高速鐵路四電工程BIM技術(shù)施工應(yīng)用

張玉

（北京新耀祥和科技有限公司，北京 100124）

0 引言

截至2019年底，我國(guó)高鐵運(yùn)營(yíng)里程已達(dá)到3.5萬(wàn)km，覆蓋了80%的城市，占世界高鐵里程的70%。鐵路智能化是世界鐵路未來(lái)發(fā)展的重要方向，鐵路大數(shù)據(jù)和人工智能應(yīng)用水平將顯著提高，一體化信息集成平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)安全體系、信息化治理體系構(gòu)建逐步開(kāi)展?！熬埜哞F”“京雄高鐵”標(biāo)志著我國(guó)高鐵已經(jīng)從自動(dòng)化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化走向智能高鐵階段。建筑信息模型（Building Information Model，BIM）技術(shù)應(yīng)用是智能高鐵的重要內(nèi)容，智能建造以BIM+GIS技術(shù)為核心，綜合應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)與專業(yè)工程技術(shù)融合，利用數(shù)字化仿真建造［1］，實(shí)現(xiàn)對(duì)通信、信號(hào)、電氣化工程全生命周期的可視化、數(shù)字化、全生命管理，有效跟蹤、控制關(guān)鍵進(jìn)度節(jié)點(diǎn)；減少碰撞與返工，提高建造質(zhì)量、保證施工安全、優(yōu)化施工進(jìn)度、輔助施工現(xiàn)場(chǎng)的精細(xì)化管理，打造了數(shù)字化高鐵神經(jīng)系統(tǒng)［2］，為智能高鐵建造打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 四電工程BIM技術(shù)施工應(yīng)用路線

按照我國(guó)智能高鐵2018—2035年走向創(chuàng)新示范、加速突破、全面提升的三階段目標(biāo)。智能建造以BIM+GIS技術(shù)為核心，綜合應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)［3］與四電專業(yè)工程技術(shù)融合，通過(guò)自動(dòng)感知、協(xié)同互動(dòng)、主動(dòng)學(xué)習(xí)和智能決策進(jìn)行智能診斷，開(kāi)展通信、電力、信號(hào)和電氣化工程設(shè)計(jì)移交模型的深化工作，利用BIM三維數(shù)字化技術(shù)成果，做到項(xiàng)目協(xié)同、階段協(xié)同、任務(wù)協(xié)同、專業(yè)協(xié)同。以支持或完成施工模擬、工程量計(jì)算統(tǒng)計(jì)、仿真檢測(cè)［4］、成本預(yù)算、運(yùn)維管理等業(yè)務(wù)工作。四電工程在施工階段的BIM技術(shù)應(yīng)用范圍可歸類為以下內(nèi)容：

（1）深化設(shè)計(jì)。交付以深化設(shè)計(jì)模型為代表的設(shè)計(jì)成果。在考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際并滿足功能需求的前提下，利用BIM技術(shù)對(duì)四電工程施工圖設(shè)計(jì)文件進(jìn)行驗(yàn)證并深化設(shè)計(jì)，完成對(duì)四電工程各專業(yè)設(shè)計(jì)圖紙三維模型的搭建，過(guò)程中應(yīng)確保與施工時(shí)使用的二維成果內(nèi)容、深度相一致。深化模型將用于施工階段的模型綜合、碰撞檢查、進(jìn)度模擬、方案模擬、輔助工程量統(tǒng)計(jì)等各項(xiàng)BIM執(zhí)行內(nèi)容。在BIM模型審核過(guò)程中，利用BIM的可視化優(yōu)勢(shì)，發(fā)現(xiàn)圖紙中存在的問(wèn)題，及時(shí)在圖紙會(huì)審中反饋。

（2）綜合協(xié)調(diào)。基于各專業(yè)BIM模型，對(duì)管線進(jìn)行統(tǒng)一的空間排布，確保管線可以滿足自身系統(tǒng)以及其他系統(tǒng)的整體要求，以解決空間碰撞問(wèn)題，同時(shí)對(duì)協(xié)調(diào)圖和深化圖出圖以及施工作業(yè)進(jìn)行指導(dǎo)、協(xié)調(diào)。

（3）施工工藝模擬。利用BIM施工模型，對(duì)施工工藝進(jìn)行三維可視化模擬展示或探討驗(yàn)證，展示重要施工區(qū)域或部位施工方案的合理性及不足，協(xié)助施工人員充分理解和執(zhí)行方案的要求。模擬的內(nèi)容包括但不限于：平面布置可視化、作業(yè)工藝、施工順序等。模擬中的工藝要素由施工工藝標(biāo)準(zhǔn)或技術(shù)交底所提供。

（4）視頻動(dòng)畫。利用模型的三維可視化特點(diǎn)，對(duì)模型進(jìn)行操作或演示，并制作成一定時(shí)長(zhǎng)的視頻格式文件。

（5）施工進(jìn)度模擬。利用BIM施工模型，對(duì)施工進(jìn)度進(jìn)行三維可視化的模擬展示或探討驗(yàn)證。模擬中的時(shí)間要素由施工進(jìn)度計(jì)劃所提供。實(shí)現(xiàn)智能高鐵的進(jìn)度數(shù)據(jù)互相校驗(yàn)，簡(jiǎn)化管理層級(jí)，提供決策效率，使管理者直面現(xiàn)場(chǎng)，讓作業(yè)者專注作業(yè)要點(diǎn)。確保施工階段的BIM工作成果及時(shí)準(zhǔn)確傳遞到施工現(xiàn)場(chǎng)。在施工過(guò)程中，利用綜合模型和施工方案/工藝輔助模型指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，對(duì)比并及時(shí)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)施工及工藝的錯(cuò)誤，提高工作效率。

（6）施工工序模擬。利用BIM施工模型，對(duì)于施工工藝進(jìn)行三維可視化的模擬展示或探討驗(yàn)證。模擬中的工序要素來(lái)自施工作業(yè)流程。

（7）場(chǎng)布協(xié)調(diào)管理。建立各階段場(chǎng)地規(guī)劃布置模型，通過(guò)BIM的三維可視化、漫游等功能，真實(shí)反映出設(shè)備與現(xiàn)場(chǎng)的狀況，為管理者溝通和決策提供依據(jù)。

（8）安全管理?；贐IM的安全管理功能，通過(guò)BIM+VR技術(shù)直觀察看防護(hù)設(shè)施模型布置情況，反映現(xiàn)場(chǎng)安全設(shè)施布置狀況及危險(xiǎn)源，為管理者溝通和決策提供依據(jù)。

（9）VR應(yīng)用。利用BIM+VR體驗(yàn)未建成項(xiàng)目實(shí)際實(shí)施后的效果，讓很多質(zhì)量、安全問(wèn)題得以提前考慮、提前修改，有效地避免資源浪費(fèi)，保證項(xiàng)目在各個(gè)階段高效、高質(zhì)量地完成。

2 高鐵四電工程建造階段的BIM技術(shù)應(yīng)用

2.1 應(yīng)用效果

（1）可視化施工指導(dǎo)。BIM的可視化優(yōu)勢(shì)能夠使項(xiàng)目管理人員在動(dòng)工前預(yù)測(cè)建筑的性能，獲得更直觀的三維協(xié)調(diào)效果圖［5］。經(jīng)過(guò)整合的項(xiàng)目數(shù)據(jù)可提高時(shí)間和空間的協(xié)調(diào)利用率，并可在施工前確定設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題與沖突。

（2）數(shù)字化施工。BIM技術(shù)能夠支持項(xiàng)目從設(shè)計(jì)到制造的整個(gè)過(guò)程，在BIM模型的基礎(chǔ)上，利用4D模擬技術(shù)及施工工藝模擬技術(shù)，把傳統(tǒng)的二維圖紙和文字轉(zhuǎn)換為三維的建造過(guò)程進(jìn)行模擬，可以在施工前作出合理安排，優(yōu)化施工進(jìn)度，找出問(wèn)題并提前協(xié)調(diào)，提高了施工安全管理水平和專業(yè)間的協(xié)調(diào)水平。

（3）專業(yè)協(xié)同建造。專業(yè)協(xié)同模型通過(guò)信息模型進(jìn)行傳遞，在模型上附加有效信息，整合工藝工法、施工專業(yè)的信息和流程，完成建造成本、進(jìn)度、質(zhì)量、安全等管理。

2.2 應(yīng)用要素

2.2.1 BIM技術(shù)實(shí)施工作流程

施工準(zhǔn)備、施工階段、竣工交驗(yàn)結(jié)合業(yè)主的相關(guān)要求及相關(guān)方職責(zé)，以施工階段為例，BIM技術(shù)實(shí)施工作流程見(jiàn)圖1。

圖1 施工階段實(shí)施工作流程圖

2.2.2 BIM建模采用的標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)鐵路BIM聯(lián)盟頒布的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行模型搭建并開(kāi)展BIM技術(shù)應(yīng)用與管理工作，主要包括《鐵路工程信息模型表達(dá)標(biāo)準(zhǔn)》《鐵路工程信息模型交付精度標(biāo)準(zhǔn)》《面向鐵路工程信息模型應(yīng)用的地理信息交付標(biāo)準(zhǔn)》《基于信息模型的鐵路工程施工圖設(shè)計(jì)文件編制辦法》《鐵路工程WBS工項(xiàng)分解指南（試行）》《鐵路工程數(shù)量標(biāo)準(zhǔn)格式編制指南（試行）》《鐵路工程信息交換模板編制指南（試行）》《鐵路四電工程信息模型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)》［6］。

2.2.3 項(xiàng)目基點(diǎn)設(shè)置

Revit模型項(xiàng)目基點(diǎn)用于定義建設(shè)項(xiàng)目局部坐標(biāo)系原點(diǎn)（0，0，0）的絕對(duì)坐標(biāo)，用于在場(chǎng)地中確定建筑的位置與其他建筑間的相對(duì)關(guān)系。

項(xiàng)目定位基點(diǎn)可選擇正負(fù)零平面上某2條軸網(wǎng)的交點(diǎn)，各拆分單體均以此點(diǎn)作為項(xiàng)目基點(diǎn)。

2.2.4 坐標(biāo)系統(tǒng)

坐標(biāo)系統(tǒng)與規(guī)劃設(shè)計(jì)總圖保持一致。

2.2.5 標(biāo)高系統(tǒng)

BIM模型的標(biāo)高系統(tǒng)中高程均采用絕對(duì)標(biāo)高，與規(guī)劃設(shè)計(jì)總圖保持一致，應(yīng)以設(shè)計(jì)圖紙和地形圖為準(zhǔn)，與各工點(diǎn)Revit模型標(biāo)高系統(tǒng)中的±0.000相同。設(shè)計(jì)圖紙中標(biāo)注的相對(duì)標(biāo)高應(yīng)在標(biāo)高的命名中體現(xiàn)，便于設(shè)計(jì)人員識(shí)別。標(biāo)高系統(tǒng)的設(shè)置方法見(jiàn)圖2。

圖2 標(biāo)高系統(tǒng)設(shè)置方法

2.2.6 項(xiàng)目單位

所有模型均使用毫米作為項(xiàng)目單位，有效位數(shù)為3位。

2.2.7 模型拆分原則

區(qū)間隧道模型按照里程進(jìn)行劃分，在模型文件命名中注明起止里程以便區(qū)別，單個(gè)文件大小不超過(guò)200 MB，單個(gè)工程項(xiàng)目中的多個(gè)模型文件應(yīng)有統(tǒng)一的基準(zhǔn)點(diǎn)并基于模型匯總，保持信息統(tǒng)一。

2.2.8 重要及復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的施工預(yù)演與分析

利用BIM施工方案模擬功能，對(duì)施工建造過(guò)程、施工順序進(jìn)行重要及復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的施工過(guò)程預(yù)演與分析，輔助檢查施工方案的可行性并進(jìn)行方案優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)施工方案的可視化交底。提供重要及復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的施工預(yù)演三維模擬動(dòng)畫視頻。

實(shí)施流程：（1）收集數(shù)據(jù)，包括各工點(diǎn)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)專項(xiàng)施工方案、施工圖紙等；（2）收集BIM模型（場(chǎng)地模型、車站建筑結(jié)構(gòu)模型、區(qū)間結(jié)構(gòu)模型、主要機(jī)械設(shè)備模型、局部地質(zhì)模型等）；（3）檢查可編輯模型的準(zhǔn)確性、完整性；（4）利用附加施工建造過(guò)程、施工順序的BIM模型制作工序模擬視頻，展示施工重要及復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的施工方案。

交付成果：提供重要及復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的施工預(yù)演三維模擬視頻，能清晰表達(dá)施工復(fù)雜、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的技術(shù)措施和施工工序。

2.2.9 施工過(guò)程預(yù)演與分析

（1）基礎(chǔ)施工過(guò)程模擬。在基礎(chǔ)等重大施工方案編制前，通過(guò)BIM對(duì)施工的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行模擬仿真，以時(shí)間軸的形式，展現(xiàn)基礎(chǔ)的施工步驟，對(duì)關(guān)鍵工序的風(fēng)險(xiǎn)控制點(diǎn)進(jìn)行分析，確定相應(yīng)的卡控措施，通過(guò)對(duì)作業(yè)人員的形象直觀的施工技術(shù)交底，確保關(guān)鍵工序的安全質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)，降低施工風(fēng)險(xiǎn)。

（2）線纜施工過(guò)程模擬。室內(nèi)線纜數(shù)量較多，排布較為復(fù)雜，利用BIM技術(shù)可合理規(guī)劃室內(nèi)線纜排布層次與順序，并進(jìn)行碰撞檢查，避免了線纜交叉。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)人員進(jìn)行可視化技術(shù)交底，實(shí)現(xiàn)線纜排布符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求［5］，且做到工藝美觀、質(zhì)量可靠。

（3）設(shè)備安裝過(guò)程模擬見(jiàn)圖3。

圖3 設(shè)備安裝過(guò)程模擬

2.2.10 應(yīng)用BIM進(jìn)行可視化交底

依托BIM技術(shù)可視化特點(diǎn)，通過(guò)動(dòng)畫模擬、虛擬現(xiàn)實(shí)等手段，逐步建立關(guān)鍵工序施工技術(shù)交底庫(kù)［7］，細(xì)化作業(yè)流程及施工工藝；通過(guò)BIM技術(shù)的運(yùn)用，指導(dǎo)編制專項(xiàng)施工方案，直觀地對(duì)復(fù)雜工序進(jìn)行分析；通過(guò)三維視圖功能，向全體管理人員、作業(yè)人員交底，以達(dá)到統(tǒng)一工藝標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一作業(yè)方法的目的。

3 典型部位BIM技術(shù)集中應(yīng)用

根據(jù)設(shè)計(jì)情況及業(yè)主的相關(guān)要求，推進(jìn)BIM技術(shù)在智能高鐵四電系統(tǒng)集成建造中的應(yīng)用和推廣工作，按建筑、結(jié)構(gòu)、變電、配電、通信、信號(hào)等專業(yè)建模，為建設(shè)智能高鐵提供先進(jìn)的技術(shù)保障。

3.1 建模范圍

結(jié)合高鐵四電工程建造范圍及任務(wù)，可以將按建筑、結(jié)構(gòu)、變電、配電、通信、信號(hào)等專業(yè)進(jìn)行BIM建模及應(yīng)用工作。

3.2 建筑、結(jié)構(gòu)專業(yè)BIM應(yīng)用

對(duì)信號(hào)樓、牽引變電所、通信基站的土建結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型搭建。

（1）施工準(zhǔn)備階段的現(xiàn)狀地形三維測(cè)繪。根據(jù)測(cè)繪精度要求，運(yùn)用無(wú)人機(jī)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)采集不同清晰度的影像照片（見(jiàn)圖4），然后高精度還原現(xiàn)場(chǎng)樹木、建筑物，實(shí)現(xiàn)三維地形與BIM軟件對(duì)接，并進(jìn)行規(guī)劃施工、土方測(cè)算等工作。樹木、建筑實(shí)現(xiàn)高還原度，三維地形與BIM軟件對(duì)接，并進(jìn)行規(guī)劃施工、土方測(cè)算等工作。

圖4 現(xiàn)狀場(chǎng)地影響采集

（2）全三維化工程預(yù)演。應(yīng)用BIM技術(shù)，在三維環(huán)境下設(shè)計(jì)場(chǎng)地布置臨時(shí)設(shè)施。

（3）施工階段的三維設(shè)計(jì)審查。三維建模可更直觀展現(xiàn)建筑的空間關(guān)系，更容易發(fā)現(xiàn)一些復(fù)雜空間內(nèi)的設(shè)計(jì)問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題便記錄為問(wèn)題報(bào)告，以問(wèn)題報(bào)告的方式提交設(shè)計(jì)院作為日后設(shè)計(jì)變更的依據(jù)和參考。復(fù)雜結(jié)構(gòu)空間檢查見(jiàn)圖5。

圖5 復(fù)雜結(jié)構(gòu)空間檢查

（4）施工階段的管線預(yù)留洞口檢查。開(kāi)展建筑、結(jié)構(gòu)專業(yè)與通信、信號(hào)、電力、變電等專業(yè)預(yù)留預(yù)埋的建模工作，確保預(yù)留預(yù)埋孔洞與管線路由完全對(duì)應(yīng)，以模型作為最終成果，在此基礎(chǔ)上出具預(yù)留洞口圖紙，以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行一、二次結(jié)構(gòu)的孔洞預(yù)留施工。

3.3 其他專業(yè)BIM技術(shù)應(yīng)用

其他專業(yè)BIM技術(shù)應(yīng)用主要為：在通信專業(yè)，對(duì)通信基站內(nèi)設(shè)備及電纜徑路進(jìn)行模型搭建；在信號(hào)專業(yè)，對(duì)信號(hào)樓內(nèi)設(shè)備及電纜徑路建模；在電力專業(yè)，對(duì)信號(hào)樓、通信基站相關(guān)電力設(shè)備進(jìn)行建模；在變電專業(yè)，對(duì)牽引變電所所內(nèi)設(shè)備及電纜徑路進(jìn)行建模。具體表現(xiàn)為：

（1）施工準(zhǔn)備的管線路由調(diào)整。利用三維管綜解決電纜排布問(wèn)題，同時(shí)，通過(guò)修改管線路由的方式解決電纜交叉問(wèn)題（見(jiàn)圖6）。

圖6 管線路由調(diào)整

（2）模型信息管理。項(xiàng)目施工準(zhǔn)備階段，利用BIM技術(shù)相關(guān)軟件，錄入模型所需要的信息清單。

（3）施工階段BIM深化設(shè)計(jì)。對(duì)各專業(yè)中的防雷接地、電纜布置、電纜接續(xù)進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，并最終形成以三維模型為準(zhǔn)的數(shù)據(jù)歸檔文件，用來(lái)指導(dǎo)施工安裝。完善電力與通信、信號(hào)，通信與接觸網(wǎng)，通信、信號(hào)、電力與房建等專業(yè)間的接口深化工作。

（4）施工階段沉浸式游覽體驗(yàn)。向業(yè)主提供方便快捷的演示與匯報(bào)服務(wù)，通過(guò)簡(jiǎn)便的操作，使設(shè)計(jì)成果成為甲方實(shí)時(shí)游覽的場(chǎng)地。便于全過(guò)程的進(jìn)展掌握和監(jiān)控。

（5）施工階段全專業(yè)三維協(xié)同。專業(yè)協(xié)同模型通過(guò)信息模型進(jìn)行傳遞，在模型上附加有效信息，整合工藝工法、和施工專業(yè)的信息和流程，完成建造成本、進(jìn)度、質(zhì)量、安全管理。完善電力與信號(hào)、通信，變電與接觸網(wǎng)，通信、信號(hào)、電力與房建等專業(yè)間的接口深化工作［6］（見(jiàn)圖7），減少返工次數(shù)，保證工程質(zhì)量。

圖7 相關(guān)專業(yè)接口深化設(shè)計(jì)

4 結(jié)束語(yǔ)

智能高鐵需要人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)的支撐。通過(guò)BIM在高鐵四電工程建造過(guò)程中的實(shí)際應(yīng)用，集成項(xiàng)目各階段產(chǎn)生的各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)四電工程現(xiàn)場(chǎng)施工安全狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，有效跟蹤、控制關(guān)鍵進(jìn)度節(jié)點(diǎn)；利用可視化、數(shù)字化仿真建造，減少碰撞與返工，提高四電工程質(zhì)量、保證施工安全、優(yōu)化施工進(jìn)度、輔助施工現(xiàn)場(chǎng)的精細(xì)化管理，實(shí)現(xiàn)智能高鐵的建造。

BIM中的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，需進(jìn)一步完善標(biāo)準(zhǔn)體系，確保信息數(shù)據(jù)有效傳遞。促進(jìn)工程數(shù)據(jù)信息在各軟件平臺(tái)、各設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的流動(dòng)。需推行統(tǒng)一的國(guó)家、行業(yè)強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)軟件供應(yīng)商對(duì)BIM標(biāo)準(zhǔn)的支持，確保BIM全生命周期的信息數(shù)據(jù)有效傳遞。

BIM技術(shù)在京張、京雄高鐵等四電工程的陸續(xù)成功應(yīng)用，使基于BIM技術(shù)的四電工程建造打通了智能建造領(lǐng)域的信息傳遞神經(jīng)系統(tǒng)，奠定了智能高鐵專業(yè)的基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)智能物理高鐵與信息數(shù)據(jù)高鐵的融合。