BIM技術在南寧軌道交通3號線創業路站的機電工程施工研究應用

廖 羚1， 2 莫專恒1， 2 楊 磊3 張 杰3 蘇猷智3 鄧雨晨1， 2 黃凱澤

(1.廣西科技大學 土木建筑工程學院，柳州 545006;2.廣西科技大學BIM研究中心，柳州 545006;3.中鐵十二局集團電氣化工程有限公司，天津 300308)

1 工程概況

1.1 項目簡介

南寧軌道交通3號線創業路站，位于廣西南寧市西鄉塘區創業路與振興路交叉路口，沿振興路東西向設置。車站為地下兩層單柱島式站臺形式的典型車站，外包總長為210m，標準段寬19.7m，共設置4個出入口； 地下一層為站廳層，地下二層為站臺層，公共區總建筑面積為2 805 m2。創業路站具有地鐵車站作業面自然采光條件差、結構主體尺寸與安裝圖紙存在偏差、各系統管線層疊密集、交叉作業的層面和工序多、專業配合接口多、設備重體積大運輸通道狹窄、施工質量要求高等典型特點。項目的BIM技術研究與應用工作由中鐵十二局電氣化工程有限公司與廣西科技大學BIM研究中心聯合以“校企合作，產教融合”的模式開展。實現基于BIM的三維激光掃描及放樣技術、機電管線綜合深化設計、精裝修深化及應用、可視化施工交底、安全消防疏散模擬、AR應用、縮尺3D打印技術等十余項建造階段機電工程BIM技術應用研究。更好地發揮BIM的價值，實現智慧建設，智慧地鐵的美好愿景。

圖1 創業路站平面圖

圖2 項目BIM實施方案導則

2 BIM實施導則與建模標準

2.1 BIM實施導則

為了促進BIM技術在本項目高效應用，項目部吸取同類項目BIM應用經驗，結合項目特點，針對性制定了項目BIM實施導則(見圖2)，主要內容包括工程概況及項目介紹、BIM項目實施現狀及必要性、項目實施目標和內容等。其中確定在本項目開展精裝修深化及應用、3D打印機房及復雜節點、利用Navisworks做施工交底動畫、機電管線綜合、火災模擬 Pyrosim、逃生疏散演練Pathfinder、三維掃描及BIM放樣機器人等十幾項BIM應用研究。輔助項目各項工作開展，同時推動BIM技術在本項目深入推廣，提高項目效益。

2.2 BIM建模標準

團隊在總結近年來完成的各BIM項目建模及應用標準的基礎上，參考《建筑信息模型施工應用標準》、《建筑工程施工信息模型應用統一標準》等行業各級相關標準，研制本項目BIM建模標準(見圖3)。本標準包含有模型的分類標準、建模精度標準、模型規定等。為BIM技術在項目的順利應用提供理論基礎。

圖3 項目BIM建模標準

3 BIM技術研究與應用

為解決項目機電安裝中管線與設備確定位難、設計時各專業管線之間及各系統間碰撞多、管線放樣工作量大、精裝修方案優化及施工計劃、文字描述或口頭講述的施工交底方式信息傳達不清晰準確、緊急事故安全逃生方案優化、建筑信息知識在項目成員普及度底、管線機房構件安裝中構件尺寸超限而運送困難等問題，項目將BIM技術、三維激光掃描技術、AR技術等新興技術集成運用于項目建造中，為解決各項目建造過程各項問題提供思路方法，促進項目順利實施。

3.1 BIM模型搭建

團隊根據本項目BIM建模標準，按照各專業CAD圖紙，利用Autodesk Revit 2016軟件搭建土建BIM模型(見圖4)和機電BIM模型(見圖5)。建模過程中一定要根據建模標準規范進行，確保模型精度，對發現的問題應作好記錄，并及時商量解決。

圖4 土建BIM模型

圖5 機電BIM模型

3.2 基于BIM的三維激光掃描及放樣技術

三維激光掃描技術是利用向被測對象發射激光束和接收由被測物發射回的激光信號獲取被測對象的空間坐標信息[1]。將三維激光掃描技術生成的地鐵結構竣工的點云模型與Revit軟件搭建的土建BIM模型疊合，對土建BIM模型進行校正，使其成為與現場土建結構相一致的信息化三維模型，為后期各項工作開展打下基礎?；谌S掃描技術的三維建模研究應用有：Mao-hua LIU等講述采用三維激光掃描技術獲取的主體結構點云數據作為三維建模的基礎數據并對點云數據進行點云拼接、點云配準和點云降噪處理的過程[2]； 賈雪等基于點云數據獲取、處理與三維建模的理論[3-4]； 何建軍等在佘山深坑酒店項目中運用三維激光掃描與BIM技術結合得到點云BIM模型[5]等。在研究理論及應用經驗基礎上，項目將該項技術應用于校正由CAD圖紙搭建的土建BIM模型與現場實際結構體系吻合度，為BIM的管線設計優化、放樣、精裝修等應用點的實施提供精確的土建BIM模型。具體的應用流程(見圖6)及實踐步驟如下：

圖6 三維激光掃描流程

(1)三維激光掃描

項目運用天寶TX8三維激光掃描儀(見圖7)對現場進行全局掃描，獲取施工現場的全部位置信息，獲得1∶1的點云模型(見圖8)。

圖7 天寶TX8三維激光掃描儀

圖8 整體三維點云圖

(2)點云數據處理

經過三維激光掃描得到的點云數據通過Trimble RealWorks軟件可以生成點云局部模型(見圖9)，并對生成的點云局部模型進行處理(見圖10)。Trimble RealWorks軟件可以實現點云過濾、匹配顏色、多站自動拼接、項目管理、測距、三維點云展示、橫縱斷面圖、超欠挖分析、三維空間分析、竣工數據與設計對比、三維建模、高清數碼影像、項目飛行瀏覽、錄像等應用[6]，具有承載海量點云數據且運行速度快等特點，能展示高質量三維效果。

圖9 點云局部模型

圖10 點云模型處理

(3)點云模型與土建BIM模型疊合校正

通過把處理好的點云模型導入到Revit軟件中(見圖11)，根據點云數據我們對模型進行初步的對比檢查，若土建BIM模型與點云模型有碰撞沖突，就可以提前進行模型校正，獲得一個精準的土建BIM模型，為BIM本項目相關應用開展提供精確模型基礎。

圖11 BIM模型修改

3.3 基于 BIM機電管線綜合深化設計

(1)機電管線綜合

在設計時，往往由于各專業設計師之間的溝通不到位，而出現各種專業之間的碰撞問題。機電管線綜合在不違背各專業系統設計愿意的基礎上，保證各系統使用功能不受影響[7-8]。BIM機電管線綜合深化設計是利用BIM結構模型與設備管線BIM模型進行碰撞檢測而后進行設計優化的過程，是當前BIM在建筑應用中效益較高的應用點。本項目引入BIM技術是為了解決機電工程結構復雜、凈高要求高、工期趕等難題，為項目帶來效益，項目機電管線綜合技術流程如下(見圖12)：

圖12 機電深化流程

機電深化的具體步驟為：

1)將機電圖紙導入Revit 軟件中，移動圖紙使軸網相互對齊定位，軟件中的CAD底圖作為依據，有利于加快建模速度與準確性。

2)根據底圖并結合項目制定的BIM實施標準搭建各專業模型。本項目因機電工程工程量較大，模型精確度要求高等特點，團隊采取分類建模的方式進行建模，按照水暖電各個專業、各個系統進行分類，各類模型建完后按照標高進行合模，得到完整機電模型。

3)在完整的BIM模型上，通過Revit軟件導出NWC格式BIM模型文件，將上述文件導入Navisworks軟件中進行碰撞檢查。通過碰撞檢測可以快速高效地發現機電模型與建筑模型之間碰撞的部位。軟件會自動生成碰撞報告(見圖13)，并高亮顯示碰撞點(圖14)。將碰撞檢查報告向設計院及業主單位反饋，對碰撞點進行優化設計。通過BIM可視化平臺與碰撞檢查功能，及時發現設計存在的問題并進行改正，節約施工效率和成本。

圖13 碰撞報告

圖14 碰撞點

(2)機電出圖

具體步驟：

1)在Revit中將各專業模型進行劃分，分別創建獨立的視圖，并在視圖中打開相應的專業視圖;

2)對機電模型的管道系統名稱，管件尺寸，標高，水平距離等信息進行標注;

3)把標注好的模型視圖在Revit軟件中進行導出處理。把導出的圖紙在CAD中進行比例調整，完成出圖。

(3)小結

通過對項目進行機電深化設計，利用Navisworks軟件碰撞檢查功能，創業路車站解決實際碰撞達350余處； 利用Fuzor軟件進行可視化漫游發現并同設計院反饋設計問題69處，有效減少因設計錯誤造成的工程返工，大大提高項目效益。

3.4 基于BIM放樣技術應用

BIM放樣技術是BIM技術與測量技術相結合，是BIM技術在行業推廣和發展的產物，放樣機器人的應用，致力于提高施工放樣速度和放樣精度，減少放樣人員投入降低工程造價。目前基于BIM放樣的應用有：郭偉利用BIM放樣機器人對蝶形建筑地磚放置點快速放樣應用[9]； 劉駿等基于BIM放樣機器人在裝飾施工天花吊桿定位中的應用[8]等，但目前將BIM放樣機器人應用于地鐵項目較少?；谏鲜鰬迷恚卷椖繉IM與自動放樣機器人相結合應用于機電安裝工程中，為解決項目放樣工作量大、精度高等問題，提高項目效益。具體的實施流程如圖15。

圖15 基于BIM放樣流程圖

(1)前期準備：

全站儀主機(見圖16)：用于指示、測量放樣點位的設備，其放大倍率： 32倍； 測角精度： 2s； 測距精度： 1mm； 高速測距精度： 2mm。

外業平板電腦(見圖17)：即手持終端，導入BIM模型后，用于控制、選擇測量或放樣點，可直觀連接和設置全站儀。

圖16 全站儀主機 圖17 平板電腦

Trimble Field Link軟件：連接內業到外業BIM到現場； 可視化放樣、采集現場數據、計算誤差、輸出工作報告、拍攝實時視頻等。

基于Revit及CAD的測量及放樣點位插件：把點位在模型中選取并設置完成，導出到Trimble Field Link軟件，操作軟件可指揮機器人現場放樣。

(2)基于BIM放樣點設置

在Revit中設置放樣點(見圖18)，并將這些放樣點和模型導入到專業平板電腦，通過Trimble Field Link軟件(見圖19)，可以與放樣機器人進行通訊連接，指導放樣機器人在施工現場進行放樣工作。其中導入儀器的數據文件共有3個模型數據、放樣點數據和控制點數據[10]。模型數據可以由Revit以DXF格式導出； 放樣點數據是由基于Revit平臺的Trimble Field Link插件所創建； 控制點數據可以在Revit與儀器中創建。

注：如果開機10s鐘沒有進行操作，儀器將進入休眠模式。如要返回到選擇模式，請按觸發鍵。圖20 操作界面

圖18 Revit中設置放樣點

圖19 BIM模型導入

(3)現場儀器就位

1)安置儀器

根據現場基準點和放樣點的位置，選定放樣機器人架設位置，使其測設較多點位。穩定安置儀器會提高測量精度，使您最大程度地利用 Trimble RTS 系列全站儀的精密測量特性。

2)儀器的開機

按觸發鍵開機。儀器一開機，選擇模式菜單便出現在盤右顯示屏上(見圖20)。如果已經激活了 PIN 安全代碼，您需要解鎖儀器，然后才能繼續。

3)整平

選擇了安裝/整平后，盤右顯示屏將顯示出電子氣泡。在比例為1： 250的顯示屏，旋轉腳螺旋，使水泡居中； 改變比例，重復上述操作，直至水泡不再移動。

(4)放樣點位

通過對多個可視基準點聚焦計算出儀器在空間的位置及與放樣點的距離。選擇模型中已標記出的放樣點，通過激光，在對應位置處放樣出點位并做相應標記。根據點位位置進行現場操作(見圖21、22)。項目通過BIM放樣機器人綜合放樣應用，測量員平均每天放樣點數達到500個，大大提高工作效率，節省項目工期，同時放樣精度高，精度誤差可以控制在毫米級，為項目精益建造發展注入新帶來動力。

圖21 現場操作圖

圖22 放樣機器人現場定位

3.5 精裝修深化及應用

地鐵裝飾工程具有功能性要求高、各專業配合協同工作量大的特點，BIM技術的應用能使地鐵裝飾工程更加順利高效實施。精裝修作為建造階段重要的部分，就傳統的施工方法而言，精裝修圖紙具有繪制效率低、錯誤點、遺漏點不易被發現等問題，而二維圖紙不能直觀展示的缺點，在此情況下團隊決定通過采用BIM技術，利用其可視化、協同性、可模擬的特點，開展基于BIM地鐵精裝修深化應用研究(具體實施見圖23)，致力解決傳統工藝存在的問題，提高工作效率，縮短工期。

圖23 精裝修流程圖

首先，根據裝飾裝修要求，利用Revit軟件完成精裝修模型的搭建，實現各部位精準布置。將精裝修二維圖紙以三維形式展現出來，讓項目各參與方能輕松讀懂設計理念，改善溝通環境，提高信息準確應用與表達，便于各方間信息傳遞與交流，提高工作效率，達成協同溝通。

其次，將Revit精裝修模型導入Lumion軟件中，通過BIM技術的可模擬性，設置模型的構件參數，進行精裝修場景模擬演示，提高實際體驗感，讓施工管理人員真實體驗整體效果。通過修改相關構件參數，即可及時解決在模擬中發現的問題。

最后，為豐富各個參與項目人員的體驗感，將Revit模型導入Lumion軟件中，導出全景圖，導入720云平臺，通過分享的二維碼即可進行項目全景預覽。另外，將BIM精裝修模型導入Fuzor軟件中，可應用HTC VIVE終端在模型中進行參觀，讓各決策方身臨其境地從任意角度、任意視角通過漫游來觀察和體驗不同方案精裝修整體效果(見圖24-25)通過討論選出最完善的方案，最大化地優化施工計劃，避免二次施工，降低成本，保障工程質量。

圖24 站廳層精裝修效果圖

圖25 站臺層精裝修效果圖

3.6 基于BIM的可視化施工交底

傳統項目管理中以文字描述或口頭講述進行施工交底的信息傳達方式容易造成信息傳達不準確、現場施工人員理解不透徹等問題。隨著信息時代的到來，三維可視化交底能夠以清晰的動畫方式逼真形象地展示施工過程及效果，能夠有效解決傳統交底方式的缺點。Reza Zaker等講述了項目協作中可視化的作用[11]，幾年國內基于三維可視化交底研究應用中，侯春明等從混凝土施工、養護等角度講述了施工方案三維可視化技術交底的作用[12-13]，郜建忠等以客運專線48m簡支梁節段拼裝施工可視化交底為例講述了可視化能夠加快施工進度、保證工程質量、創造經濟效益的效果[14]。為了使現場施工人員更好地理解施工交底的內容，團隊決定使用BIM技術進行可視化施工交底。具體做法如下：

(1)運用Revit軟件，根據需要交底的內容進行模型的搭建，搭建出相關工序、工藝流程的模型(見圖26)。

圖26 根據施工工藝流程搭建Revit模型

(2)將建好的RVT格式的模型導出為NWC格式文件，用Navisworks即可打開。在施工單位各專業人員的指導下，根據施工工藝流程和施工要求，進行施工模擬動畫制作，動畫包括施工材料要求、施工工藝動畫演示、工藝重點難點、質量標準等，動畫制作完成后，導出AVI格式視頻(見圖27)。

(3)將導出的視頻用繪聲繪影、Adobe Premiere等軟件進行剪輯、加字幕說明步驟(見圖28、29)。

通過利用Navisworks制作的動畫給現場施工工人進行交底，信息傳達相較傳統紙質交底更加簡單易懂，更準確。切合實際的技術交底動畫可以讓實際操作的工人知道他所負責的工序應該注意什么問題，會出現什么樣的質量通病問題，從而避免那些低級的質量問題，降低返工量，減少施工成本，提高施工質量。現場實際實施情況表明，基于BIM的可視化施工交底提高了工程質量和施工效率。

圖27 施工交底動畫制作

圖28 施工交底動畫剪輯

圖29 已完成的施工交底視頻

3.7 基于BIM的安全消防疏散模擬

圖30 操作流程圖

圖31 火災模擬動畫

地鐵站具有結構復雜、空間狹窄、通地出口少、人流密集、逃生路線復雜等特點[15]。突發火災時，在最短時間內將站內人員安全疏散是確保人員安全的關鍵。當前研究中，王婷等講述了基于BIM的火災模擬與安全疏散分析[16]； 鄧朗妮等以以廣西百色某干部學院圖書館為實例研究火災發生時煙氣擴散、溫度分布及能見度對人員疏散逃生的影響[17]等。基于前人研究基礎，本項目運用Pathfinder及Pyrosim軟件，開展不同火災場景人員安全疏散研究(見圖30)，針對不同施工階段地鐵車站施工人員進行消防疏散模擬(見圖31)，分析人員是否能在規定火災疏散時間內抵達安全區域，在指導各參建單位進行施工應急疏散演練，以及項目安全施工措施，具有十分重要的現實意義。

(1)火災模擬 Pyrosim(圖31)

(2)逃生疏散演練

把Revit模型導出DWG格式文件，并導入Pathfinder，根據各個施工階段的作業范圍及逃生路線，布置逃生環境，點擊開始，數據分析，生成逃生數據，包括(人流量、逃生時間、奔跑時間)，生成逃生模擬視頻。

通過Pathfinder及Pyrosim軟件進行消防疏散模擬演練(見圖32)，可達到如下三種預期效果：

(1)根據施工方提供的精裝修圖紙中逃生指標的指示，在模型內布置逃生路線，并在最遠端放置人員，模擬測試站內最遠端人員用正常逃生速度移動到安全區域所需的時間，以判斷該逃生路線的可行性。

(2)在保證最遠端人員用正常逃生速度移動到安全區域的逃生時間小于最佳逃生時間的情況下，模擬測試本站內可容納的最大人流量。

(3)在未確定逃生線路的情況下，將人員放置于最遠端，讓其在模型內進行逃生模擬。最遠端人員自主選擇的逃生路線即為最短逃生路線。

圖32 消防模擬演練

3.8 AR應用

AR技術是新興的技術，王廷魁等通過分析BIM與AR的實踐應用認為 AR 技術可以將 BIM 模型和信息無縫融合到真實環境中實現 BIM與現場人員之間的實時交互并對完成施工任務起到指導作用[18]。在此情況下，為給項目帶來更大效益，團隊將BIM與AR結合應用與項目建造階段，通過視+AR平臺(見圖33)，制作AR三維激光掃描儀操作演示、放樣機器人操作演示、滅火器使用教程(見圖34)及施工進場安全交底。

圖33 視+AR平臺

圖34 滅火器使用教程

團隊將各操作演示教程壓縮成ZIP格式，登錄視+AR官網，使用視+AR提供的編輯器工具制作應用。在視+AR提供的編輯器工具中(見圖35)，為操作演示教程設置對應的標題、描述和邀請碼，并上傳以ZIP格式壓縮的操作演示教程，完成AR應用的創建。將AR應用上傳至企業云端，工人通過APP掃描對應物品便可在移動端設備上即時查看相關操作演示視頻，起到安全指導的作用。

圖35 視+AR編輯器界面

3.9 縮尺3D打印技術

在建造生產一線了解到，建筑大型設備機房在進行裝配式施工過程中，常出現設備、管件尺寸超限，無法順利運送進機房等現象。所以團隊嘗試使用3D打印技術，打印縮尺模型推演安裝工藝，解決難題。3D打印技術運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。史玉升等結合國內外3D打印技術的發展論述了3D打印數據交換格式及數據處理軟件架構的新發展[19]。3D打印技術用于本項目機電安裝中大量打印復雜節點，在對節點體現、立體化效果上有較大的優勢，有助于施工人員對于復雜安裝工藝的理解。

具體的操作步驟(見圖37)：在Revit及犀牛等三維建模軟件中搭建三維模型，將模型導出FBX格式文件，將導出的FBX格式文件導入進3DMax軟件中進行精修復，待修復完成后導出STL格式文件，即適合我們3D打印機驅動軟件——UP Sudio 軟件的特定格式文件。最后將其拖入3D打印軟件UP Studio中，進行模型參數調整，適當比例縮放，旋轉以及水平方向等操作后，待軟件會自動計算打印模型所需時間和材料用量后，通過USB接口將數據傳輸進打印機中，驅動打印機開始工作，等待打印完成后取出模型即可。用打印的構件進行機房裝配方案模擬，分析方案可行性，推導出較優方案，有效減少機房裝配返工。

圖36 機房3D打印模型

圖37 3D打印流程

通過縮尺3D打印技術，無需機械加工或任何模具，就能直接從計算機圖形數據中生成任何形狀的零件，裝配縮小型機房，指導施工，從而減少由于施工過程中的錯誤帶來的重復拆裝，極大地縮短工期，提高生產率和降低生產成本，并具有更高的打印精度，有效解決機房設備安裝效率低下問題。

4 總結

本項目引入BIM技術，開展了基于BIM的三維激光掃描及放樣技術、機電管線綜合深化設計、精裝修深化及應用、可視化施工交底、安全消防疏散模擬等建造階段機電工程BIM技術應用研究，對地鐵車站作業面自然采光條件差、結構主體尺寸與安裝圖紙存在偏差、各系統管線層疊密集、交叉作業的層面和工序多、專業配合接口多、設備重體積大運輸通道狹窄、施工質量要求高等問題提供新的解決方法。BIM技術在項目成功運用，極大程度地縮短工期，降低成本，同時也為今后其他項目開展BIM實施應用積累更多的經驗。