王自超

（中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司 工程實驗室，天津 300308）

0 引言

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

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

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

設(shè)計技術(shù)交底是設(shè)計單位專業(yè)技術(shù)人員將設(shè)計內(nèi)容、設(shè)計意圖和施工注意事項向建設(shè)、施工、監(jiān)理單位相關(guān)人員解答說明的過程；施工技術(shù)交底是施工單位專業(yè)技術(shù)人員將施工方案及施工工藝、施工進(jìn)度計劃、過程控制及質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、材料設(shè)備及工裝配置、安全措施及施工注意事項、應(yīng)急處置措施等向參與施工人員傳達(dá)的過程［4］。

鐵路工程建設(shè)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(gòu)筑物、1個獨(dú)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(jié)構(gòu)、施工階段或功能相對獨(dú)立的組成部分，如1個橋梁單位工程，包括基礎(chǔ)、墩臺、梁部、附屬設(shè)施等分部工程；分項工程是工種、工序、材料、設(shè)備、施工工藝，如模板、鋼筋、混凝土、信號機(jī)、燈塔、洗車機(jī)等［5-6］。

目前鐵路建設(shè)項目各單位、分部、分項工程的技術(shù)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(shè)計信息和意圖傳遞缺失的情況，尤其在復(fù)雜工程和專業(yè)接口工程中傳遞缺失更嚴(yán)重，導(dǎo)致許多技術(shù)交底質(zhì)量不高出現(xiàn)返工的現(xiàn)象［8］，BIM技術(shù)能夠很好地彌補(bǔ)傳統(tǒng)設(shè)計交底在可視化表達(dá)方面的不足。

我國鐵路BIM技術(shù)在設(shè)計階段的研究和應(yīng)用已經(jīng)較成熟，設(shè)計階段BIM數(shù)據(jù)如何向施工階段傳遞、解決施工企業(yè)項目BIM技術(shù)應(yīng)用問題［9］、讓BIM技術(shù)在施工階段發(fā)揮價值，是當(dāng)下鐵路BIM技術(shù)研究需要重點解決的難題。

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

1 技術(shù)路線

基于BIM的三維設(shè)計交底和施工工序仿真研究技術(shù)路線見圖1，展示了一種通過BIM基礎(chǔ)建模平臺完成鐵路工程信息模型創(chuàng)建后，根據(jù)不同模型體量和應(yīng)用需求，分別導(dǎo)入不同BIM應(yīng)用平臺進(jìn)行三維設(shè)計交底、施工工序仿真、多專業(yè)大場景BIM數(shù)據(jù)融合展示的技術(shù)路線，系統(tǒng)分析BIM建模平臺向BIM應(yīng)用平臺的數(shù)據(jù)傳遞方法和流程，并針對各應(yīng)用平臺對BIM數(shù)據(jù)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(yīng)用平臺，以及相應(yīng)的施工應(yīng)用場景。

圖1 基于BIM的三維設(shè)計交底和施工工序仿真研究技術(shù)路線

2 分部分項工程三維設(shè)計交底

將3D數(shù)據(jù)流存入PDF文件形成3D PDF格式文件，可以將3D數(shù)據(jù)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(shè)備、設(shè)施、構(gòu)筑物等分部分項工程，如1個橋梁單位工程的基礎(chǔ)、墩臺、梁部、附屬設(shè)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(dǎo)出為3D PDF格式文件，借助PDF編輯器進(jìn)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(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)化表達(dá)，又可進(jìn)行精確尺寸測量?；?D PDF的分部分項工程三維設(shè)計交底流程見圖2。

圖2 基于3D PDF的分部分項工程三維設(shè)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(shè)計交底說明性文件，三維模型在PDF中可以實現(xiàn)自由旋轉(zhuǎn)、測量、剖切，通過個性化定制，輔以文字、圖紙、標(biāo)注等補(bǔ)充說明，形成可交互式三維設(shè)計說明書，便于施工單位對設(shè)計圖紙的認(rèn)識和理解，作為傳統(tǒng)文字性設(shè)計說明的有力補(bǔ)充，低成本、高效率解決設(shè)計意圖在流轉(zhuǎn)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(yīng)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(yīng)用示例

3 單位工程三維設(shè)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(jìn)行三維設(shè)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(jìn)度計劃甘特圖結(jié)合，動態(tài)模擬單位工程的施工進(jìn)度。

3.1 單位工程三維設(shè)計交底

Composer是一款圖形設(shè)計軟件［11］，兼容3D XML格式BIM模型，通過標(biāo)注、批注、局部放大鏡、剖切、測量、時間軸、關(guān)鍵幀等工具，可充分展示復(fù)雜鐵路單位工程的各個細(xì)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(jù)、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?；贑omposer的三維設(shè)計交底文件制作技術(shù)路線見圖5。

圖5 基于Composer的三維設(shè)計交底文件制作技術(shù)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(yīng)用示例見圖7。

圖6 單位工程Composer格式文件

圖7 單位工程應(yīng)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(fù)雜單位工程的施工工序仿真，是BIM技術(shù)在施工階段的一個重要應(yīng)用點。目前可以實現(xiàn)施工仿真的BIM應(yīng)用平臺主要包括Navisworks、Synchro4D、Fuzor、廣聯(lián)達(dá)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(dá)BIM 5D更專注于整合BIM模型、施工進(jìn)度計劃、施工組織邏輯、材料、成本、供應(yīng)商等資源，是較專業(yè)的施工模擬仿真平臺。

通過將達(dá)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(jìn)度計劃，導(dǎo)入Bentley可視化4D施工模擬平臺，進(jìn)行模型結(jié)構(gòu)樹整理、施工模型與計劃任務(wù)關(guān)聯(lián)，調(diào)整甘特圖，設(shè)置模型動作，設(shè)置視角和圖例顯示，可快速實現(xiàn)工點的施工進(jìn)度模擬仿真［12］?；贐entley可視化4D施工模擬平臺仿真技術(shù)路線見圖8。

圖8 基于Bentley可視化4D施工模擬平臺仿真技術(shù)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(guān)聯(lián)集成施工進(jìn)度計劃、甘特圖、三維模型、當(dāng)前施工構(gòu)件、構(gòu)件施工日期、構(gòu)件供應(yīng)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(jìn)度模擬仿真見圖9。

圖9 單位工程施工進(jìn)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(shè)計后，如何脫離BIM建模平臺，高效、快速、低成本地傳遞至BIM應(yīng)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(jù)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(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，一定程度上限制了BIM數(shù)據(jù)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(dá)索Catia V6系統(tǒng)建立鐵路工程信息模型，通過將達(dá)索3D XML格式BIM模型導(dǎo)入Composer，轉(zhuǎn)換為3D S格式文件，進(jìn)而導(dǎo)入Navisworks，實現(xiàn)了鐵路工程項目級大場景、多專業(yè)BIM數(shù)據(jù)在本地計算機(jī)的快速集成和展示?；谶_(dá)索Catia V6系統(tǒng)和Navisworks平臺的鐵路BIM模型本地化集成技術(shù)路線見圖10，某項目Navisworks多專業(yè)、大場景集成展示工程應(yīng)用示例見圖11。

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

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

5 應(yīng)用

5.1 鹽通高鐵動車所工點

為詳細(xì)表達(dá)臨修庫的各組成部分，基于3D PDF制作了交互式三維設(shè)計說明書交付施工單位，實現(xiàn)建筑、結(jié)構(gòu)、檢修設(shè)備三維模型的瀏覽查看、旋轉(zhuǎn)、測量、剖切，通過個性化定制，輔以文字、圖紙、標(biāo)注等補(bǔ)充說明，大大方便了中國中鐵建工集團(tuán)有限公司施工人員對文字性設(shè)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(shè)計說明書示例見圖12，設(shè)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(shè)計說明書示例

圖13 鹽通高鐵設(shè)計交底現(xiàn)場

5.2 雅萬高鐵土建二標(biāo)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(shè)計交底程序，對各結(jié)構(gòu)關(guān)鍵尺寸、剖面進(jìn)行了詳細(xì)標(biāo)注和說明，多次輔助我國設(shè)計人員與當(dāng)?shù)赝檠趴栄殴荆╓ijaya Karya）進(jìn)行設(shè)計思路溝通。過渡電纜井EXE設(shè)計交底程序見圖14。

圖14 雅萬高鐵土建二標(biāo)過渡電纜井EXE設(shè)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(dá)東平水道斜拉橋725 m大跨度鋼混組合梁特殊結(jié)構(gòu)及湛江灣海底隧道與周邊環(huán)境關(guān)系，基于Composer和Navisworks制作了鋼混結(jié)合段EXE設(shè)計交底程序和全專業(yè)BIM模型NWD集成文件，減少了設(shè)計和施工單位溝通次數(shù)，方便了中鐵廣州工程局集團(tuán)有限公司和中鐵十四局集團(tuán)有限公司施工人員對設(shè)計意圖的理解。鋼混結(jié)合段EXE設(shè)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(shè)計交底見圖17。

圖15 廣湛高鐵鋼混結(jié)合段EXE設(shè)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(shè)計交底現(xiàn)場

6 結(jié)論

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

（1）針對鐵路分部分項工程：如單體設(shè)備、設(shè)施、構(gòu)筑物等，可以通過3D PDF進(jìn)行三維設(shè)計交底說明，構(gòu)件三維模型在PDF中可以實現(xiàn)自由旋轉(zhuǎn)、測量、剖切，PDF頁面可以自由靈活定制，便于施工單位對設(shè)計圖紙的認(rèn)識和理解，可作為傳統(tǒng)文字性設(shè)計說明的有力補(bǔ)充，低成本、高效率解決設(shè)計意圖在流轉(zhuǎn)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(jìn)行三維設(shè)計交底、BIM成果交付和動態(tài)施工仿真，借助標(biāo)注、批注、局部放大鏡、剖切、測量、時間軸、關(guān)鍵幀等工具，可充分展示復(fù)雜工點的各個細(xì)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(jìn)行達(dá)索系統(tǒng)全專業(yè)BIM數(shù)據(jù)的本地化集成，緩解達(dá)索系統(tǒng)BIM數(shù)據(jù)向施工單位傳遞的難題。