BIM技术在南宁轨道交通3号线创业路站的机电工程施工研究应用

廖 羚1， 2 莫专恒1， 2 杨 磊3 张 杰3 苏猷智3 邓雨晨1， 2 黄凯泽

(1.广西科技大学 土木建筑工程学院，柳州 545006;2.广西科技大学BIM研究中心，柳州 545006;3.中铁十二局集团电气化工程有限公司，天津 300308)

1 工程概况

1.1 项目简介

南宁轨道交通3号线创业路站，位于广西南宁市西乡塘区创业路与振兴路交叉路口，沿振兴路东西向设置。车站为地下两层单柱岛式站台形式的典型车站，外包总长为210m，标准段宽19.7m，共设置4个出入口； 地下一层为站厅层，地下二层为站台层，公共区总建筑面积为2 805 m2。创业路站具有地铁车站作业面自然采光条件差、结构主体尺寸与安装图纸存在偏差、各系统管线层叠密集、交叉作业的层面和工序多、专业配合接口多、设备重体积大运输通道狭窄、施工质量要求高等典型特点。项目的BIM技术研究与应用工作由中铁十二局电气化工程有限公司与广西科技大学BIM研究中心联合以“校企合作，产教融合”的模式开展。实现基于BIM的三维激光扫描及放样技术、机电管线综合深化设计、精装修深化及应用、可视化施工交底、安全消防疏散模拟、AR应用、缩尺3D打印技术等十余项建造阶段机电工程BIM技术应用研究。更好地发挥BIM的价值，实现智慧建设，智慧地铁的美好愿景。

图1 创业路站平面图

图2 项目BIM实施方案导则

2 BIM实施导则与建模标准

2.1 BIM实施导则

为了促进BIM技术在本项目高效应用，项目部吸取同类项目BIM应用经验，结合项目特点，针对性制定了项目BIM实施导则(见图2)，主要内容包括工程概况及项目介绍、BIM项目实施现状及必要性、项目实施目标和内容等。其中确定在本项目开展精装修深化及应用、3D打印机房及复杂节点、利用Navisworks做施工交底动画、机电管线综合、火灾模拟 Pyrosim、逃生疏散演练Pathfinder、三维扫描及BIM放样机器人等十几项BIM应用研究。辅助项目各项工作开展，同时推动BIM技术在本项目深入推广，提高项目效益。

2.2 BIM建模标准

团队在总结近年来完成的各BIM项目建模及应用标准的基础上，参考《建筑信息模型施工应用标准》、《建筑工程施工信息模型应用统一标准》等行业各级相关标准，研制本项目BIM建模标准(见图3)。本标准包含有模型的分类标准、建模精度标准、模型规定等。为BIM技术在项目的顺利应用提供理论基础。

图3 项目BIM建模标准

3 BIM技术研究与应用

为解决项目机电安装中管线与设备确定位难、设计时各专业管线之间及各系统间碰撞多、管线放样工作量大、精装修方案优化及施工计划、文字描述或口头讲述的施工交底方式信息传达不清晰准确、紧急事故安全逃生方案优化、建筑信息知识在项目成员普及度底、管线机房构件安装中构件尺寸超限而运送困难等问题，项目将BIM技术、三维激光扫描技术、AR技术等新兴技术集成运用于项目建造中，为解决各项目建造过程各项问题提供思路方法，促进项目顺利实施。

3.1 BIM模型搭建

团队根据本项目BIM建模标准，按照各专业CAD图纸，利用Autodesk Revit 2016软件搭建土建BIM模型(见图4)和机电BIM模型(见图5)。建模过程中一定要根据建模标准规范进行，确保模型精度，对发现的问题应作好记录，并及时商量解决。

图4 土建BIM模型

图5 机电BIM模型

3.2 基于BIM的三维激光扫描及放样技术

三维激光扫描技术是利用向被测对象发射激光束和接收由被测物发射回的激光信号获取被测对象的空间坐标信息[1]。将三维激光扫描技术生成的地铁结构竣工的点云模型与Revit软件搭建的土建BIM模型叠合，对土建BIM模型进行校正，使其成为与现场土建结构相一致的信息化三维模型，为后期各项工作开展打下基础。基于三维扫描技术的三维建模研究应用有：Mao-hua LIU等讲述采用三维激光扫描技术获取的主体结构点云数据作为三维建模的基础数据并对点云数据进行点云拼接、点云配准和点云降噪处理的过程[2]； 贾雪等基于点云数据获取、处理与三维建模的理论[3-4]； 何建军等在佘山深坑酒店项目中运用三维激光扫描与BIM技术结合得到点云BIM模型[5]等。在研究理论及应用经验基础上，项目将该项技术应用于校正由CAD图纸搭建的土建BIM模型与现场实际结构体系吻合度，为BIM的管线设计优化、放样、精装修等应用点的实施提供精确的土建BIM模型。具体的应用流程(见图6)及实践步骤如下：

图6 三维激光扫描流程

(1)三维激光扫描

项目运用天宝TX8三维激光扫描仪(见图7)对现场进行全局扫描，获取施工现场的全部位置信息，获得1∶1的点云模型(见图8)。

图7 天宝TX8三维激光扫描仪

图8 整体三维点云图

(2)点云数据处理

经过三维激光扫描得到的点云数据通过Trimble RealWorks软件可以生成点云局部模型(见图9)，并对生成的点云局部模型进行处理(见图10)。Trimble RealWorks软件可以实现点云过滤、匹配颜色、多站自动拼接、项目管理、测距、三维点云展示、横纵断面图、超欠挖分析、三维空间分析、竣工数据与设计对比、三维建模、高清数码影像、项目飞行浏览、录像等应用[6]，具有承载海量点云数据且运行速度快等特点，能展示高质量三维效果。

图9 点云局部模型

图10 点云模型处理

(3)点云模型与土建BIM模型叠合校正

通过把处理好的点云模型导入到Revit软件中(见图11)，根据点云数据我们对模型进行初步的对比检查，若土建BIM模型与点云模型有碰撞冲突，就可以提前进行模型校正，获得一个精准的土建BIM模型，为BIM本项目相关应用开展提供精确模型基础。

图11 BIM模型修改

3.3 基于 BIM机电管线综合深化设计

(1)机电管线综合

在设计时，往往由于各专业设计师之间的沟通不到位，而出现各种专业之间的碰撞问题。机电管线综合在不违背各专业系统设计愿意的基础上，保证各系统使用功能不受影响[7-8]。BIM机电管线综合深化设计是利用BIM结构模型与设备管线BIM模型进行碰撞检测而后进行设计优化的过程，是当前BIM在建筑应用中效益较高的应用点。本项目引入BIM技术是为了解决机电工程结构复杂、净高要求高、工期赶等难题，为项目带来效益，项目机电管线综合技术流程如下(见图12)：

图12 机电深化流程

机电深化的具体步骤为：

1)将机电图纸导入Revit 软件中，移动图纸使轴网相互对齐定位，软件中的CAD底图作为依据，有利于加快建模速度与准确性。

2)根据底图并结合项目制定的BIM实施标准搭建各专业模型。本项目因机电工程工程量较大，模型精确度要求高等特点，团队采取分类建模的方式进行建模，按照水暖电各个专业、各个系统进行分类，各类模型建完后按照标高进行合模，得到完整机电模型。

3)在完整的BIM模型上，通过Revit软件导出NWC格式BIM模型文件，将上述文件导入Navisworks软件中进行碰撞检查。通过碰撞检测可以快速高效地发现机电模型与建筑模型之间碰撞的部位。软件会自动生成碰撞报告(见图13)，并高亮显示碰撞点(图14)。将碰撞检查报告向设计院及业主单位反馈，对碰撞点进行优化设计。通过BIM可视化平台与碰撞检查功能，及时发现设计存在的问题并进行改正，节约施工效率和成本。

图13 碰撞报告

图14 碰撞点

(2)机电出图

具体步骤：

1)在Revit中将各专业模型进行划分，分别创建独立的视图，并在视图中打开相应的专业视图;

2)对机电模型的管道系统名称，管件尺寸，标高，水平距离等信息进行标注;

3)把标注好的模型视图在Revit软件中进行导出处理。把导出的图纸在CAD中进行比例调整，完成出图。

(3)小结

通过对项目进行机电深化设计，利用Navisworks软件碰撞检查功能，创业路车站解决实际碰撞达350余处； 利用Fuzor软件进行可视化漫游发现并同设计院反馈设计问题69处，有效减少因设计错误造成的工程返工，大大提高项目效益。

3.4 基于BIM放样技术应用

BIM放样技术是BIM技术与测量技术相结合，是BIM技术在行业推广和发展的产物，放样机器人的应用，致力于提高施工放样速度和放样精度，减少放样人员投入降低工程造价。目前基于BIM放样的应用有：郭伟利用BIM放样机器人对蝶形建筑地砖放置点快速放样应用[9]； 刘骏等基于BIM放样机器人在装饰施工天花吊杆定位中的应用[8]等，但目前将BIM放样机器人应用于地铁项目较少。基于上述应用原理，本项目将BIM与自动放样机器人相结合应用于机电安装工程中，为解决项目放样工作量大、精度高等问题，提高项目效益。具体的实施流程如图15。

图15 基于BIM放样流程图

(1)前期准备：

全站仪主机(见图16)：用于指示、测量放样点位的设备，其放大倍率： 32倍； 测角精度： 2s； 测距精度： 1mm； 高速测距精度： 2mm。

外业平板电脑(见图17)：即手持终端，导入BIM模型后，用于控制、选择测量或放样点，可直观连接和设置全站仪。

图16 全站仪主机 图17 平板电脑

Trimble Field Link软件：连接内业到外业BIM到现场； 可视化放样、采集现场数据、计算误差、输出工作报告、拍摄实时视频等。

基于Revit及CAD的测量及放样点位插件：把点位在模型中选取并设置完成，导出到Trimble Field Link软件，操作软件可指挥机器人现场放样。

(2)基于BIM放样点设置

在Revit中设置放样点(见图18)，并将这些放样点和模型导入到专业平板电脑，通过Trimble Field Link软件(见图19)，可以与放样机器人进行通讯连接，指导放样机器人在施工现场进行放样工作。其中导入仪器的数据文件共有3个模型数据、放样点数据和控制点数据[10]。模型数据可以由Revit以DXF格式导出； 放样点数据是由基于Revit平台的Trimble Field Link插件所创建； 控制点数据可以在Revit与仪器中创建。

注：如果开机10s钟没有进行操作，仪器将进入休眠模式。如要返回到选择模式，请按触发键。图20 操作界面

图18 Revit中设置放样点

图19 BIM模型导入

(3)现场仪器就位

1)安置仪器

根据现场基准点和放样点的位置，选定放样机器人架设位置，使其测设较多点位。稳定安置仪器会提高测量精度，使您最大程度地利用 Trimble RTS 系列全站仪的精密测量特性。

2)仪器的开机

按触发键开机。仪器一开机，选择模式菜单便出现在盘右显示屏上(见图20)。如果已经激活了 PIN 安全代码，您需要解锁仪器，然后才能继续。

3)整平

选择了安装/整平后，盘右显示屏将显示出电子气泡。在比例为1： 250的显示屏，旋转脚螺旋，使水泡居中； 改变比例，重复上述操作，直至水泡不再移动。

(4)放样点位

通过对多个可视基准点聚焦计算出仪器在空间的位置及与放样点的距离。选择模型中已标记出的放样点，通过激光，在对应位置处放样出点位并做相应标记。根据点位位置进行现场操作(见图21、22)。项目通过BIM放样机器人综合放样应用，测量员平均每天放样点数达到500个，大大提高工作效率，节省项目工期，同时放样精度高，精度误差可以控制在毫米级，为项目精益建造发展注入新带来动力。

图21 现场操作图

图22 放样机器人现场定位

3.5 精装修深化及应用

地铁装饰工程具有功能性要求高、各专业配合协同工作量大的特点，BIM技术的应用能使地铁装饰工程更加顺利高效实施。精装修作为建造阶段重要的部分，就传统的施工方法而言，精装修图纸具有绘制效率低、错误点、遗漏点不易被发现等问题，而二维图纸不能直观展示的缺点，在此情况下团队决定通过采用BIM技术，利用其可视化、协同性、可模拟的特点，开展基于BIM地铁精装修深化应用研究(具体实施见图23)，致力解决传统工艺存在的问题，提高工作效率，缩短工期。

图23 精装修流程图

首先，根据装饰装修要求，利用Revit软件完成精装修模型的搭建，实现各部位精准布置。将精装修二维图纸以三维形式展现出来，让项目各参与方能轻松读懂设计理念，改善沟通环境，提高信息准确应用与表达，便于各方间信息传递与交流，提高工作效率，达成协同沟通。

其次，将Revit精装修模型导入Lumion软件中，通过BIM技术的可模拟性，设置模型的构件参数，进行精装修场景模拟演示，提高实际体验感，让施工管理人员真实体验整体效果。通过修改相关构件参数，即可及时解决在模拟中发现的问题。

最后，为丰富各个参与项目人员的体验感，将Revit模型导入Lumion软件中，导出全景图，导入720云平台，通过分享的二维码即可进行项目全景预览。另外，将BIM精装修模型导入Fuzor软件中，可应用HTC VIVE终端在模型中进行参观，让各决策方身临其境地从任意角度、任意视角通过漫游来观察和体验不同方案精装修整体效果(见图24-25)通过讨论选出最完善的方案，最大化地优化施工计划，避免二次施工，降低成本，保障工程质量。

图24 站厅层精装修效果图

图25 站台层精装修效果图

3.6 基于BIM的可视化施工交底

传统项目管理中以文字描述或口头讲述进行施工交底的信息传达方式容易造成信息传达不准确、现场施工人员理解不透彻等问题。随着信息时代的到来，三维可视化交底能够以清晰的动画方式逼真形象地展示施工过程及效果，能够有效解决传统交底方式的缺点。Reza Zaker等讲述了项目协作中可视化的作用[11]，几年国内基于三维可视化交底研究应用中，侯春明等从混凝土施工、养护等角度讲述了施工方案三维可视化技术交底的作用[12-13]，郜建忠等以客运专线48m简支梁节段拼装施工可视化交底为例讲述了可视化能够加快施工进度、保证工程质量、创造经济效益的效果[14]。为了使现场施工人员更好地理解施工交底的内容，团队决定使用BIM技术进行可视化施工交底。具体做法如下：

(1)运用Revit软件，根据需要交底的内容进行模型的搭建，搭建出相关工序、工艺流程的模型(见图26)。

图26 根据施工工艺流程搭建Revit模型

(2)将建好的RVT格式的模型导出为NWC格式文件，用Navisworks即可打开。在施工单位各专业人员的指导下，根据施工工艺流程和施工要求，进行施工模拟动画制作，动画包括施工材料要求、施工工艺动画演示、工艺重点难点、质量标准等，动画制作完成后，导出AVI格式视频(见图27)。

(3)将导出的视频用绘声绘影、Adobe Premiere等软件进行剪辑、加字幕说明步骤(见图28、29)。

通过利用Navisworks制作的动画给现场施工工人进行交底，信息传达相较传统纸质交底更加简单易懂，更准确。切合实际的技术交底动画可以让实际操作的工人知道他所负责的工序应该注意什么问题，会出现什么样的质量通病问题，从而避免那些低级的质量问题，降低返工量，减少施工成本，提高施工质量。现场实际实施情况表明，基于BIM的可视化施工交底提高了工程质量和施工效率。

图27 施工交底动画制作

图28 施工交底动画剪辑

图29 已完成的施工交底视频

3.7 基于BIM的安全消防疏散模拟

图30 操作流程图

图31 火灾模拟动画

地铁站具有结构复杂、空间狭窄、通地出口少、人流密集、逃生路线复杂等特点[15]。突发火灾时，在最短时间内将站内人员安全疏散是确保人员安全的关键。当前研究中，王婷等讲述了基于BIM的火灾模拟与安全疏散分析[16]； 邓朗妮等以以广西百色某干部学院图书馆为实例研究火灾发生时烟气扩散、温度分布及能见度对人员疏散逃生的影响[17]等。基于前人研究基础，本项目运用Pathfinder及Pyrosim软件，开展不同火灾场景人员安全疏散研究(见图30)，针对不同施工阶段地铁车站施工人员进行消防疏散模拟(见图31)，分析人员是否能在规定火灾疏散时间内抵达安全区域，在指导各参建单位进行施工应急疏散演练，以及项目安全施工措施，具有十分重要的现实意义。

(1)火灾模拟 Pyrosim(图31)

(2)逃生疏散演练

把Revit模型导出DWG格式文件，并导入Pathfinder，根据各个施工阶段的作业范围及逃生路线，布置逃生环境，点击开始，数据分析，生成逃生数据，包括(人流量、逃生时间、奔跑时间)，生成逃生模拟视频。

通过Pathfinder及Pyrosim软件进行消防疏散模拟演练(见图32)，可达到如下三种预期效果：

(1)根据施工方提供的精装修图纸中逃生指标的指示，在模型内布置逃生路线，并在最远端放置人员，模拟测试站内最远端人员用正常逃生速度移动到安全区域所需的时间，以判断该逃生路线的可行性。

(2)在保证最远端人员用正常逃生速度移动到安全区域的逃生时间小于最佳逃生时间的情况下，模拟测试本站内可容纳的最大人流量。

(3)在未确定逃生线路的情况下，将人员放置于最远端，让其在模型内进行逃生模拟。最远端人员自主选择的逃生路线即为最短逃生路线。

图32 消防模拟演练

3.8 AR应用

AR技术是新兴的技术，王廷魁等通过分析BIM与AR的实践应用认为 AR 技术可以将 BIM 模型和信息无缝融合到真实环境中实现 BIM与现场人员之间的实时交互并对完成施工任务起到指导作用[18]。在此情况下，为给项目带来更大效益，团队将BIM与AR结合应用与项目建造阶段，通过视+AR平台(见图33)，制作AR三维激光扫描仪操作演示、放样机器人操作演示、灭火器使用教程(见图34)及施工进场安全交底。

图33 视+AR平台

图34 灭火器使用教程

团队将各操作演示教程压缩成ZIP格式，登录视+AR官网，使用视+AR提供的编辑器工具制作应用。在视+AR提供的编辑器工具中(见图35)，为操作演示教程设置对应的标题、描述和邀请码，并上传以ZIP格式压缩的操作演示教程，完成AR应用的创建。将AR应用上传至企业云端，工人通过APP扫描对应物品便可在移动端设备上即时查看相关操作演示视频，起到安全指导的作用。

图35 视+AR编辑器界面

3.9 缩尺3D打印技术

在建造生产一线了解到，建筑大型设备机房在进行装配式施工过程中，常出现设备、管件尺寸超限，无法顺利运送进机房等现象。所以团队尝试使用3D打印技术，打印缩尺模型推演安装工艺，解决难题。3D打印技术运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。史玉升等结合国内外3D打印技术的发展论述了3D打印数据交换格式及数据处理软件架构的新发展[19]。3D打印技术用于本项目机电安装中大量打印复杂节点，在对节点体现、立体化效果上有较大的优势，有助于施工人员对于复杂安装工艺的理解。

具体的操作步骤(见图37)：在Revit及犀牛等三维建模软件中搭建三维模型，将模型导出FBX格式文件，将导出的FBX格式文件导入进3DMax软件中进行精修复，待修复完成后导出STL格式文件，即适合我们3D打印机驱动软件——UP Sudio 软件的特定格式文件。最后将其拖入3D打印软件UP Studio中，进行模型参数调整，适当比例缩放，旋转以及水平方向等操作后，待软件会自动计算打印模型所需时间和材料用量后，通过USB接口将数据传输进打印机中，驱动打印机开始工作，等待打印完成后取出模型即可。用打印的构件进行机房装配方案模拟，分析方案可行性，推导出较优方案，有效减少机房装配返工。

图36 机房3D打印模型

图37 3D打印流程

通过缩尺3D打印技术，无需机械加工或任何模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件，装配缩小型机房，指导施工，从而减少由于施工过程中的错误带来的重复拆装，极大地缩短工期，提高生产率和降低生产成本，并具有更高的打印精度，有效解决机房设备安装效率低下问题。

4 总结

本项目引入BIM技术，开展了基于BIM的三维激光扫描及放样技术、机电管线综合深化设计、精装修深化及应用、可视化施工交底、安全消防疏散模拟等建造阶段机电工程BIM技术应用研究，对地铁车站作业面自然采光条件差、结构主体尺寸与安装图纸存在偏差、各系统管线层叠密集、交叉作业的层面和工序多、专业配合接口多、设备重体积大运输通道狭窄、施工质量要求高等问题提供新的解决方法。BIM技术在项目成功运用，极大程度地缩短工期，降低成本，同时也为今后其他项目开展BIM实施应用积累更多的经验。