基于BIM技術(shù)的3D作業(yè)指導(dǎo)書(shū)創(chuàng)新與應(yīng)用

鐘方慧，劉 勇，黃歲鋒，樓錚輝

(中國(guó)核工業(yè)第五建設(shè)有限公司，上海 201599)

作業(yè)指導(dǎo)書(shū)作為項(xiàng)目施工過(guò)程中至關(guān)重要的技術(shù)文件，是連接設(shè)計(jì)和施工的橋梁，是指導(dǎo)作業(yè)人員完成施工任務(wù)的重要保障措施，對(duì)項(xiàng)目施工有著舉足輕重的地位和作用。但其最終的落腳點(diǎn)是指導(dǎo)施工人員更好、更快地進(jìn)行施工作業(yè)，保證完成施工任務(wù)。利用BIM技術(shù)具有的可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性、可出圖性等特點(diǎn)，將作業(yè)指導(dǎo)書(shū)從二維平面、紙質(zhì)的模式轉(zhuǎn)向三維立體、數(shù)字的模式，使其呈現(xiàn)方式更加直觀和便捷。因此，研究基于BIM技術(shù)的3D作業(yè)指導(dǎo)書(shū)具有廣闊的應(yīng)用前景和深厚的現(xiàn)實(shí)意義。

目前，核電項(xiàng)目對(duì)施工生產(chǎn)指導(dǎo)和人員的培訓(xùn)主要是依據(jù)二維作業(yè)指導(dǎo)書(shū)和技術(shù)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(zhì)材料不連貫、輔以的二維圖紙較為抽象，表達(dá)不直觀；可視化效果差，作業(yè)人員在進(jìn)行施工生產(chǎn)時(shí)，需要根據(jù)二維圖紙將在腦海中將二維圖紙轉(zhuǎn)化為三維結(jié)構(gòu)，然后再轉(zhuǎn)換為二維施工，由于個(gè)人理解能力的差異，極易導(dǎo)致實(shí)體落地的質(zhì)量與預(yù)期質(zhì)量出現(xiàn)較大偏差。二是紙質(zhì)材料傳遞信息的效率較低、誤差較大，重復(fù)利用性差；易造成資源浪費(fèi)，而且由于施工環(huán)境的變化以及個(gè)人理解能力的差異容易引起消息的誤導(dǎo)。因此，在當(dāng)前核電施工節(jié)奏快、質(zhì)量要求高以及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范嚴(yán)格的大環(huán)境下，作業(yè)人員能否將設(shè)計(jì)圖紙的設(shè)計(jì)意圖完全的施工生產(chǎn)出來(lái)是重中之重。

近年來(lái)，BIM技術(shù)在工程建設(shè)行業(yè)發(fā)展可謂風(fēng)起云涌，BIM應(yīng)用軟件已呈現(xiàn)出百家爭(zhēng)鳴的現(xiàn)象，且隨著多地政府BIM指導(dǎo)性文件的發(fā)布，基于BIM技術(shù)的應(yīng)用和研究已勢(shì)在必行。BIM技術(shù)在作業(yè)指導(dǎo)書(shū)方面的應(yīng)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(dòng)畫(huà)，然后通過(guò)視頻編輯軟件形成完整的視頻呈現(xiàn)給相關(guān)人員，雖然此方法能較好的呈現(xiàn)作業(yè)指導(dǎo)書(shū)，但經(jīng)濟(jì)成本高且無(wú)模型信息，同時(shí)當(dāng)施工工藝發(fā)生變化時(shí)，需要重新制作，會(huì)導(dǎo)致在現(xiàn)場(chǎng)的響應(yīng)緩慢。

1 裝配作業(yè)指導(dǎo)書(shū)的編制過(guò)程

利用3DVIAComposer軟件能夠?qū)崿F(xiàn)圖文并茂、圖片動(dòng)畫(huà)并茂的三維裝配作業(yè)指導(dǎo)書(shū)的制作。還同時(shí)具有3D作業(yè)指導(dǎo)書(shū)審核、發(fā)布及管理、編輯權(quán)限設(shè)置及瀏覽權(quán)限設(shè)置等功能,通過(guò)以上功能完成3D作業(yè)指導(dǎo)書(shū)的編制和發(fā)布,3DVIAComposer軟件中制作作業(yè)指導(dǎo)書(shū)的流程如圖1所示。

圖1 3D作業(yè)指導(dǎo)書(shū)制作流程Fig.1 The preparation process of 3D operation instructions

1.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

為解決建模軟件與系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互的問(wèn)題，系統(tǒng)研發(fā)了BIM數(shù)據(jù)接口與交換引擎，提供了rvt、ifc、obj、sat、3dxml等格式文件的導(dǎo)入，因此在導(dǎo)入BIM模型前，需利用BIM建模軟件依據(jù)施工方案對(duì)使用的施工工具進(jìn)行拆分，并將其導(dǎo)出為該系統(tǒng)支持的格式。裝配工藝方案是工藝設(shè)計(jì)初步階段在三維工藝設(shè)計(jì)管理系統(tǒng)中對(duì)設(shè)備吊裝過(guò)程的一個(gè)總體規(guī)劃，包括吊裝順序的規(guī)劃和路徑的規(guī)劃。吊裝路徑規(guī)劃是擬定工藝路線，編排施工步驟，確定每道工序的質(zhì)量控制內(nèi)容和檢測(cè)方法，最終輸出優(yōu)化的吊裝托運(yùn)方案。BIM模型的導(dǎo)入如圖2所示。

圖2 模型導(dǎo)入Fig.2 Model import

1.2 工藝流程制作

進(jìn)行工藝圖解的制作首先要根據(jù)安裝施工方案來(lái)確定工序和工步，然后根據(jù)工序和工步來(lái)確定工藝圖解的個(gè)數(shù)，并為需要制作工序和工步的操作創(chuàng)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(qū)域的模型的快照，保存了屬性以及模型和畫(huà)中所有可視零件，也記錄了照相機(jī)位置、爆炸視圖里零件的位置以及視圖區(qū)域的屬性。根據(jù)施工方案，對(duì)視圖進(jìn)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(guò)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(guò)注釋信息的添加，可以詳細(xì)描述裝配過(guò)程中操作的具體要求，所添加的注釋信息和傳統(tǒng)二維工藝的工序、工步內(nèi)容相對(duì)應(yīng)。模型信息添加如圖4所示。

圖4 視圖標(biāo)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(kāi)，并賦予每個(gè)零件一個(gè)唯一的ID編號(hào)，從爆炸視圖中能夠顯示模型中的零件位置關(guān)系，爆炸視圖一般用在手冊(cè)中以顯示零件的位置，它可以聯(lián)系BOM表和零件標(biāo)號(hào)指明零件清單。在3DVIAComposer有多種方法創(chuàng)建爆炸視圖，可以拖動(dòng)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(dòng)地分離角色至新的位置。3DVIAComposer還提供了一種強(qiáng)大的Digger功能，它可以在模型不同區(qū)域放大，用以查看內(nèi)部結(jié)構(gòu)等等，利用這項(xiàng)功能可以在零部件的任意位置對(duì)零部件的局部進(jìn)行放大,并且放大倍數(shù)可以根據(jù)需要自行調(diào)節(jié)，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(jìn)行檢查，檢查內(nèi)容包括視圖完整性檢查、正確性檢查和視圖的順序進(jìn)行檢查。對(duì)于視圖不完整和存在的錯(cuò)誤，在3DVIAComposer中可以隨時(shí)進(jìn)行修改完善，視圖的順序檢查要依據(jù)施工方案的施工順序進(jìn)行，對(duì)裝配順序進(jìn)行調(diào)整采用統(tǒng)一的命名規(guī)則來(lái)確定。

1.3 裝配動(dòng)畫(huà)制作

動(dòng)畫(huà)是將圖形、圖案、畫(huà)面或者其中的一部分顯示在屏幕上，并按照一定規(guī)律在屏幕上移動(dòng)、變換，從而使計(jì)算機(jī)顯示出圖形動(dòng)態(tài)的變化。3DVIAComposer采用鍵框架界面去創(chuàng)建時(shí)間軸，并通過(guò)鍵、過(guò)濾及播放工具在時(shí)間軸面板上創(chuàng)建和編輯動(dòng)畫(huà)。在3DVIAComposer中的動(dòng)畫(huà)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(chuàng)建裝配組

在3DVIA Composer中創(chuàng)建動(dòng)畫(huà)的過(guò)程是先對(duì)施工工具創(chuàng)建裝配組，如圖6所示。將一個(gè)工序中需要一起移動(dòng)的工具分到一個(gè)裝配組中，然后創(chuàng)建拆分動(dòng)畫(huà)，最后將拆分動(dòng)畫(huà)轉(zhuǎn)化成裝配動(dòng)畫(huà)。

圖6 裝配組Fig.6 Assembly group

1.3.2 添加屬性

利用屬性面板，對(duì)工具的顏色及透明度進(jìn)行修改，同時(shí)還可以在其表面進(jìn)行紋理貼圖，對(duì)一些工藝要求添加標(biāo)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(duì)施工工藝中使用的工機(jī)具規(guī)格、設(shè)備起吊過(guò)程中的起吊高度及各物體間安全距離等進(jìn)行標(biāo)注,如圖8所示。

圖8 距離標(biāo)注Fig.8 Distance marking

1.3.3 添加關(guān)鍵幀

利用屬性關(guān)鍵幀、照相機(jī)關(guān)鍵幀和Digger關(guān)鍵幀配合使用來(lái)記錄中間狀態(tài)下設(shè)備的屬性和位置空間的變化情況，在設(shè)備的位置空間變化過(guò)程中軟件提供了自由拖動(dòng)、平移、旋轉(zhuǎn)和恢復(fù)中性位置等，同時(shí)還可利用箭頭、圖像、標(biāo)簽、編號(hào)和尺寸用來(lái)為動(dòng)畫(huà)過(guò)程添加標(biāo)記和標(biāo)注，以及測(cè)量角色，使動(dòng)畫(huà)更加準(zhǔn)確地表述設(shè)備的裝配過(guò)程。通過(guò)這些工具將設(shè)備按照施工方案的步驟進(jìn)行平移或旋轉(zhuǎn)，并在每一個(gè)需要變換的位置添加關(guān)鍵幀，以此來(lái)記錄設(shè)備的中間狀態(tài)，把所有的中間狀態(tài)拼接在一起就形成一個(gè)完整的裝配動(dòng)畫(huà),如圖9所示。

圖9 添加關(guān)鍵幀F(xiàn)ig.9 The key frame of adding

將制作完成的3D作業(yè)指導(dǎo)書(shū)導(dǎo)出為輕量化程序包，程序包不需要安裝插件即可進(jìn)行查看，通過(guò)雙擊視圖區(qū)中的視圖可以在模型顯示區(qū)看到各個(gè)工步的裝配要求，并且可以通過(guò)鼠標(biāo)操作對(duì)模型進(jìn)行放大、縮小、移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)等操作，同時(shí)可以觀看裝配過(guò)程動(dòng)畫(huà)。在3DVIAComposer中可以將裝配動(dòng)畫(huà)單獨(dú)以AVI格式進(jìn)行輸出，輸出的裝配仿真動(dòng)畫(huà)，能夠方便用戶在裝配現(xiàn)場(chǎng)清晰直觀地查看設(shè)備的裝配過(guò)程及裝配要求，以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)裝配。3D指導(dǎo)書(shū)程序包如圖10所示。

圖10 3D作業(yè)指導(dǎo)書(shū)程序包Fig.10 The 3D operation instruction package

2 應(yīng)用效果

以漳州核電1號(hào)機(jī)組常規(guī)島凝汽器殼體吊裝托運(yùn)為試點(diǎn)，以3D作業(yè)指導(dǎo)書(shū)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的二維圖紙進(jìn)行安全技術(shù)交底。應(yīng)用傳統(tǒng)的二維圖紙進(jìn)行安全技術(shù)交底效果不明顯，缺少信息化效果，不能詳細(xì)反映施工作業(yè)程度。通過(guò)對(duì)BIM技術(shù)的深度應(yīng)用，以工藝流程為主線，過(guò)程控制為核心，BIM模型為載體，實(shí)現(xiàn)施工過(guò)程可視化展示為目標(biāo)；對(duì)凝汽器殼體超危大技術(shù)方案通過(guò)數(shù)字模型制作3D指導(dǎo)書(shū)，進(jìn)行可視化交底最直觀的表達(dá)和交底方法，使現(xiàn)場(chǎng)工人容易理解，降低了操作錯(cuò)誤，大大提升安全技術(shù)交底效果。此方法在該項(xiàng)目屬首次應(yīng)用，后續(xù)項(xiàng)目部將針對(duì)不同專業(yè)的專項(xiàng)施工方案，根據(jù)其工程概況、施工工藝技術(shù)、質(zhì)量安全措施等制定適用于此方案的作業(yè)指導(dǎo)書(shū)，注重可操作性和實(shí)用性，真正發(fā)揮作業(yè)指導(dǎo)書(shū)的作用。同時(shí)，還可對(duì)公司范圍內(nèi)的建筑工程、天然氣工程、石油化工工程等項(xiàng)目，根據(jù)自身的特點(diǎn)制定適用于自身的作業(yè)指導(dǎo)書(shū)。

3 實(shí)施效益

在編制漳州項(xiàng)目常規(guī)島一號(hào)機(jī)組凝汽器殼體安裝托運(yùn)指導(dǎo)書(shū)的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)鋼平臺(tái)的布置與土建支墩存在干涉，且鋼平臺(tái)安裝過(guò)程也發(fā)現(xiàn)相應(yīng)尺寸問(wèn)題，模擬凝汽器殼體托運(yùn)過(guò)程中也對(duì)錨點(diǎn)布置、吊裝帶拼接進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)復(fù)盤(pán)，該項(xiàng)目凝汽器殼體整體就位時(shí)間比起公司以往承建同廠家同類型殼體時(shí)間少4天，節(jié)約成本近十萬(wàn)元。

本次創(chuàng)新依靠BIM輕量化程序包，在BIM動(dòng)畫(huà)交底的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化和創(chuàng)新。施工前期實(shí)現(xiàn)了對(duì)方案中的問(wèn)題提前發(fā)現(xiàn)、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(yīng)用價(jià)值，提升了交底效率，在確保生產(chǎn)工藝安全、可靠的同時(shí)也對(duì)后續(xù)技術(shù)交底的創(chuàng)新提供了參考。