車輛段BIM正向設(shè)計研究

金永樂

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

在工程領(lǐng)域，越來越多的工程實踐證明，BIM(Building Information Modeling)技術(shù)的研究和應(yīng)用可有效提升建設(shè)項目設(shè)計、施工及運營管理的技術(shù)水平，實現(xiàn)建設(shè)項目全生命周期的管理信息化，具有巨大的應(yīng)用價值和廣闊的應(yīng)用前景。隨著全國鐵路和城市軌道交通項目的大力建設(shè)，BIM技術(shù)也逐步應(yīng)用于鐵路和城軌領(lǐng)域[1-5]。

近年來，鐵路BIM聯(lián)盟陸續(xù)發(fā)布了《鐵路工程實體結(jié)構(gòu)分解指南》《鐵路工程信息模型分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)》《鐵路工程信息模型數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)》等11項標(biāo)準(zhǔn)和指南。這些標(biāo)準(zhǔn)的編制與發(fā)布，將對提高鐵路行業(yè)BIM技術(shù)應(yīng)用水平、保障鐵路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化管理、實現(xiàn)工程建設(shè)信息化發(fā)展等起到指引和參考的作用[6-7]。上述標(biāo)準(zhǔn)在很大程度上統(tǒng)一了鐵路和城軌設(shè)施、設(shè)備、勘察、測繪等資料的交付要求，為BIM應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

在車輛段BIM設(shè)計應(yīng)用方面，中鐵一院以西安站改客車段工程項目為依托，重點研究BIM 技術(shù)在鐵路客車車輛段領(lǐng)域綜合應(yīng)用的發(fā)展路線及關(guān)鍵技術(shù)[8]；中鐵二院在長沙市軌道交通2號線黃興車輛段的設(shè)計中采用BIM技術(shù)進(jìn)行室外綜合管線設(shè)計，顯著提高了綜合管線設(shè)計的效率和質(zhì)量；中鐵四院在武漢地鐵2號線常青花園車輛段的設(shè)計中引入BIM技術(shù)[9]，摸索完成了軌道交通車輛基地BIM協(xié)同設(shè)計的流程和方法，并利用BIM模型進(jìn)行碰撞檢測。

這些案例為BIM技術(shù)在車輛段設(shè)計上的應(yīng)用作出了表率，但距離正向協(xié)同設(shè)計還有一定差距。本文結(jié)合車輛段的設(shè)計特點，提出車輛段三維正向設(shè)計思路，旨在為車輛段真正實現(xiàn)正向設(shè)計提供參考。

1 車輛段BIM設(shè)計特點

1.1 BIM設(shè)計主要優(yōu)勢

(1)設(shè)計協(xié)同化

傳統(tǒng)設(shè)計中，各專業(yè)間采用CAD外部參照的形式進(jìn)行配合，每個專業(yè)的圖紙修改，均需人為通知相關(guān)專業(yè)更新，專業(yè)間設(shè)計協(xié)調(diào)交叉作業(yè)頻繁。且各圖紙間無關(guān)聯(lián)，遇到設(shè)計修改時，需對所有圖紙逐一修改。這導(dǎo)致傳統(tǒng)設(shè)計協(xié)調(diào)效率低下，費時費力，同時容易發(fā)生差錯漏碰。鐵路項目周期長、變動多，更是容易放大上述問題。在正向BIM協(xié)同設(shè)計中，各專業(yè)均基于同一模型進(jìn)行設(shè)計，模型的每一處修改，對各專業(yè)的反饋都是即時、同步、一致的，且各專業(yè)可同時對同一個文件進(jìn)行操作，整個模型設(shè)計的過程即是專業(yè)協(xié)調(diào)的過程，這不僅節(jié)省了大量的修改及核對時間，也保證了修改結(jié)果的精確性。

(2)設(shè)計模擬化

在傳統(tǒng)的建筑設(shè)計中，模擬是薄弱的環(huán)節(jié)，與設(shè)計的結(jié)合并不緊密。BIM技術(shù)可以在設(shè)計出圖的基礎(chǔ)上，直接進(jìn)行各種分析和模擬，如結(jié)構(gòu)受力分析、節(jié)能模擬、日照模擬、熱能傳導(dǎo)模擬、緊急疏散模擬等，從而使建筑方案更為合理。同時，BIM模型的直觀展示，將更方便與業(yè)主、施工方等外部單位的溝通，更有利于他們理解設(shè)計意圖，減少變更和返工，提高整個行業(yè)的效率。

1.2 車輛段BIM設(shè)計特點

車輛段是實現(xiàn)列車整備運用和檢修的場所，是一處工業(yè)廠區(qū)，它包含了鐵路線路、工業(yè)廠房和辦公生活用房。車輛段設(shè)計具有設(shè)計體量大、各專業(yè)接口多等特點，除系統(tǒng)專業(yè)外，車輛段設(shè)計內(nèi)容主要分兩大塊：站場設(shè)計(含線路、路基、橋涵)和單體建筑設(shè)計(含房建、機(jī)電)。車輛段采用BIM設(shè)計具備以下特點：

(1)專業(yè)的鐵路線路BIM設(shè)計軟件并不完全適合車輛段的站場線路設(shè)計。車輛段選址一般位于場地相對平整的開闊地，占地面積大，場坪基本為同一高程，少有正線線路復(fù)雜的地形地貌。線路軌面高程也非常統(tǒng)一，即便有坡度也是緩坡。專業(yè)的鐵路線路設(shè)計軟件的線路平縱斷面設(shè)計、自動結(jié)合地形生成路基放坡等功能在車輛段站場設(shè)計中基本用不上。車輛段站場線路設(shè)計更適宜采用先通過二維設(shè)計，再快速生成BIM模型的思路。

(2)可充分利用民用建筑BIM資源。車輛段中綜合樓、公寓、食堂等辦公生活設(shè)施為民用建筑，機(jī)電設(shè)備也是民用建筑領(lǐng)域的常規(guī)設(shè)備，這類建筑單體的設(shè)計就可充分利用民用建筑領(lǐng)域的BIM資源。

(3)車輛段廠房設(shè)計以工藝功能為核心。車輛段廠房自身并沒有復(fù)雜特殊的建筑元素，廠房設(shè)計的重點是車間組合形式。作為廠房的最小單元，每個車間的設(shè)計根據(jù)功能基本可以實現(xiàn)模塊化和參數(shù)化，但車間組合的形式變化較多，車間組合形式與房建專業(yè)關(guān)系不大，一般是車輛或工藝專業(yè)根據(jù)車輛運用、檢修工藝需求進(jìn)行定制。

綜合上述分析，車輛段開展BIM正向設(shè)計既不能照搬工業(yè)廠房或民用建筑的BIM設(shè)計思路，也沒法完全采用鐵路專用設(shè)計軟件，而應(yīng)基于車輛段自身特點，確定BIM正向設(shè)計思路，并定制輔助開發(fā)工具。

2 車輛段站場BIM設(shè)計思路

2.1 站場傳統(tǒng)設(shè)計特點

車輛段設(shè)計軌面高程基本上為同一高程，因此車輛段總平面實質(zhì)上為一個二維平面圖，采用傳統(tǒng)的二維設(shè)計模式更加符合站場線路的特點，且已具備較高的設(shè)計效率。

在初步設(shè)計階段，一般通過對地形圖進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用插值法估算每個網(wǎng)格高程來近似統(tǒng)計土石方量；在施工圖階段，一般通過計算各個地質(zhì)斷面土方數(shù)據(jù)來統(tǒng)計土石方量?？偟膩碇v，這兩種都是比較原始的統(tǒng)計方法，統(tǒng)計工作量大，設(shè)計效率低下。

2.2 站場總平面BIM設(shè)計思路

Revit設(shè)計平臺是面向建筑工程的三維設(shè)計軟件，不具備站場軌道等鐵路專用元素的設(shè)計功能。要實現(xiàn)站場軌道、軌枕、道床等設(shè)施的設(shè)計，須從0開始建模，工作量非常大。因此要在Revit平臺上實現(xiàn)站場設(shè)計，須對平臺進(jìn)行二次開發(fā)，訂制站場快速設(shè)計工具。

根據(jù)站場以平面設(shè)計為主的特點，總圖設(shè)計依然基于AutoCAD進(jìn)行，重點開發(fā)將二維站場總圖快速轉(zhuǎn)換為三維模型的工具。該工具須實現(xiàn)以下功能：

(1)建立包含軌道、軌枕和道床的典型橫斷面，以二維線路平面圖為路徑，快速掃描生成全部線路的三維模型；

(2)道岔采用單獨建族的方式進(jìn)行嵌入；

(3)可滿足段內(nèi)有一定縱坡的情況下，生成帶坡度的車場線路。

為實現(xiàn)整個車輛段設(shè)計功能，采用DANAMO參數(shù)化工具進(jìn)行站場設(shè)計工具的開發(fā)。DANAMO是可視化腳本程序，有助于構(gòu)建自定義算法，處理數(shù)據(jù)并生成幾何圖形。

2.3 站場土石方工程BIM設(shè)計思路

針對站場土石方工程設(shè)計效率低下的現(xiàn)狀，提出通過建立站場土石方三維模型進(jìn)行工程量快速統(tǒng)計的思路。主要分為以下三種情況：

(1)在前期研究階段，通過無人機(jī)傾斜攝影，生成三維地表模型，對三維地表模型進(jìn)行布爾運算，計算土石方工程量。

(2)在初步設(shè)計階段，開發(fā)二維地形圖轉(zhuǎn)化為三維地表模型的軟件工具，通過識別地形圖中的線條、數(shù)據(jù)等信息，生成準(zhǔn)確的三維地表模型。

(3)在施工圖階段，開發(fā)二維地質(zhì)斷面圖轉(zhuǎn)化為三維地質(zhì)模型的軟件工具，通過識別每個二維地質(zhì)斷面圖中的數(shù)據(jù)等信息，對所有地質(zhì)斷面圖數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，生成完整的三維地質(zhì)模型，再進(jìn)行準(zhǔn)確的土石方量計算。

3 車輛段建筑單體BIM設(shè)計思路

3.1 常規(guī)設(shè)計模式

車輛段建筑單體常規(guī)設(shè)計流程：(1)車輛(工藝)專業(yè)根據(jù)計算規(guī)模、設(shè)計需求等開放單體房建資料，房建資料基本上是反映建筑軸線的單線條示意圖；(2)房建專業(yè)根據(jù)車輛(工藝)資料設(shè)計建筑初步平立剖方案，并返回車輛(工藝)專業(yè)確認(rèn)，而后再開放第一版平立剖圖給所有相關(guān)專業(yè)；(3)車輛(工藝)在第一版建筑圖上提供風(fēng)水電設(shè)計要求資料，并開放給相關(guān)專業(yè)；(4)暖通、給排水、電力等專業(yè)給建筑反饋意見；(5)根據(jù)反饋意見，房建專業(yè)修改資料，再開放第二版平立剖圖，各專業(yè)在此基礎(chǔ)上開展設(shè)計。

這個設(shè)計過程在傳統(tǒng)的二維設(shè)計模式下，并沒有太多的問題。但在三維設(shè)計模式下完成上述流程，車輛(工藝)、暖通、給排水、電力等專業(yè)多次反饋建筑模型意見，對建筑初始模型的建立增加了很多修改工作量，這種修改工作量要比二維設(shè)計大很多。其模式設(shè)計流程如圖1所示，須先生成初步建筑BIM模型供車輛(工藝)專業(yè)反饋意見，修改后再生成初始建筑BIM模型供其他專業(yè)反饋意見，然后再修改，最后由各個專業(yè)一起設(shè)計完成最終BIM模型。

圖1 建筑單體常規(guī)設(shè)計流程示意圖

3.2 以功能為導(dǎo)向的BIM設(shè)計思路

針對上述設(shè)計問題，結(jié)合車輛段單體建筑的功能特點，本文提出一種全新的以功能為導(dǎo)向的車輛段BIM設(shè)計思路，其精髓是將車輛(工藝)等專業(yè)與房建專業(yè)多次提資反饋的設(shè)計過程簡化為車輛(工藝)專業(yè)根據(jù)車輛段功能導(dǎo)向直接成型車輛段初始BIM模型的過程。人員投入從各個專業(yè)全程參與簡化為前期車輛(工藝)單專業(yè)主導(dǎo)，后期各專業(yè)深化。其設(shè)計流程，如圖2所示。

圖2 以功能為導(dǎo)向的BIM設(shè)計流程示意圖

這種設(shè)計思路的核心是將常規(guī)設(shè)計流程的(1)、(2)、(3)三個環(huán)節(jié)簡化為一個環(huán)節(jié)，即車輛(工藝)專業(yè)根據(jù)功能導(dǎo)向直接設(shè)計生成初始BIM模型，而后各專業(yè)在初始模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行深化設(shè)計。車輛(工藝)專業(yè)在設(shè)計前期發(fā)揮主導(dǎo)作用，這同車輛段的功能特征相符。

初始BIM模型應(yīng)包含：(1)建筑長寬尺寸、柱網(wǎng)分布、各層高面、門、窗以及天地墻中與功能相關(guān)的做法。(2)生產(chǎn)用水點、排水點。(3)車輛(工藝)設(shè)備分布、設(shè)備電源引入點、電源功率等接口信息。

實現(xiàn)以功能為導(dǎo)向直接生成初始模型的關(guān)鍵技術(shù)有以下兩點：

(1)較為完善的車輛段構(gòu)件族庫。建設(shè)比較完整的車輛段土建構(gòu)件和設(shè)備族庫。如柱子、承臺、作業(yè)平臺、檢查地溝等都可以形成族庫。族庫的建立為功能導(dǎo)向的設(shè)計模式打好基礎(chǔ)。

(2)建筑單體設(shè)計軟件二次開發(fā)。針對每個單體的特點，通過整理歸納通用圖集，開發(fā)快速生成設(shè)計軟件。如在車輛段運用庫的BIM設(shè)計軟件開發(fā)中，通過輸入停車列檢規(guī)模、規(guī)范線間距等計算指標(biāo)，并選擇組合形式，便可快速生成運用庫的初步框架模型，而后工藝專業(yè)根據(jù)功能需求，在此基礎(chǔ)上采用“搭積木形式”添加房建和機(jī)電元素。

4 車輛段總體BIM設(shè)計思路

基于對站場和建筑單體分項設(shè)計的研究，搭建一套基于Revit平臺的車輛段BIM設(shè)計體系，如圖3所示。

圖3 基于Revit平臺的車輛段BIM設(shè)計體系示意圖

實現(xiàn)車輛段BIM設(shè)計體系的關(guān)鍵是專用設(shè)計工具的定制，軟件定制是實現(xiàn)車輛段BIM三維正向設(shè)計的最后一公里。車輛段BIM設(shè)計體系主要包含以下軟件定制：

(1)站場智能設(shè)計軟件(ZQAD)?；诜€(wěn)定的二維總圖方案，快速實現(xiàn)站場標(biāo)注、橫斷面出圖等工作，現(xiàn)有的站場設(shè)計軟件基本能滿足該功能。

(2)站場快速BIM設(shè)計軟件(ZQBD)。在Revit平臺上進(jìn)行二次開發(fā)，輸入地質(zhì)、地形等信息，實現(xiàn)站場從二維總圖向三維BIM模型快速轉(zhuǎn)換，同時快速提供土石方量等工程量統(tǒng)計。

(3)車輛段快速BIM設(shè)計系列軟件(CQBD)。這個軟件在整個正向設(shè)計體系中最為核心，以車輛段功能需求作為導(dǎo)向，實現(xiàn)從工藝需求快速成型BIM初始模型的功能。其功能組成，如圖4所示。

圖4 CQBD軟件功能組成示意圖

(4)結(jié)構(gòu)分析工具?；赗evit平臺與PKPM等結(jié)構(gòu)分析軟件的接口關(guān)系，實現(xiàn)BIM模型與結(jié)構(gòu)計算模型互導(dǎo)。

5 結(jié)論

本文通過對車輛段設(shè)計特點進(jìn)行研究，在站場設(shè)計和建筑單體設(shè)計方面分別提出了BIM正向設(shè)計思路，并搭建了車輛段正向設(shè)計體系，該設(shè)計體系離不開大量的設(shè)計軟件定制和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫建設(shè)工作，該體系的建立將很大程度上提高車輛段BIM正向設(shè)計的效率。