BIM三维成像与可视化技术在低真空管道技术中的应用

任桂陶， 熊 健

(中铁第五勘察设计院集团有限公司， 北京 102600)

0 引言

BIM为建筑信息模型“Building Information Modeling”的简称，在建设工程及设施全生命期内，对物理和功能特性进行数字化表达，并依此设计、施工、运维的过程和结果的总称。BIM概念自20世纪70年代被提出以来，经过工程设计人员的不懈努力，BIM技术已开始蓬勃发展并形成了一定规模，基本可以满足目前建筑工程对于工程项目的信息化、可视化的需求。随着 BIM 技术应用的不断发展，BIM 技术也在不断的完善和成熟，目前，BIM技术的应用已由建筑行业逐渐扩展到整个工程建设领域。

低真空管道超高速磁浮以“真空管道运输”为理论核心，综合运用高速磁浮和低真空管道，在地面上创造出低真空环境从而实现超高速运行的交通工具。低真空管(隧)道磁悬浮铁路可采用桥梁、隧道等多种结构形式实现，同时低真空管(隧)道磁悬浮铁路对结构设计及施工安装误差要求极高，本次采用的常导电磁悬浮制式悬浮高度仅8～10 mm。因此，为了便于本项目在结构方案论证及试验段施工建设的研究，引入了BIM技术，充分利用BIM技术的优势，实现本项目的可视化、信息化及预拼装等技术应用。

1 三维可视化建模

1.1 平台选择

目前可用于BIM设计的软件品类较多，例如Autodesk公司的Revit系列软件、Bentley公司的系列软件和Nemetschek/Graphisoft公司系列软件等。

Revit是一款面向建筑信息模型构建的软件，支持可持续设计、碰撞检测、施工规划和建造。同时可以进行自由建模和参数化设计。基于以上特点，Revit软件已在我国轨道交通领域得到了广泛的应用，例如广州地铁BIM设计、苏州地铁BIM设计等。综合考虑以上因素， 在本项目中采用Revit软件实现可视化建模。

1.2 模型标准

结合本项目工程的特点，充分研究并借鉴国内外现行优秀的BIM系统管理和技术标准，建立了本项目BIM设计标准，指导BIM技术的标准化实施，规定了BIM模型技术不同阶段的建模精度并制定了BIM应用协同管理技术标准。

在本项目中，依据BIM设计标准，制定了文件命名规则、构件命名规则及构件颜色要求。

1.3 模型精细深度

建筑工程信息模型精细度分为四个等级，应符合表1的规定。

表1 模型深度要求

LOD100以象征性或一般性的图形来代表模型中的构件。例如，可用体量化图元代表大致的场地和周边建筑物关系等信息，并可使用二维图元表达部分信息；用于概念和方案设计阶段。

LOD200模型内构件具有通用的类型属性，具有大概数量、尺寸、形状和定位等广义的建筑及系统构件信息；具有设备基本参数和成本等非几何信息；用于初步设计阶段。

LOD300模型内构件具有更为详细的实例属性，包含可满足施工需要的准确数量、尺寸、形状、定位和构造细节等信息。此模型已经能很好地用于成本估算以及施工协调，包括碰撞检查、施工进度计划以及可视化；用于深化施工图设计阶段。

LOD400模型精度等级与LOD300大体一致，但包括了施工阶段的变更和不同建筑系统之间的接口信息等内容；用于施工阶段。

各阶段模型深度效果如图1所示。

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图1 各阶段模型深度效果图

本次建模采用LOD300精度。

1.4 模型创建

BIM三维可视化模型能更加直观地展示设计模型及设计理念。三维可视化建模，弥补了二维图纸对于复杂构件表达不清晰的缺点，实现对项目的整体把控。根据项目工程的特点，模型创建主要有以下几方面构成。

(1)数据准备阶段：收集专业图纸文件，检查图纸文件的完整性。依据BIM设计标准，完成Revit样板文件的创建。同时，对项目过程中使用的工程材料、工程构件进行分类编号。在模型中实现可以精确定位，并进行相关信息追踪。

(2)模型创建阶段：在Revit软件中创建工作集，依据BIM设计标准及图纸文件，分类创建项目整体模型及细部模型。在模型完成后需要检查是否满足设计深度要求。同时，模型与现场信息进行搭接，通过模型创建阶段的应用，实现施工过程模拟。

(3)碰撞检测阶段：模型完成后，检测模型碰撞，重点检测预留预埋件与原结构模型构件是否有冲突。完成模型冲突报告，将报告反馈设计人，待图纸重新设计完成后，重新创建修改部分模型。通过模型的碰撞检测，提前发现设计存在的问题，提高设计图纸质量。

将完成的BIM模型形成三维可视化文件，完成BIM设计。三维可视化模型建模流程如图2所示。

图2 三维可视化模型创建流程图

1.5 BIM建模重点

在BIM建模中，建模的重点在于模型碰撞检测及模型信息关联。

低真空管道磁悬浮铁路对施工的质量要求很高，对各构件的拼装误差要求均高于普速铁路设计要求，因此在设计中需要实现高度的精细化和系统化，这致使各专业接口设计难度增大。通过BIM模型的碰撞检测，为接口设计的难题提供了有效的解决途径。在模型碰撞检测阶段，需要对存在的设计接口进行依次梳理，依据接口设计的项目依次对模型进行检查。在检查的同时，形成模型检测冲突报告，对有冲突构件编号和位置等进行详细的记录。设计人员可以依据冲突报告对设计文件进行协同修改。在冲突修改的过程中，可充分利用BIM模型直观可视化、工作集协同设计的特点，发挥BIM设计的优势，提高设计修改的速度及质量。进而完成复杂接口设计任务。

BIM建模中，模型构件需进行工程信息关联。工程信息包括构件材料、批号和完成时间等。在关联信息的同时赋予了模型生命信息，方便信息化管理。BIM设计在实现三维可视化的同时，实现了工程信息的高度集中化，这为后续工程运营维修阶段提供极大的便利。维修人员可通过模型关联的信息，定时定点更换耗损构件，减少了维护成本。

2 BIM模型应用

2.1 工程量统计

通过BIM软件工程量统计板块的应用，实现对项目使用的材料和设备等工程量的统计。同时与工程造价等信息进行搭接，对工程成本实现信息化控制。

2.2 碰撞检查

利用BIM模型碰撞检查工具，实现对二维图纸设计复核，针对模型中构件和管线等三维冲突检测，同时还可实现建筑安全距离检测。

2.3 可视化展示

三维可视化模型真实、直观、全方位地展现，既降低了方案沟通中对各专业素养的要求，同时也可减小设计人员在重构方案过程中的理解偏差，提升了设计信息传递的效率与质量。本项目采用桥梁结构形式。三维可视化模型如下所述。

(1)整体模型展示：在本项目中，通过BIM软件，将二维图纸(桥梁结构横断面图见图3)信息转化为三维模型。整体模型如图4、图5所示。

图3 桥梁结构二维断面图 图4 桥梁结构BIM模型 图5 桥梁结构整体BIM模型

(2)细节模型展示：本项目存在预留预埋工程，在BIM设计阶段建模过程中，首先将结构内部钢筋等细部构件进行建模，模型如图6、图7所示。然后对预留预埋构件进行建模，如图8、图9所示。建模完成后进行碰撞检查，预埋件与钢筋冲突时调整钢筋细部位置，实现构件合理排布，同时将此细部结构三维模型作为技术交底的内容移交施工方，减少工程的返工。

图6 钢圈加筋肋模型

图7 混凝土箱梁局部配筋图

图8 预埋件BIM模型

图9 预埋件与混凝土箱梁钢筋碰撞检查

2.4 三维模型计算分析

BIM模型与三维计算软件的协同使用，快速构件结构有限元模型，实现结构的三维计算。本次BIM模型采用Revit软件，三维计算采用Midas civil计算软件。

基于Revit建立的桥梁三维模型，可导出二维桥梁横断面文件。导出的二维桥梁横断面dxf文件可导入Midas civil进行截面生成，根据生成的截面可快速建立桥梁三维计算模型。

预应力混凝土桥梁模型共有31个节点、26个单元。模型如图10所示。有限元计算结果如图11所示。

图10 三维有限元模型

图11 有限元计算结果

2.5 施工管理

基于BIM平台，结合施工组织设计，将施工构件与模型构件建立关联，同时对原材料信息、隐蔽工程质量检验信息等与模型进行搭接，实现施工过程精细化的质量管理。施工过程中，可通过BIM管理平台进行可视化模拟，实时查看项目进度完成状态，并检查施工进度计划是否满足工期条件，及时对施工进度进行调整，实现项目工程过程管理。同时，在运营维护阶段，维修人员可通过构件的位置信息，找出相对应的BIM模型构件，进行构件材料和规格等信息的查阅，提高维修质量。施工现场完成的桥梁结构如图12所示。

图12 施工完成桥梁结构

3 结语

低真空管道超高速磁浮交通工程具有施工精度高、安装复杂和数据信息处理繁重的特点。本项目中，通过BIM技术的应用，实现了工程数据向三维可视化模型的转变，通过BIM模型的搭建，实现项目建设的协同设计和信息化管理。

但是，由于目前BIM技术还处于开发和完善阶段，实现BIM技术在低真空管道工程中进行正向设计还存在一定的困难，BIM技术应用如何高效快捷是亟待研究的问题。