西安地铁3号线轨道工程BIM技术研究及应用

2018-01-05陈杰

中华建设科技 2017年11期

陈杰

【摘要】对轨道项目施工管理具有线路狭长，管理跨度大，线型控制难、施工精度高，道床类型多、工程量计算复杂，作业面交叉作业多、施工组织难度大，过渡段结构复杂、施工要求高等难点，以西安地铁三号项目为试点，在轨道施工中首次采用BIM技术，实现了地铁无砟道床三维精准建模、工程量精确提取、可视化交底、施工模拟。

【关键词】地铁轨道；BIM技术；轨道模型

【中图分类号】U213.2

【文献标识码】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. 背景技术

1.1我国地铁工程建设正处于高速发展时期，地铁的建设将极大的缓解城市交通压力。地铁轨道工程是土建及机电安装承上启下的关键工程。地铁轨道工程施工具有：（1）施工管理线路狭长、管理跨度大；（2）线型控制难、施工精度高；（3）道床类型多及轨道扣件繁杂、工程量计算复杂；（4）作业面狭长且交叉作业多、施工组织难度大；（5）过渡段结构复杂、施工要求高；（6）安全风险大、质量标准等特点。给施工管理带来巨大挑战。目前的管理模式大部分依靠传统的人工管理模式，信息沟通和协同管理手段落后，信息化程度底，与地铁高速发展不相匹配，尤其是基本的管理问题难以解决，如道床类型及轨道部件多，工程量人工统计耗时耗力，计算复杂、精确度低，造成材料提取困难，浪费严重，建设成本增加，现场轨行区交叉作业多，安全风险大，落后的管理手段无法实现可视化管理、协同管理、模拟建造等，不利于安全控制。采用信息技术构建地铁施工时间及空间模型，实现地铁施工现场“信息化，精细化”管理是时代发展的必然趋势。

1.2我公司承建的西安地铁3号线轨道工程施工项目，在国内外首次将BIM技术引入地铁轨道施工领域，实现集成地铁工程地理位置、周边建筑物、工程设计方案、施工工法、现场施工人员及机械行为等多因素，通过借鉴其它领域BIM技术应用的成功案例，实现了BIM技术在地铁铺轨施工中成功应用。

2. 工程概况

西安地铁3号线全长39.9公里，设车站26座。本次BIM技术应用先以胡家庙至石家街区间段作为研究对象。全长：1477.282m；其中包括：曲线段830.299m，道床类型9种，扣件4类。项目特点：（1）减振道床类型多，各施工工艺复杂；（2）施工精度要求高（线性、空间位置）（3）项目管理难度大。通过该段的研究应用和验证，进一步优化改进，拓展研究内容，推广应用于全线路轨道工程施工。

3. 项目研究的主要内容

（1）结合地铁轨道工程的特点，通过对现有各种建模软件的深入分析（用鲁班、Revit及CATIA三款软件分别进行建模试验，对比各自优缺点后，选取最适合本项目的一款软件建立完整BIM模型，并进行后期应用），选择CATIA建模软件，以突破轨道曲线、超高等精细化建模的瓶颈，创建地铁各种类型道床结构和轨道部件及施工机具设备等参数化模型库和施工工艺仿真库。

（2）建立基于参数化模型，通过测量任意里程处的剖切断面可以得到断面的结构尺寸模型，并直接提取出坐标、标高、控制点距离等信息。

（3）将辅轨施工的二维信息（图纸信息）转化为三维实体模型，通过错漏碰缺检查，实现图纸二次深化设计。

（4）精准建模，配合项目部实现多维度、多视角现场施工三维精准技术交底，在模型及应用平台中获取各施工段有关信息。

（5）专业开发插件，配合项目部进行施工进度管理及材料管理。基于施工进度的4D模拟，按照施工进度提取材料量（包括：钢轨、轨枕、混凝土、扣件），从而帮助项目部进行库存管理。同时，将实际的材料消耗量通过接口附加在BIM施工模型数据库中，实现全周期信息共享。

（6）基于DELMIA的施工仿真技术，模拟现场施工、优化施工组织和场地布置，制作铺轨基地建设、基地轨排安装、普通整体道床施工、钢弹簧浮置板道床施工等过程動漫仿真，指导现场施工。

（7）轨道过渡段三维建模，实现精准施工。

（8）开发BIM5D应用协同管理平台。利用BIM5D管理平台实现安全质量信息化管理，即现场人员一旦发现安全质量问题及重大危险时，可通过移动端上传管理平台，实现信息共享、部门协调、团环对应等管理目标。endprint

（9）更新、维护工程BIM模型及应用平台。施工过程中需要设计变更、人员设备变化时，根据项目实际，及时修正模型、维护平台信息。

（10）BIM技术培训及应用推广。

4. 应用软件综合分析

项目通过对各系列BIM应用软件进行综合对比分析，国内外主要BIM技术系列软件对比分析如表1，决定选用CATIA作为建模软件，Delmia作为仿真制作软件，另针对该项目开发了基于CATIA的BIM5D-BIM技术应用管理平台（国内外主要BIM技术系列软件对比分析见表1）。

5. 轨道BIM关键技术

5.1审核施工图纸及参数，完成无砟道床及钢筋模型。

（1）地铁轨道具有设计类型多、轨道部件繁杂、预埋管线多的特点，尤其是减振道床，设计结构复杂，钢筋密集，二维图纸给图纸审核、工程量计算、专业交叉碰撞检查等带来很大难度。为了保证铺轨施工的准确、精细性，首次将机械设计领域的CATIA建模软件应用于铺轨施工中，突破了曲线、超高等精细化建模的瓶颈；实现了参数化道床模型库、施工工艺仿真库的创建。轨道BIM技术通过严格、细致的设计管理体系，保证项目从方案、初步设计、施工图纸到现场施工全周期的技术把关，消灭人为因素造成的施工质量差异，从而最大限度控制工作成本，成功杜绝了因设计造成的返工浪费。通过将地铁辅轨建设项目的二维信息（图纸信息）全部转化为三维实体模型，将整个建设项目的土木、材料、施工等全部信息融合到模型数据库中，工程技术人员可以对整个项目施工所需的曲线要素、空间技术参数、断面结构尽寸、坐标及标高信息实施准确查询。同时，BIM模型还集成了所有与管理有关的行为信息，并通过信息关联、调用等方式可真实模拟整个建设过程的实际行为，使工程技术人员对各种建筑信息作出正确理解和高效应对，为各方建设主体提供协同工作的基础，在提高生产效率、节约成本和缩短工期方面发挥重要作用，实现项目精细管理，如图1、图2。

（2）项目信息化整体模型如图3。

5.2配合项目部进行多维度、多视角现场施工三维精准技术交底。

（1）项目施工过程中，施工图纸、设计变更、图集、施工规范及施工验收标准规范等技术文件资料均在施工管理技术人员手中，管理人员必须通过技术交底的形式将设计意图、施工技术要求和安全操作事项等灌输给具体操作人员。技术交底有书面交底、口头交底和样板交底，其中以书面交底最多，而样板交底是效果最好的一种。项目基于BIM施工模型，利用3DVIA Composer三维交互式浏览技术，将项目的BIM施工模型进行轻量化处理，结合必要的文字概要、工程文档、图纸、视频等，并对重要工程结构和施工构件进行参数标注，形成三维化的“图纸”和工程信息电子文档。现场施工人员可以利用该文档查看三维BIM模型、工程相关的信息文档以及对三维模型进行测量获取工程数据、或利用三维模型对某一结构进行标注，与设计人员进行协同工作。

（2）BIM技术通过对现场施工多维度、多视角进行现场三维交底，突破了办公室会议交底的空间限制，更好的适应了现在轨道建设行业现场操作人员多为民工，素质较低，所以要求交底内容尽可能详尽、针对性强、具有可操作性、表达方式要通俗易懂的施工现状。这种技术交底方式不仅提高了工作效率，同时保证了工程中的每道工序均能按设计规范及施工规范要求执行，避免了交叉作业混乱，保障工程质量。

5.3项目施工材料管理及工程量分析。

轨道结构为线形結构，有直线、曲线、竖曲线、过渡段、道岔等不同形式，涵盖的工程材料包括钢轨、道岔、扣配件、轨枕、减振原件、钢筋、混凝土等材料，工程量计算复杂，采用传统方法，对曲线、竖曲线计算精准度不高，不利于工程量的精确计算和控制。通过BIM技术建立轨道线形模型，实现了工程量随时随段精确计算，确保了材料数量的精确提取和控制。并通过RBIM5D管理平台，可实现对施工全周期材料计划、进场验收、储存与保管、领发、使用监督、回收、周转、审计等目的。

5.4项目施工进度管理。

（1）传统的施工进度管理，大部分采用横道图或网络图的形式体现，可视化程度底，动态调整不及时，不能真实反应轨道施工进度情况。通过RBIM5D平台建设，施工之前，可以创建不同的施工计划，如施工总计划，施工日计划，将不同的施工计划和相应的模型进行关联，建立信息管理数据库。BIM技术的3D+时间概念实现了4D技术。对模型中的各个部位附加时间概念，实现施工进度模拟，通过与计划进度的对比形成曲线图来进行分析，为实际施工进度管理、实际问题分析提供有效的支撑。并导出相应进度分析报表。同时，将总计划或者日计划与相应的施工模型进行关联，管理人员就能够准确查询、提取每日的施工工点（里程）及相关施工信息，为后期材料，进度管理，搭建信息平台。

（2）将施工计划与模型关联后，能够通过三维仿真显示施工进度，真实反映过程。能够将结构形式特殊，工艺复杂的施工过程，用不同颜色、不同视角详细展现出来。现场施工人员精确地看到工程施工的内部构件，方便观察者从内部到外部直观地看清施工进度。也能够将让不形象的、眼睛看不到的东西能清晰地表现出来。

5.5成本管理。

BIM平台成本核算为企业资金运营提供了一条解决途径，它可以根据BIM模型数据，估算出投资项目总体费用。同时，也可对地铁辅轨建设过程中各环节进行资金预算。并通过BIM平台对整个项目做总体运营规划，并得出大量的直观数据作为方案决策的支撑。工程量显示，在模型上点击时，可在右边的工程量统计窗口显示出当前选中模型的工程量情况，如图4、表2（工程量显示见图4，部分工程量统计表见表2）。

5.6协同管理。

现场施工过程工程审定一般采用看图审计法，来核实工程量与工程价款，首先必须认真仔细地看清所有的施工图纸，才能全面准确无误地计算审定工程造价的真实性。要求审计人员必须熟练掌握所有的建筑识图知识，不仅要看建筑施工图，而且要看结构施工图和竣工图，不仅要将每一张图纸endprint

图5隧道内铺设钢筋笼轨排

看懂吃透，而且要将所有的图纸综合分析。只有在认真看懂吃透图纸的基础上，才能发现问题、揭露问题。对审计人员识图能力要求很高，BIM技术可通过剖面、局部、整体各个角度提供信息，帮助全面理解工程图纸。通过对地铁道床工程属性查询，让审计工程人员了解道床辅设要素。

5.7可视化辅助教育教学及工艺展示。

利用BIM三维模型特点，能更快、更好的使学习者撑握工程项目所涉及的新技术、新工艺。通过BIM技术，可以全方位、多角度展示，工程现场施工、工程管理现状及工程运营情况。项目通过DELMIA强大的施工仿真能力，制作各施工工艺流程、要点，制作轨排安装、轨排施工等工艺的动态仿真，并加入人员操作模拟、机械设备运动机构模拟，包括对人的手部动作、工具使用、视野模拟、机械设备结构尺寸、运动机构模拟等内容，完整反映出了地铁施工工艺工法，输出视频。后期配上文字说话和录音讲解，形成可以用于指导现场施工的工艺动画，如图5。

6. 结束语

BIM技术成功应用于西安地铁三号线的铺轨施工，通过研究及应用，实现了以下变革性突破：

（1）首次将BIM技术成功应用于地铁铺轨施工，实现了轨道设计优化、施工过程模拟、三维技术交底、工程信息查询及提取、进度管理等，提高了项目信息化、精细化管理水平。

（2）首次将机械设计领域的CATIA建模软件应用于铺轨施工中，突破了曲线、超高等精细化建模的瓶颈，实现了参数化道床模型库、施工工艺仿真库的创建。

（3）针对地铁轨道道床结构复杂，轨道材料类型多，缓和曲线、圆曲线、竖曲线及岔区、过渡区异形结构断面工程量计算复杂的难题，专业开发插件，实现了工程量的精确计量和材料量的精準控制。

（4）将辅轨施工的二维信息（图纸信息）转化为三维实体模型，通过错漏碰缺检查，实现图纸二次深化设计。

（5）BIM技术与VR技术结合，实现安全体验。基于BIM轨道三维建模，和VR技术联合，实现了现场减振道床、道岔等复杂道床结构可视化、精细化交底和实体体验，并和安全模拟配套，实现安全事故模拟体验。

参考文献

[1]BIM在铁路建设项目中的应用分析[J]. 卢祝清. 铁道标准设计. 2011（10）.

[2]中华人民共和国住房和城乡建设部，GB50157-2013 地铁设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2013.

[3]铁路设计应用BIM的思考[J]. 逯宗田. 铁道标准设计. 2013（06）.

[4]国家质量技术监督局，GB50299-1999 地下铁道工程施工及验收规范[S].北京：中国计划出版社，2004.