BIM三維成像與可視化技術(shù)在低真空管道技術(shù)中的應(yīng)用

任桂陶， 熊 健

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 北京 102600)

0 引言

BIM為建筑信息模型“Building Information Modeling”的簡(jiǎn)稱，在建設(shè)工程及設(shè)施全生命期內(nèi)，對(duì)物理和功能特性進(jìn)行數(shù)字化表達(dá)，并依此設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維的過(guò)程和結(jié)果的總稱。BIM概念自20世紀(jì)70年代被提出以來(lái)，經(jīng)過(guò)工程設(shè)計(jì)人員的不懈努力，BIM技術(shù)已開(kāi)始蓬勃發(fā)展并形成了一定規(guī)模，基本可以滿足目前建筑工程對(duì)于工程項(xiàng)目的信息化、可視化的需求。隨著 BIM 技術(shù)應(yīng)用的不斷發(fā)展，BIM 技術(shù)也在不斷的完善和成熟，目前，BIM技術(shù)的應(yīng)用已由建筑行業(yè)逐漸擴(kuò)展到整個(gè)工程建設(shè)領(lǐng)域。

低真空管道超高速磁浮以“真空管道運(yùn)輸”為理論核心，綜合運(yùn)用高速磁浮和低真空管道，在地面上創(chuàng)造出低真空環(huán)境從而實(shí)現(xiàn)超高速運(yùn)行的交通工具。低真空管(隧)道磁懸浮鐵路可采用橋梁、隧道等多種結(jié)構(gòu)形式實(shí)現(xiàn)，同時(shí)低真空管(隧)道磁懸浮鐵路對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工安裝誤差要求極高，本次采用的常導(dǎo)電磁懸浮制式懸浮高度僅8～10 mm。因此，為了便于本項(xiàng)目在結(jié)構(gòu)方案論證及試驗(yàn)段施工建設(shè)的研究，引入了BIM技術(shù)，充分利用BIM技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)本項(xiàng)目的可視化、信息化及預(yù)拼裝等技術(shù)應(yīng)用。

1 三維可視化建模

1.1 平臺(tái)選擇

目前可用于BIM設(shè)計(jì)的軟件品類較多，例如Autodesk公司的Revit系列軟件、Bentley公司的系列軟件和Nemetschek/Graphisoft公司系列軟件等。

Revit是一款面向建筑信息模型構(gòu)建的軟件，支持可持續(xù)設(shè)計(jì)、碰撞檢測(cè)、施工規(guī)劃和建造。同時(shí)可以進(jìn)行自由建模和參數(shù)化設(shè)計(jì)?；谝陨咸攸c(diǎn)，Revit軟件已在我國(guó)軌道交通領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，例如廣州地鐵BIM設(shè)計(jì)、蘇州地鐵BIM設(shè)計(jì)等。綜合考慮以上因素， 在本項(xiàng)目中采用Revit軟件實(shí)現(xiàn)可視化建模。

1.2 模型標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)合本項(xiàng)目工程的特點(diǎn)，充分研究并借鑒國(guó)內(nèi)外現(xiàn)行優(yōu)秀的BIM系統(tǒng)管理和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，建立了本項(xiàng)目BIM設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，指導(dǎo)BIM技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)施，規(guī)定了BIM模型技術(shù)不同階段的建模精度并制定了BIM應(yīng)用協(xié)同管理技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

在本項(xiàng)目中，依據(jù)BIM設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，制定了文件命名規(guī)則、構(gòu)件命名規(guī)則及構(gòu)件顏色要求。

1.3 模型精細(xì)深度

建筑工程信息模型精細(xì)度分為四個(gè)等級(jí)，應(yīng)符合表1的規(guī)定。

表1 模型深度要求

LOD100以象征性或一般性的圖形來(lái)代表模型中的構(gòu)件。例如，可用體量化圖元代表大致的場(chǎng)地和周邊建筑物關(guān)系等信息，并可使用二維圖元表達(dá)部分信息；用于概念和方案設(shè)計(jì)階段。

LOD200模型內(nèi)構(gòu)件具有通用的類型屬性，具有大概數(shù)量、尺寸、形狀和定位等廣義的建筑及系統(tǒng)構(gòu)件信息；具有設(shè)備基本參數(shù)和成本等非幾何信息；用于初步設(shè)計(jì)階段。

LOD300模型內(nèi)構(gòu)件具有更為詳細(xì)的實(shí)例屬性，包含可滿足施工需要的準(zhǔn)確數(shù)量、尺寸、形狀、定位和構(gòu)造細(xì)節(jié)等信息。此模型已經(jīng)能很好地用于成本估算以及施工協(xié)調(diào)，包括碰撞檢查、施工進(jìn)度計(jì)劃以及可視化；用于深化施工圖設(shè)計(jì)階段。

LOD400模型精度等級(jí)與LOD300大體一致，但包括了施工階段的變更和不同建筑系統(tǒng)之間的接口信息等內(nèi)容；用于施工階段。

各階段模型深度效果如圖1所示。

學(xué)生進(jìn)入初中學(xué)習(xí)的年齡恰好與青春期重疊，心理、生理上的變化與新環(huán)境的出現(xiàn)，往往會(huì)導(dǎo)致學(xué)生心理上存在不安情緒，一旦發(fā)現(xiàn)難以跟上課堂進(jìn)度，常常就會(huì)出現(xiàn)逆反心理，遇到不會(huì)的內(nèi)容也不會(huì)主動(dòng)發(fā)問(wèn)。

圖1 各階段模型深度效果圖

本次建模采用LOD300精度。

1.4 模型創(chuàng)建

BIM三維可視化模型能更加直觀地展示設(shè)計(jì)模型及設(shè)計(jì)理念。三維可視化建模，彌補(bǔ)了二維圖紙對(duì)于復(fù)雜構(gòu)件表達(dá)不清晰的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)項(xiàng)目的整體把控。根據(jù)項(xiàng)目工程的特點(diǎn)，模型創(chuàng)建主要有以下幾方面構(gòu)成。

(1)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段：收集專業(yè)圖紙文件，檢查圖紙文件的完整性。依據(jù)BIM設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，完成Revit樣板文件的創(chuàng)建。同時(shí)，對(duì)項(xiàng)目過(guò)程中使用的工程材料、工程構(gòu)件進(jìn)行分類編號(hào)。在模型中實(shí)現(xiàn)可以精確定位，并進(jìn)行相關(guān)信息追蹤。

(2)模型創(chuàng)建階段：在Revit軟件中創(chuàng)建工作集，依據(jù)BIM設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及圖紙文件，分類創(chuàng)建項(xiàng)目整體模型及細(xì)部模型。在模型完成后需要檢查是否滿足設(shè)計(jì)深度要求。同時(shí)，模型與現(xiàn)場(chǎng)信息進(jìn)行搭接，通過(guò)模型創(chuàng)建階段的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)施工過(guò)程模擬。

(3)碰撞檢測(cè)階段：模型完成后，檢測(cè)模型碰撞，重點(diǎn)檢測(cè)預(yù)留預(yù)埋件與原結(jié)構(gòu)模型構(gòu)件是否有沖突。完成模型沖突報(bào)告，將報(bào)告反饋設(shè)計(jì)人，待圖紙重新設(shè)計(jì)完成后，重新創(chuàng)建修改部分模型。通過(guò)模型的碰撞檢測(cè)，提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題，提高設(shè)計(jì)圖紙質(zhì)量。

將完成的BIM模型形成三維可視化文件，完成BIM設(shè)計(jì)。三維可視化模型建模流程如圖2所示。

圖2 三維可視化模型創(chuàng)建流程圖

1.5 BIM建模重點(diǎn)

在BIM建模中，建模的重點(diǎn)在于模型碰撞檢測(cè)及模型信息關(guān)聯(lián)。

低真空管道磁懸浮鐵路對(duì)施工的質(zhì)量要求很高，對(duì)各構(gòu)件的拼裝誤差要求均高于普速鐵路設(shè)計(jì)要求，因此在設(shè)計(jì)中需要實(shí)現(xiàn)高度的精細(xì)化和系統(tǒng)化，這致使各專業(yè)接口設(shè)計(jì)難度增大。通過(guò)BIM模型的碰撞檢測(cè)，為接口設(shè)計(jì)的難題提供了有效的解決途徑。在模型碰撞檢測(cè)階段，需要對(duì)存在的設(shè)計(jì)接口進(jìn)行依次梳理，依據(jù)接口設(shè)計(jì)的項(xiàng)目依次對(duì)模型進(jìn)行檢查。在檢查的同時(shí)，形成模型檢測(cè)沖突報(bào)告，對(duì)有沖突構(gòu)件編號(hào)和位置等進(jìn)行詳細(xì)的記錄。設(shè)計(jì)人員可以依據(jù)沖突報(bào)告對(duì)設(shè)計(jì)文件進(jìn)行協(xié)同修改。在沖突修改的過(guò)程中，可充分利用BIM模型直觀可視化、工作集協(xié)同設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，發(fā)揮BIM設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，提高設(shè)計(jì)修改的速度及質(zhì)量。進(jìn)而完成復(fù)雜接口設(shè)計(jì)任務(wù)。

BIM建模中，模型構(gòu)件需進(jìn)行工程信息關(guān)聯(lián)。工程信息包括構(gòu)件材料、批號(hào)和完成時(shí)間等。在關(guān)聯(lián)信息的同時(shí)賦予了模型生命信息，方便信息化管理。BIM設(shè)計(jì)在實(shí)現(xiàn)三維可視化的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了工程信息的高度集中化，這為后續(xù)工程運(yùn)營(yíng)維修階段提供極大的便利。維修人員可通過(guò)模型關(guān)聯(lián)的信息，定時(shí)定點(diǎn)更換耗損構(gòu)件，減少了維護(hù)成本。

2 BIM模型應(yīng)用

2.1 工程量統(tǒng)計(jì)

通過(guò)BIM軟件工程量統(tǒng)計(jì)板塊的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)項(xiàng)目使用的材料和設(shè)備等工程量的統(tǒng)計(jì)。同時(shí)與工程造價(jià)等信息進(jìn)行搭接，對(duì)工程成本實(shí)現(xiàn)信息化控制。

2.2 碰撞檢查

利用BIM模型碰撞檢查工具，實(shí)現(xiàn)對(duì)二維圖紙?jiān)O(shè)計(jì)復(fù)核，針對(duì)模型中構(gòu)件和管線等三維沖突檢測(cè)，同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)建筑安全距離檢測(cè)。

2.3 可視化展示

三維可視化模型真實(shí)、直觀、全方位地展現(xiàn)，既降低了方案溝通中對(duì)各專業(yè)素養(yǎng)的要求，同時(shí)也可減小設(shè)計(jì)人員在重構(gòu)方案過(guò)程中的理解偏差，提升了設(shè)計(jì)信息傳遞的效率與質(zhì)量。本項(xiàng)目采用橋梁結(jié)構(gòu)形式。三維可視化模型如下所述。

(1)整體模型展示：在本項(xiàng)目中，通過(guò)BIM軟件，將二維圖紙(橋梁結(jié)構(gòu)橫斷面圖見(jiàn)圖3)信息轉(zhuǎn)化為三維模型。整體模型如圖4、圖5所示。

圖3 橋梁結(jié)構(gòu)二維斷面圖 圖4 橋梁結(jié)構(gòu)BIM模型 圖5 橋梁結(jié)構(gòu)整體BIM模型

(2)細(xì)節(jié)模型展示：本項(xiàng)目存在預(yù)留預(yù)埋工程，在BIM設(shè)計(jì)階段建模過(guò)程中，首先將結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋等細(xì)部構(gòu)件進(jìn)行建模，模型如圖6、圖7所示。然后對(duì)預(yù)留預(yù)埋構(gòu)件進(jìn)行建模，如圖8、圖9所示。建模完成后進(jìn)行碰撞檢查，預(yù)埋件與鋼筋沖突時(shí)調(diào)整鋼筋細(xì)部位置，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件合理排布，同時(shí)將此細(xì)部結(jié)構(gòu)三維模型作為技術(shù)交底的內(nèi)容移交施工方，減少工程的返工。

圖6 鋼圈加筋肋模型

圖7 混凝土箱梁局部配筋圖

圖8 預(yù)埋件BIM模型

圖9 預(yù)埋件與混凝土箱梁鋼筋碰撞檢查

2.4 三維模型計(jì)算分析

BIM模型與三維計(jì)算軟件的協(xié)同使用，快速構(gòu)件結(jié)構(gòu)有限元模型，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的三維計(jì)算。本次BIM模型采用Revit軟件，三維計(jì)算采用Midas civil計(jì)算軟件。

基于Revit建立的橋梁三維模型，可導(dǎo)出二維橋梁橫斷面文件。導(dǎo)出的二維橋梁橫斷面dxf文件可導(dǎo)入Midas civil進(jìn)行截面生成，根據(jù)生成的截面可快速建立橋梁三維計(jì)算模型。

預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁模型共有31個(gè)節(jié)點(diǎn)、26個(gè)單元。模型如圖10所示。有限元計(jì)算結(jié)果如圖11所示。

圖10 三維有限元模型

圖11 有限元計(jì)算結(jié)果

2.5 施工管理

基于BIM平臺(tái)，結(jié)合施工組織設(shè)計(jì)，將施工構(gòu)件與模型構(gòu)件建立關(guān)聯(lián)，同時(shí)對(duì)原材料信息、隱蔽工程質(zhì)量檢驗(yàn)信息等與模型進(jìn)行搭接，實(shí)現(xiàn)施工過(guò)程精細(xì)化的質(zhì)量管理。施工過(guò)程中，可通過(guò)BIM管理平臺(tái)進(jìn)行可視化模擬，實(shí)時(shí)查看項(xiàng)目進(jìn)度完成狀態(tài)，并檢查施工進(jìn)度計(jì)劃是否滿足工期條件，及時(shí)對(duì)施工進(jìn)度進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目工程過(guò)程管理。同時(shí)，在運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段，維修人員可通過(guò)構(gòu)件的位置信息，找出相對(duì)應(yīng)的BIM模型構(gòu)件，進(jìn)行構(gòu)件材料和規(guī)格等信息的查閱，提高維修質(zhì)量。施工現(xiàn)場(chǎng)完成的橋梁結(jié)構(gòu)如圖12所示。

圖12 施工完成橋梁結(jié)構(gòu)

3 結(jié)語(yǔ)

低真空管道超高速磁浮交通工程具有施工精度高、安裝復(fù)雜和數(shù)據(jù)信息處理繁重的特點(diǎn)。本項(xiàng)目中，通過(guò)BIM技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了工程數(shù)據(jù)向三維可視化模型的轉(zhuǎn)變，通過(guò)BIM模型的搭建，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目建設(shè)的協(xié)同設(shè)計(jì)和信息化管理。

但是，由于目前BIM技術(shù)還處于開(kāi)發(fā)和完善階段，實(shí)現(xiàn)BIM技術(shù)在低真空管道工程中進(jìn)行正向設(shè)計(jì)還存在一定的困難，BIM技術(shù)應(yīng)用如何高效快捷是亟待研究的問(wèn)題。