基于BIM技术的3D作业指导书创新与应用

钟方慧，刘 勇，黄岁锋，楼铮辉

(中国核工业第五建设有限公司，上海 201599)

作业指导书作为项目施工过程中至关重要的技术文件，是连接设计和施工的桥梁，是指导作业人员完成施工任务的重要保障措施，对项目施工有着举足轻重的地位和作用。但其最终的落脚点是指导施工人员更好、更快地进行施工作业，保证完成施工任务。利用BIM技术具有的可视化、协调性、模拟性、优化性、可出图性等特点，将作业指导书从二维平面、纸质的模式转向三维立体、数字的模式，使其呈现方式更加直观和便捷。因此，研究基于BIM技术的3D作业指导书具有广阔的应用前景和深厚的现实意义。

目前，核电项目对施工生产指导和人员的培训主要是依据二维作业指导书和技术交底材料，再辅以二维图纸。所存在的主要缺陷在于：一是纸质材料不连贯、辅以的二维图纸较为抽象，表达不直观；可视化效果差，作业人员在进行施工生产时，需要根据二维图纸将在脑海中将二维图纸转化为三维结构，然后再转换为二维施工，由于个人理解能力的差异，极易导致实体落地的质量与预期质量出现较大偏差。二是纸质材料传递信息的效率较低、误差较大，重复利用性差；易造成资源浪费，而且由于施工环境的变化以及个人理解能力的差异容易引起消息的误导。因此，在当前核电施工节奏快、质量要求高以及标准规范严格的大环境下，作业人员能否将设计图纸的设计意图完全的施工生产出来是重中之重。

近年来，BIM技术在工程建设行业发展可谓风起云涌，BIM应用软件已呈现出百家争鸣的现象，且随着多地政府BIM指导性文件的发布，基于BIM技术的应用和研究已势在必行。BIM技术在作业指导书方面的应用已有施工单位在探索，如利用BIM分析软件制作施工模拟动画，然后通过视频编辑软件形成完整的视频呈现给相关人员，虽然此方法能较好的呈现作业指导书，但经济成本高且无模型信息，同时当施工工艺发生变化时，需要重新制作，会导致在现场的响应缓慢。

1 装配作业指导书的编制过程

利用3DVIAComposer软件能够实现图文并茂、图片动画并茂的三维装配作业指导书的制作。还同时具有3D作业指导书审核、发布及管理、编辑权限设置及浏览权限设置等功能,通过以上功能完成3D作业指导书的编制和发布,3DVIAComposer软件中制作作业指导书的流程如图1所示。

图1 3D作业指导书制作流程Fig.1 The preparation process of 3D operation instructions

1.1 数据准备

为解决建模软件与系统数据交互的问题，系统研发了BIM数据接口与交换引擎，提供了rvt、ifc、obj、sat、3dxml等格式文件的导入，因此在导入BIM模型前，需利用BIM建模软件依据施工方案对使用的施工工具进行拆分，并将其导出为该系统支持的格式。装配工艺方案是工艺设计初步阶段在三维工艺设计管理系统中对设备吊装过程的一个总体规划，包括吊装顺序的规划和路径的规划。吊装路径规划是拟定工艺路线，编排施工步骤，确定每道工序的质量控制内容和检测方法，最终输出优化的吊装托运方案。BIM模型的导入如图2所示。

图2 模型导入Fig.2 Model import

1.2 工艺流程制作

进行工艺图解的制作首先要根据安装施工方案来确定工序和工步，然后根据工序和工步来确定工艺图解的个数，并为需要制作工序和工步的操作创建视图。施工工具拆分如图3所示。

图3 施工工具拆分Fig.3 Split of construction tools

视图代表了视图区域的模型的快照，保存了属性以及模型和画中所有可视零件，也记录了照相机位置、爆炸视图里零件的位置以及视图区域的属性。根据施工方案，对视图进行编辑，在视图添加尺寸信息，公差信息(包括尺寸公差和位置公差)和注释信息，通过尺寸和公差信息的添加，可以方便地查看到零部件的重要外形尺寸和装配公差要求；通过注释信息的添加，可以详细描述装配过程中操作的具体要求，所添加的注释信息和传统二维工艺的工序、工步内容相对应。模型信息添加如图4所示。

图4 视图标注Fig.4 View annotation

3DVIAComposer提供了制作爆炸视图的功能，可以快速地将模型中的零件分离开，并赋予每个零件一个唯一的ID编号，从爆炸视图中能够显示模型中的零件位置关系，爆炸视图一般用在手册中以显示零件的位置，它可以联系BOM表和零件标号指明零件清单。在3DVIAComposer有多种方法创建爆炸视图，可以拖动被选择的角色至新的位置，也可以采用线性、球面、圆柱面分解模式自动地分离角色至新的位置。3DVIAComposer还提供了一种强大的Digger功能，它可以在模型不同区域放大，用以查看内部结构等等，利用这项功能可以在零部件的任意位置对零部件的局部进行放大,并且放大倍数可以根据需要自行调节，爆炸视图如图5所示。

图5 爆炸视图Fig.5 Explosion view

在所有工艺图解都制作完成后，需要进行检查，检查内容包括视图完整性检查、正确性检查和视图的顺序进行检查。对于视图不完整和存在的错误，在3DVIAComposer中可以随时进行修改完善，视图的顺序检查要依据施工方案的施工顺序进行，对装配顺序进行调整采用统一的命名规则来确定。

1.3 装配动画制作

动画是将图形、图案、画面或者其中的一部分显示在屏幕上，并按照一定规律在屏幕上移动、变换，从而使计算机显示出图形动态的变化。3DVIAComposer采用键框架界面去创建时间轴，并通过键、过滤及播放工具在时间轴面板上创建和编辑动画。在3DVIAComposer中的动画包括：视图的切换、位置的改变属性的改变及Digger的改变。

1.3.1 创建装配组

在3DVIA Composer中创建动画的过程是先对施工工具创建装配组，如图6所示。将一个工序中需要一起移动的工具分到一个装配组中，然后创建拆分动画，最后将拆分动画转化成装配动画。

图6 装配组Fig.6 Assembly group

1.3.2 添加属性

利用属性面板，对工具的颜色及透明度进行修改，同时还可以在其表面进行纹理贴图，对一些工艺要求添加标签、注释及尺寸信息，在需要局部放大的部位添加Digger，为零件添加爆炸效果,如图7所示。

图7 添加属性Fig.7 The attribute of addings

对施工工艺中使用的工机具规格、设备起吊过程中的起吊高度及各物体间安全距离等进行标注,如图8所示。

图8 距离标注Fig.8 Distance marking

1.3.3 添加关键帧

利用属性关键帧、照相机关键帧和Digger关键帧配合使用来记录中间状态下设备的属性和位置空间的变化情况，在设备的位置空间变化过程中软件提供了自由拖动、平移、旋转和恢复中性位置等，同时还可利用箭头、图像、标签、编号和尺寸用来为动画过程添加标记和标注，以及测量角色，使动画更加准确地表述设备的装配过程。通过这些工具将设备按照施工方案的步骤进行平移或旋转，并在每一个需要变换的位置添加关键帧，以此来记录设备的中间状态，把所有的中间状态拼接在一起就形成一个完整的装配动画,如图9所示。

图9 添加关键帧Fig.9 The key frame of adding

将制作完成的3D作业指导书导出为轻量化程序包，程序包不需要安装插件即可进行查看，通过双击视图区中的视图可以在模型显示区看到各个工步的装配要求，并且可以通过鼠标操作对模型进行放大、缩小、移动和旋转等操作，同时可以观看装配过程动画。在3DVIAComposer中可以将装配动画单独以AVI格式进行输出，输出的装配仿真动画，能够方便用户在装配现场清晰直观地查看设备的装配过程及装配要求，以指导现场装配。3D指导书程序包如图10所示。

图10 3D作业指导书程序包Fig.10 The 3D operation instruction package

2 应用效果

以漳州核电1号机组常规岛凝汽器壳体吊装托运为试点，以3D作业指导书代替传统的二维图纸进行安全技术交底。应用传统的二维图纸进行安全技术交底效果不明显，缺少信息化效果，不能详细反映施工作业程度。通过对BIM技术的深度应用，以工艺流程为主线，过程控制为核心，BIM模型为载体，实现施工过程可视化展示为目标；对凝汽器壳体超危大技术方案通过数字模型制作3D指导书，进行可视化交底最直观的表达和交底方法，使现场工人容易理解，降低了操作错误，大大提升安全技术交底效果。此方法在该项目属首次应用，后续项目部将针对不同专业的专项施工方案，根据其工程概况、施工工艺技术、质量安全措施等制定适用于此方案的作业指导书，注重可操作性和实用性，真正发挥作业指导书的作用。同时，还可对公司范围内的建筑工程、天然气工程、石油化工工程等项目，根据自身的特点制定适用于自身的作业指导书。

3 实施效益

在编制漳州项目常规岛一号机组凝汽器壳体安装托运指导书的过程中，发现钢平台的布置与土建支墩存在干涉，且钢平台安装过程也发现相应尺寸问题，模拟凝汽器壳体托运过程中也对锚点布置、吊装带拼接进行优化。通过复盘，该项目凝汽器壳体整体就位时间比起公司以往承建同厂家同类型壳体时间少4天，节约成本近十万元。

本次创新依靠BIM轻量化程序包，在BIM动画交底的基础上进行了优化和创新。施工前期实现了对方案中的问题提前发现、提前解决，有效避免返工及成本、工期损失。提高了BIM可视化在危大施工方案交底工作中的应用价值，提升了交底效率，在确保生产工艺安全、可靠的同时也对后续技术交底的创新提供了参考。