基于BIM技術的3D作業指導書創新與應用

鐘方慧，劉 勇，黃歲鋒，樓錚輝

(中國核工業第五建設有限公司，上海 201599)

作業指導書作為項目施工過程中至關重要的技術文件，是連接設計和施工的橋梁，是指導作業人員完成施工任務的重要保障措施，對項目施工有著舉足輕重的地位和作用。但其最終的落腳點是指導施工人員更好、更快地進行施工作業，保證完成施工任務。利用BIM技術具有的可視化、協調性、模擬性、優化性、可出圖性等特點，將作業指導書從二維平面、紙質的模式轉向三維立體、數字的模式，使其呈現方式更加直觀和便捷。因此，研究基于BIM技術的3D作業指導書具有廣闊的應用前景和深厚的現實意義。

目前，核電項目對施工生產指導和人員的培訓主要是依據二維作業指導書和技術交底材料，再輔以二維圖紙。所存在的主要缺陷在于：一是紙質材料不連貫、輔以的二維圖紙較為抽象，表達不直觀；可視化效果差，作業人員在進行施工生產時，需要根據二維圖紙將在腦海中將二維圖紙轉化為三維結構，然后再轉換為二維施工，由于個人理解能力的差異，極易導致實體落地的質量與預期質量出現較大偏差。二是紙質材料傳遞信息的效率較低、誤差較大，重復利用性差；易造成資源浪費，而且由于施工環境的變化以及個人理解能力的差異容易引起消息的誤導。因此，在當前核電施工節奏快、質量要求高以及標準規范嚴格的大環境下，作業人員能否將設計圖紙的設計意圖完全的施工生產出來是重中之重。

近年來，BIM技術在工程建設行業發展可謂風起云涌，BIM應用軟件已呈現出百家爭鳴的現象，且隨著多地政府BIM指導性文件的發布，基于BIM技術的應用和研究已勢在必行。BIM技術在作業指導書方面的應用已有施工單位在探索，如利用BIM分析軟件制作施工模擬動畫，然后通過視頻編輯軟件形成完整的視頻呈現給相關人員，雖然此方法能較好的呈現作業指導書，但經濟成本高且無模型信息，同時當施工工藝發生變化時，需要重新制作，會導致在現場的響應緩慢。

1 裝配作業指導書的編制過程

利用3DVIAComposer軟件能夠實現圖文并茂、圖片動畫并茂的三維裝配作業指導書的制作。還同時具有3D作業指導書審核、發布及管理、編輯權限設置及瀏覽權限設置等功能,通過以上功能完成3D作業指導書的編制和發布,3DVIAComposer軟件中制作作業指導書的流程如圖1所示。

圖1 3D作業指導書制作流程Fig.1 The preparation process of 3D operation instructions

1.1 數據準備

為解決建模軟件與系統數據交互的問題，系統研發了BIM數據接口與交換引擎，提供了rvt、ifc、obj、sat、3dxml等格式文件的導入，因此在導入BIM模型前，需利用BIM建模軟件依據施工方案對使用的施工工具進行拆分，并將其導出為該系統支持的格式。裝配工藝方案是工藝設計初步階段在三維工藝設計管理系統中對設備吊裝過程的一個總體規劃，包括吊裝順序的規劃和路徑的規劃。吊裝路徑規劃是擬定工藝路線，編排施工步驟，確定每道工序的質量控制內容和檢測方法，最終輸出優化的吊裝托運方案。BIM模型的導入如圖2所示。

圖2 模型導入Fig.2 Model import

1.2 工藝流程制作

進行工藝圖解的制作首先要根據安裝施工方案來確定工序和工步，然后根據工序和工步來確定工藝圖解的個數，并為需要制作工序和工步的操作創建視圖。施工工具拆分如圖3所示。

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

視圖代表了視圖區域的模型的快照，保存了屬性以及模型和畫中所有可視零件，也記錄了照相機位置、爆炸視圖里零件的位置以及視圖區域的屬性。根據施工方案，對視圖進行編輯，在視圖添加尺寸信息，公差信息(包括尺寸公差和位置公差)和注釋信息，通過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裝配公差要求；通過注釋信息的添加，可以詳細描述裝配過程中操作的具體要求，所添加的注釋信息和傳統二維工藝的工序、工步內容相對應。模型信息添加如圖4所示。

圖4 視圖標注Fig.4 View annotation

3DVIAComposer提供了制作爆炸視圖的功能，可以快速地將模型中的零件分離開，并賦予每個零件一個唯一的ID編號，從爆炸視圖中能夠顯示模型中的零件位置關系，爆炸視圖一般用在手冊中以顯示零件的位置，它可以聯系BOM表和零件標號指明零件清單。在3DVIAComposer有多種方法創建爆炸視圖，可以拖動被選擇的角色至新的位置，也可以采用線性、球面、圓柱面分解模式自動地分離角色至新的位置。3DVIAComposer還提供了一種強大的Digger功能，它可以在模型不同區域放大，用以查看內部結構等等，利用這項功能可以在零部件的任意位置對零部件的局部進行放大,并且放大倍數可以根據需要自行調節，爆炸視圖如圖5所示。

圖5 爆炸視圖Fig.5 Explosion view

在所有工藝圖解都制作完成后，需要進行檢查，檢查內容包括視圖完整性檢查、正確性檢查和視圖的順序進行檢查。對于視圖不完整和存在的錯誤，在3DVIAComposer中可以隨時進行修改完善，視圖的順序檢查要依據施工方案的施工順序進行，對裝配順序進行調整采用統一的命名規則來確定。

1.3 裝配動畫制作

動畫是將圖形、圖案、畫面或者其中的一部分顯示在屏幕上，并按照一定規律在屏幕上移動、變換，從而使計算機顯示出圖形動態的變化。3DVIAComposer采用鍵框架界面去創建時間軸，并通過鍵、過濾及播放工具在時間軸面板上創建和編輯動畫。在3DVIAComposer中的動畫包括：視圖的切換、位置的改變屬性的改變及Digger的改變。

1.3.1 創建裝配組

在3DVIA Composer中創建動畫的過程是先對施工工具創建裝配組，如圖6所示。將一個工序中需要一起移動的工具分到一個裝配組中，然后創建拆分動畫，最后將拆分動畫轉化成裝配動畫。

圖6 裝配組Fig.6 Assembly group

1.3.2 添加屬性

利用屬性面板，對工具的顏色及透明度進行修改，同時還可以在其表面進行紋理貼圖，對一些工藝要求添加標簽、注釋及尺寸信息，在需要局部放大的部位添加Digger，為零件添加爆炸效果,如圖7所示。

圖7 添加屬性Fig.7 The attribute of addings

對施工工藝中使用的工機具規格、設備起吊過程中的起吊高度及各物體間安全距離等進行標注,如圖8所示。

圖8 距離標注Fig.8 Distance marking

1.3.3 添加關鍵幀

利用屬性關鍵幀、照相機關鍵幀和Digger關鍵幀配合使用來記錄中間狀態下設備的屬性和位置空間的變化情況，在設備的位置空間變化過程中軟件提供了自由拖動、平移、旋轉和恢復中性位置等，同時還可利用箭頭、圖像、標簽、編號和尺寸用來為動畫過程添加標記和標注，以及測量角色，使動畫更加準確地表述設備的裝配過程。通過這些工具將設備按照施工方案的步驟進行平移或旋轉，并在每一個需要變換的位置添加關鍵幀，以此來記錄設備的中間狀態，把所有的中間狀態拼接在一起就形成一個完整的裝配動畫,如圖9所示。

圖9 添加關鍵幀Fig.9 The key frame of adding

將制作完成的3D作業指導書導出為輕量化程序包，程序包不需要安裝插件即可進行查看，通過雙擊視圖區中的視圖可以在模型顯示區看到各個工步的裝配要求，并且可以通過鼠標操作對模型進行放大、縮小、移動和旋轉等操作，同時可以觀看裝配過程動畫。在3DVIAComposer中可以將裝配動畫單獨以AVI格式進行輸出，輸出的裝配仿真動畫，能夠方便用戶在裝配現場清晰直觀地查看設備的裝配過程及裝配要求，以指導現場裝配。3D指導書程序包如圖10所示。

圖10 3D作業指導書程序包Fig.10 The 3D operation instruction package

2 應用效果

以漳州核電1號機組常規島凝汽器殼體吊裝托運為試點，以3D作業指導書代替傳統的二維圖紙進行安全技術交底。應用傳統的二維圖紙進行安全技術交底效果不明顯，缺少信息化效果，不能詳細反映施工作業程度。通過對BIM技術的深度應用，以工藝流程為主線，過程控制為核心，BIM模型為載體，實現施工過程可視化展示為目標；對凝汽器殼體超危大技術方案通過數字模型制作3D指導書，進行可視化交底最直觀的表達和交底方法，使現場工人容易理解，降低了操作錯誤，大大提升安全技術交底效果。此方法在該項目屬首次應用，后續項目部將針對不同專業的專項施工方案，根據其工程概況、施工工藝技術、質量安全措施等制定適用于此方案的作業指導書，注重可操作性和實用性，真正發揮作業指導書的作用。同時，還可對公司范圍內的建筑工程、天然氣工程、石油化工工程等項目，根據自身的特點制定適用于自身的作業指導書。

3 實施效益

在編制漳州項目常規島一號機組凝汽器殼體安裝托運指導書的過程中，發現鋼平臺的布置與土建支墩存在干涉，且鋼平臺安裝過程也發現相應尺寸問題，模擬凝汽器殼體托運過程中也對錨點布置、吊裝帶拼接進行優化。通過復盤，該項目凝汽器殼體整體就位時間比起公司以往承建同廠家同類型殼體時間少4天，節約成本近十萬元。

本次創新依靠BIM輕量化程序包，在BIM動畫交底的基礎上進行了優化和創新。施工前期實現了對方案中的問題提前發現、提前解決，有效避免返工及成本、工期損失。提高了BIM可視化在危大施工方案交底工作中的應用價值，提升了交底效率，在確保生產工藝安全、可靠的同時也對后續技術交底的創新提供了參考。