù)可通過剖面、局部、整體各個角度提供信息，幫助全面理解工程圖紙。通過對地鐵道床工程屬性查詢，讓審計工程人員了解道床輔設(shè)要素。

5.7可視化輔助教育教學(xué)及工藝展示。

利用BIM三維模型特點，能更快、更好的使學(xué)習(xí)者撐握工程項目所涉及的新技術(shù)、新工藝。通過BIM技術(shù)，可以全方位、多角度展示，工程現(xiàn)場施工、工程管理現(xiàn)狀及工程運營情況。項目通過DELMIA強大的施工仿真能力，制作各施工工藝流程、要點，制作軌排安裝、軌排施工等工藝的動態(tài)仿真，并加入人員操作模擬、機械設(shè)備運動機構(gòu)模擬，包括對人的手部動作、工具使用、視野模擬、機械設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸、運動機構(gòu)模擬等內(nèi)容，完整反映出了地鐵施工工藝工法，輸出視頻。后期配上文字說話和錄音講解，形成可以用于指導(dǎo)現(xiàn)場施工的工藝動畫，如圖5。

6. 結(jié)束語

BIM技術(shù)成功應(yīng)用于西安地鐵三號線的鋪軌施工，通過研究及應(yīng)用，實現(xiàn)了以下變革性突破：

（1）首次將BIM技術(shù)成功應(yīng)用于地鐵鋪軌施工，實現(xiàn)了軌道設(shè)計優(yōu)化、施工過程模擬、三維技術(shù)交底、工程信息查詢及提取、進度管理等，提高了項目信息化、精細(xì)化管理水平。

（2）首次將機械設(shè)計領(lǐng)域的CATIA建模軟件應(yīng)用于鋪軌施工中，突破了曲線、超高等精細(xì)化建模的瓶頸，實現(xiàn)了參數(shù)化道床模型庫、施工工藝仿真庫的創(chuàng)建。

（3）針對地鐵軌道道床結(jié)構(gòu)復(fù)雜，軌道材料類型多，緩和曲線、圓曲線、豎曲線及岔區(qū)、過渡區(qū)異形結(jié)構(gòu)斷面工程量計算復(fù)雜的難題，專業(yè)開發(fā)插件，實現(xiàn)了工程量的精確計量和材料量的精準(zhǔn)控制。

（4）將輔軌施工的二維信息（圖紙信息）轉(zhuǎn)化為三維實體模型，通過錯漏碰缺檢查，實現(xiàn)圖紙二次深化設(shè)計。

（5）BIM技術(shù)與VR技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)安全體驗?；贐IM軌道三維建模，和VR技術(shù)聯(lián)合，實現(xiàn)了現(xiàn)場減振道床、道岔等復(fù)雜道床結(jié)構(gòu)可視化、精細(xì)化交底和實體體驗，并和安全模擬配套，實現(xiàn)安全事故模擬體驗。

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