基于BIM技術(shù)的鐵路客車車輛段設(shè)計(jì)研究

陳 暉

(軌道交通工程信息化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院),西安 710043)

引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，尤其是我國鐵路項(xiàng)目的大力建設(shè)，對(duì)設(shè)計(jì)手段提出了許多新的要求[1]。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式下，各專業(yè)之間的溝通往往為階段性溝通，即通過特定時(shí)間的“對(duì)圖”描述來解決設(shè)計(jì)沖突，整個(gè)流程不成系統(tǒng)且效果往往不如人意[2]。

BIM與傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)相比，最具三維效果圖展示，快速算量，碰撞檢查等極具特色的優(yōu)化[3]。通過建立BIM建筑信息模型，各專業(yè)開展協(xié)同設(shè)計(jì)，提前解決設(shè)計(jì)過程中的“差、錯(cuò)、漏、碰”問題[4]。通過BIM手段模擬真實(shí)效果，設(shè)計(jì)人可以在設(shè)計(jì)過程中直觀感受，同時(shí)也可以避免施工單位依據(jù)二維圖紙不能直接領(lǐng)悟設(shè)計(jì)意圖，設(shè)計(jì)單位后期再通過變更修改設(shè)計(jì)，耗費(fèi)人力、財(cái)力及時(shí)間[5]。通過利用BIM模型的拓展功能，對(duì)實(shí)施的工程進(jìn)行多方位應(yīng)用模擬[6]，對(duì)設(shè)計(jì)人員未思考到的部分進(jìn)行完善優(yōu)化，同時(shí)提高設(shè)計(jì)效率[7]。作為一種全新的數(shù)字化處理方式，建筑信息模型能夠同時(shí)適用于項(xiàng)目的決策階段、實(shí)施階段、使用階段，尤其是項(xiàng)目的決策階段中[8]，能最大限度地發(fā)揮其協(xié)調(diào)性優(yōu)勢，做到質(zhì)量與效率雙把控，投資與工期雙降低，顯著降低成本[9]。

對(duì)于鐵路車輛段這樣一個(gè)多專業(yè)、特大型的鐵路綜合設(shè)計(jì)工點(diǎn)而言[10]，嘗試并全面推廣應(yīng)用以BIM為基礎(chǔ)的三維數(shù)字設(shè)計(jì)和協(xié)同技術(shù)，必然會(huì)帶來生產(chǎn)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量的大幅提升，同時(shí)對(duì)于后期施工費(fèi)用與過程的精確控制以及運(yùn)營維護(hù)管理都將會(huì)發(fā)揮巨大的推動(dòng)作用[11]。

以西安站改客車段工程BIM設(shè)計(jì)項(xiàng)目為依托，重點(diǎn)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)。

1 項(xiàng)目概況

既有西安客車車輛段位于西安站北側(cè)，現(xiàn)有段修臺(tái)位10個(gè)，占地約4 hm2(60畝)。由于西安車站改擴(kuò)建影響需沖占拆除既有車輛段，根據(jù)西安鐵路樞紐的整體規(guī)劃須遷建至西安東站，位于隴海上、下行正線之間，西側(cè)與整備所東端咽喉順接，北側(cè)與遷建機(jī)務(wù)段相鄰，東側(cè)為城市快速干道。

遷建客車段總規(guī)模30臺(tái)位。車輛段占地約13.67 hm2(205畝)，新建房屋總建筑面積44 029.3 m2，新增鋪軌9.48 km(含庫內(nèi))。車輛段整體為東西方向布置，西端為生產(chǎn)區(qū)，東端為辦公生活區(qū)，南側(cè)為車輛存放場。生產(chǎn)區(qū)主要包括檢修組合車庫、預(yù)檢庫、交驗(yàn)庫、油漆庫、材料庫、空壓機(jī)間、配電間、設(shè)備維修間及車電間；辦公生活區(qū)主要設(shè)有生產(chǎn)調(diào)度綜合樓、食堂浴室、職工間休及職教綜合樓以及預(yù)留停車場、活動(dòng)場地。總平面布置見圖1。

圖1 遷建西安客車段總平面布置

2 BIM平臺(tái)及軟件選擇

對(duì)市場上具有一定影響的BIM和BIM相關(guān)軟件目前主流的BIM平臺(tái)進(jìn)行總結(jié)，Autodesk公司產(chǎn)品較為全面成熟，同時(shí)與CAD接口較好，因此選用基于Autodesk Revit平臺(tái)的BIM軟件開展設(shè)計(jì)。

Autodesk平臺(tái)Revit軟件主要用于建筑及附屬工程設(shè)計(jì)，而車輛專業(yè)設(shè)備均為專用設(shè)備，無相應(yīng)設(shè)備族，且利用Revit繪制不規(guī)則外形的設(shè)備效率低下。因此需要根據(jù)專業(yè)特點(diǎn)進(jìn)行車輛專業(yè)適用軟件的選定。對(duì)Autodesk平臺(tái)的支持的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行了整理與測試，以及機(jī)械BIM軟件與Autodesk平臺(tái)的接口研究與多次嘗試，初步明確可利用Solidworks輸出的*.sat格式文件與Inventor輸出的*.iges格式文件進(jìn)行族輪廓的建立。

由于車輛專業(yè)設(shè)備眾多且外形較為復(fù)雜，部分設(shè)備需要利用供應(yīng)商提供的設(shè)備模型進(jìn)行族外形設(shè)計(jì)，綜合上述各機(jī)械軟件的接口與市場上機(jī)械三維設(shè)計(jì)軟件的應(yīng)用情況，車輛專業(yè)設(shè)備的BIM族外形設(shè)計(jì)軟件以Solidworks為主。

3 設(shè)計(jì)流程

通過采用BIM設(shè)計(jì)方法，依托傳統(tǒng)設(shè)計(jì)手段，車輛段BIM設(shè)計(jì)流程總結(jié)如圖2。

3.1 專業(yè)內(nèi)部設(shè)計(jì)

各專業(yè)對(duì)本專業(yè)族庫梳理完善，建立本專業(yè)所需模型的外觀并錄入相關(guān)參數(shù)信息。

3.2 室外工程設(shè)計(jì)

車輛專業(yè)完成工藝總平面概念設(shè)計(jì)圖并提供給站場專業(yè)，站場專業(yè)確定基點(diǎn)后提供各室外專業(yè)進(jìn)行繪制各專業(yè)內(nèi)容，同時(shí)完善站場專業(yè)模型。

3.3 室內(nèi)工程設(shè)計(jì)

車輛專業(yè)完成各分間平面概念設(shè)計(jì)圖并提供給房建專業(yè)，房建專業(yè)結(jié)合站場基點(diǎn)位置，向各室內(nèi)專業(yè)提供各單體軸網(wǎng)高程，各專業(yè)繪制室內(nèi)設(shè)備管線的同時(shí)，房建專業(yè)完善房屋模型。

3.4 模型匯總及優(yōu)化

各專業(yè)文件在服務(wù)器匯總，并通過碰撞檢查、日照模擬、排煙分析的模型綜合應(yīng)用手段，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.5 模型完善及交付

最后在完成優(yōu)化設(shè)計(jì)的模型進(jìn)行渲染美化，并進(jìn)行工籌模擬，最終提交用戶。

圖2 車輛段工程室內(nèi)外設(shè)計(jì)流程

4 BIM可視化設(shè)計(jì)

4.1 場坪設(shè)計(jì)

站場專業(yè)在Civil 3D中完成場區(qū)平、縱裝配的設(shè)計(jì)，然后將Civil 3D三維曲面實(shí)體化并插入Revit中，形成站場路基實(shí)體模型。流程如圖3所示。

圖3 場坪設(shè)計(jì)過程

4.2 設(shè)備族設(shè)計(jì)及管理

族是組成項(xiàng)目的構(gòu)件，同時(shí)是參數(shù)信息的載體。車輛段作為一項(xiàng)重大的系統(tǒng)工程，設(shè)備族標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)及管理非常重要。基于Revit二次開發(fā)的族設(shè)計(jì)及族庫管理如圖4所示。

圖4 族庫設(shè)計(jì)管理

4.3 室內(nèi)外構(gòu)筑物設(shè)計(jì)

基于西安站改客車段室內(nèi)外構(gòu)筑物布置，對(duì)段內(nèi)建筑物、股道、設(shè)備、管線等進(jìn)行建模布置，如圖5所示。

圖5 車輛段內(nèi)建筑物、股道、設(shè)備、管線布置

5 BIM模型應(yīng)用

對(duì)于建成的BIM三維模型，除了直觀的可視化功能之外，還可以對(duì)模型進(jìn)行如設(shè)備數(shù)量、土建工程數(shù)量快速統(tǒng)計(jì)、碰撞檢查、空氣流體運(yùn)動(dòng)模擬、日照模擬、工籌模擬、VR漫游模擬、移動(dòng)端展示等功能應(yīng)用，能夠有效地優(yōu)化設(shè)計(jì)方案與施工管理[12]。現(xiàn)對(duì)西安站改客車段工程BIM設(shè)計(jì)項(xiàng)目所運(yùn)用的功能進(jìn)行介紹。

5.1 設(shè)備管理應(yīng)用(圖6)

通過BIM模型能夠快速選取設(shè)備，統(tǒng)計(jì)車輛段內(nèi)各分間設(shè)備數(shù)量，同時(shí)能夠查看設(shè)備參數(shù)，對(duì)于設(shè)備安裝及運(yùn)維階段管理有重要意義[13-14]。

圖6 設(shè)備參數(shù)管理

5.2 碰撞檢查分析(圖7)

碰撞檢查是在匯總的模型基礎(chǔ)上，對(duì)建筑、基礎(chǔ)、設(shè)備、管線等構(gòu)件進(jìn)行干涉關(guān)系分析，能夠有效減少設(shè)計(jì)階段容易發(fā)生的差、錯(cuò)、漏、碰，降低施工變更風(fēng)險(xiǎn)，降低投資[15]。本項(xiàng)目通過碰撞檢查發(fā)現(xiàn)共計(jì)602處問題，預(yù)計(jì)優(yōu)化方案節(jié)約的投資約300萬元。

圖7 碰撞檢查分析

5.3 排煙工況下空氣流體運(yùn)動(dòng)模擬分析(圖8)

當(dāng)庫內(nèi)局部位置著火后，煙氣迅速上升，聚集在房屋上部，暖通專業(yè)對(duì)檢修庫進(jìn)行CFD模擬分析，可以有效確定滿足自然排煙需要開設(shè)的天窗及高窗面積和位置。通過排煙分析調(diào)整高窗位置12處。

圖8 空氣流體運(yùn)動(dòng)模擬分析

5.4 日照模擬分析(圖9)

建筑專業(yè)模擬場地的日照條件，確定組合車庫在日照下的遮擋與投影狀況，綜合判斷開窗面積及位置，實(shí)現(xiàn)綠色節(jié)能建筑設(shè)計(jì)。通過日照模擬分析優(yōu)化開窗位置46處。

圖9 日照模擬分析

5.5 工籌模擬分析(圖10)

通過對(duì)BIM模型施工過程的可視化模擬，可以有效地優(yōu)化設(shè)計(jì)階段的工程籌備與籌劃，同時(shí)避免遺漏臨時(shí)工程與設(shè)施，并最終完成可視化交底，有效直觀地指導(dǎo)施工單位作業(yè)[16]。

圖10 工籌模擬

6 結(jié)語

通過西安站改客車段BIM設(shè)計(jì)項(xiàng)目試點(diǎn)，明確了鐵路車輛段設(shè)計(jì)中工藝專業(yè)所采用的BIM設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件以及與BIM平臺(tái)的接口，制定出一套車輛專業(yè)乃至車輛段BIM設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化流程，并拓展了BIM模型綜合應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計(jì)手段。能夠幫助各專業(yè)設(shè)計(jì)人員放大方案的每個(gè)細(xì)節(jié)[17]，將方案的每一個(gè)微小部位充分暴露，利用軟件有效減少人工設(shè)計(jì)時(shí)容易發(fā)生的疏忽、差錯(cuò)和遺漏[18]，通過模擬分析調(diào)整設(shè)計(jì)方案，以實(shí)現(xiàn)車輛段的優(yōu)化。同時(shí)能夠推進(jìn)預(yù)構(gòu)和明確計(jì)劃安排[19]，為實(shí)現(xiàn)車輛段施工協(xié)調(diào)組織時(shí)間方面發(fā)揮巨大作用[20]，為BIM技術(shù)在鐵路領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考借鑒。