西安地鐵3號線軌道工程BIM技術研究及應用

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、工程量計算復雜，作業面交叉作業多、施工組織難度大，過渡段結構復雜、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，實現了地鐵無砟道床三維精準建模、工程量精確提取、可視化交底、施工模擬。

【關鍵詞】地鐵軌道；BIM技術；軌道模型

【中圖分類號】U213.2

【文獻標識碼】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

1.1我國地鐵工程建設正處于高速發展時期，地鐵的建設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、工程量計算復雜；（4）作業面狹長且交叉作業多、施工組織難度大；（5）過渡段結構復雜、施工要求高；（6）安全風險大、質量標準等特點。給施工管理帶來巨大挑戰。目前的管理模式大部分依靠傳統的人工管理模式，信息溝通和協同管理手段落后，信息化程度底，與地鐵高速發展不相匹配，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，工程量人工統計耗時耗力，計算復雜、精確度低，造成材料提取困難，浪費嚴重，建設成本增加，現場軌行區交叉作業多，安全風險大，落后的管理手段無法實現可視化管理、協同管理、模擬建造等，不利于安全控制。采用信息技術構建地鐵施工時間及空間模型，實現地鐵施工現場“信息化，精細化”管理是時代發展的必然趨勢。

1.2我公司承建的西安地鐵3號線軌道工程施工項目，在國內外首次將BIM技術引入地鐵軌道施工領域，實現集成地鐵工程地理位置、周邊建筑物、工程設計方案、施工工法、現場施工人員及機械行為等多因素，通過借鑒其它領域BIM技術應用的成功案例，實現了BIM技術在地鐵鋪軌施工中成功應用。

2. 工程概況

西安地鐵3號線全長39.9公里，設車站26座。本次BIM技術應用先以胡家廟至石家街區間段作為研究對象。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。通過該段的研究應用和驗證，進一步優化改進，拓展研究內容，推廣應用于全線路軌道工程施工。

3. 項目研究的主要內容

（1）結合地鐵軌道工程的特點，通過對現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，并進行后期應用），選擇CATIA建模軟件，以突破軌道曲線、超高等精細化建模的瓶頸，創建地鐵各種類型道床結構和軌道部件及施工機具設備等參數化模型庫和施工工藝仿真庫。

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

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

（4）精準建模，配合項目部實現多維度、多視角現場施工三維精準技術交底，在模型及應用平臺中獲取各施工段有關信息。

（5）專業開發插件，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施工模型數據庫中，實現全周期信息共享。

（6）基于DELMIA的施工仿真技術，模擬現場施工、優化施工組織和場地布置，制作鋪軌基地建設、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，指導現場施工。

（7）軌道過渡段三維建模，實現精準施工。

（8）開發BIM5D應用協同管理平臺。利用BIM5D管理平臺實現安全質量信息化管理，即現場人員一旦發現安全質量問題及重大危險時，可通過移動端上傳管理平臺，實現信息共享、部門協調、團環對應等管理目標。endprint

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

（10）BIM技術培訓及應用推廣。

4. 應用軟件綜合分析

項目通過對各系列BIM應用軟件進行綜合對比分析，國內外主要BIM技術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，另針對該項目開發了基于CATIA的BIM5D-BIM技術應用管理平臺（國內外主要BIM技術系列軟件對比分析見表1）。

5. 軌道BIM關鍵技術

5.1審核施工圖紙及參數，完成無砟道床及鋼筋模型。

（1）地鐵軌道具有設計類型多、軌道部件繁雜、預埋管線多的特點，尤其是減振道床，設計結構復雜，鋼筋密集，二維圖紙給圖紙審核、工程量計算、專業交叉碰撞檢查等帶來很大難度。為了保證鋪軌施工的準確、精細性，首次將機械設計領域的CATIA建模軟件應用于鋪軌施工中，突破了曲線、超高等精細化建模的瓶頸；實現了參數化道床模型庫、施工工藝仿真庫的創建。軌道BIM技術通過嚴格、細致的設計管理體系，保證項目從方案、初步設計、施工圖紙到現場施工全周期的技術把關，消滅人為因素造成的施工質量差異，從而最大限度控制工作成本，成功杜絕了因設計造成的返工浪費。通過將地鐵輔軌建設項目的二維信息（圖紙信息）全部轉化為三維實體模型，將整個建設項目的土木、材料、施工等全部信息融合到模型數據庫中，工程技術人員可以對整個項目施工所需的曲線要素、空間技術參數、斷面結構盡寸、坐標及標高信息實施準確查詢。同時，BIM模型還集成了所有與管理有關的行為信息，并通過信息關聯、調用等方式可真實模擬整個建設過程的實際行為，使工程技術人員對各種建筑信息作出正確理解和高效應對，為各方建設主體提供協同工作的基礎，在提高生產效率、節約成本和縮短工期方面發揮重要作用，實現項目精細管理，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、多視角現場施工三維精準技術交底。

（1）項目施工過程中，施工圖紙、設計變更、圖集、施工規范及施工驗收標準規范等技術文件資料均在施工管理技術人員手中，管理人員必須通過技術交底的形式將設計意圖、施工技術要求和安全操作事項等灌輸給具體操作人員。技術交底有書面交底、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，將項目的BIM施工模型進行輕量化處理，結合必要的文字概要、工程文檔、圖紙、視頻等，并對重要工程結構和施工構件進行參數標注，形成三維化的“圖紙”和工程信息電子文檔。現場施工人員可以利用該文檔查看三維BIM模型、工程相關的信息文檔以及對三維模型進行測量獲取工程數據、或利用三維模型對某一結構進行標注，與設計人員進行協同工作。

（2）BIM技術通過對現場施工多維度、多視角進行現場三維交底，突破了辦公室會議交底的空間限制，更好的適應了現在軌道建設行業現場操作人員多為民工，素質較低，所以要求交底內容盡可能詳盡、針對性強、具有可操作性、表達方式要通俗易懂的施工現狀。這種技術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計規范及施工規范要求執行，避免了交叉作業混亂，保障工程質量。

5.3項目施工材料管理及工程量分析。

軌道結構為線形結構，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，工程量計算復雜，采用傳統方法，對曲線、豎曲線計算精準度不高，不利于工程量的精確計算和控制。通過BIM技術建立軌道線形模型，實現了工程量隨時隨段精確計算，確保了材料數量的精確提取和控制。并通過RBIM5D管理平臺，可實現對施工全周期材料計劃、進場驗收、儲存與保管、領發、使用監督、回收、周轉、審計等目的。

5.4項目施工進度管理。

（1）傳統的施工進度管理，大部分采用橫道圖或網絡圖的形式體現，可視化程度底，動態調整不及時，不能真實反應軌道施工進度情況。通過RBIM5D平臺建設，施工之前，可以創建不同的施工計劃，如施工總計劃，施工日計劃，將不同的施工計劃和相應的模型進行關聯，建立信息管理數據庫。BIM技術的3D+時間概念實現了4D技術。對模型中的各個部位附加時間概念，實現施工進度模擬，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。并導出相應進度分析報表。同時，將總計劃或者日計劃與相應的施工模型進行關聯，管理人員就能夠準確查詢、提取每日的施工工點（里程）及相關施工信息，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聯后，能夠通過三維仿真顯示施工進度，真實反映過程。能夠將結構形式特殊，工藝復雜的施工過程，用不同顏色、不同視角詳細展現出來。現場施工人員精確地看到工程施工的內部構件，方便觀察者從內部到外部直觀地看清施工進度。也能夠將讓不形象的、 眼睛看不到的東西能清晰地表現出來。

5.5成本管理。

BIM平臺成本核算為企業資金運營提供了一條解決途徑，它可以根據BIM模型數據，估算出投資項目總體費用。同時，也可對地鐵輔軌建設過程中各環節進行資金預算。并通過BIM平臺對整個項目做總體運營規劃，并得出大量的直觀數據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計窗口顯示出當前選中模型的工程量情況，如圖4、表2（工程量顯示見圖4，部分工程量統計表見表2）。

5.6協同管理。

現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，首先必須認真仔細地看清所有的施工圖紙，才能全面準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，而且要看結構施工圖和竣工圖，不僅要將每一張圖紙endprint

圖5隧道內鋪設鋼筋籠軌排

看懂吃透，而且要將所有的圖紙綜合分析。只有在認真看懂吃透圖紙的基礎上，才能發現問題、揭露問題。對審計人員識圖能力要求很高，BIM技術可通過剖面、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要素。

5.7可視化輔助教育教學及工藝展示。

利用BIM三維模型特點，能更快、更好的使學習者撐握工程項目所涉及的新技術、新工藝。通過BIM技術，可以全方位、多角度展示，工程現場施工、工程管理現狀及工程運營情況。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仿真，并加入人員操作模擬、機械設備運動機構模擬，包括對人的手部動作、工具使用、視野模擬、機械設備結構尺寸、運動機構模擬等內容，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，形成可以用于指導現場施工的工藝動畫，如圖5。

6. 結束語

BIM技術成功應用于西安地鐵三號線的鋪軌施工，通過研究及應用，實現了以下變革性突破：

（1）首次將BIM技術成功應用于地鐵鋪軌施工，實現了軌道設計優化、施工過程模擬、三維技術交底、工程信息查詢及提取、進度管理等，提高了項目信息化、精細化管理水平。

（2）首次將機械設計領域的CATIA建模軟件應用于鋪軌施工中，突破了曲線、超高等精細化建模的瓶頸，實現了參數化道床模型庫、施工工藝仿真庫的創建。

（3）針對地鐵軌道道床結構復雜，軌道材料類型多，緩和曲線、圓曲線、豎曲線及岔區、過渡區異形結構斷面工程量計算復雜的難題，專業開發插件，實現了工程量的精確計量和材料量的精準控制。

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

（5）BIM技術與VR技術結合，實現安全體驗。基于BIM軌道三維建模，和VR技術聯合，實現了現場減振道床、道岔等復雜道床結構可視化、精細化交底和實體體驗，并和安全模擬配套，實現安全事故模擬體驗。

參考文獻

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