軌道交通站場BIM設(shè)計(jì)建模探索

高 華 劉祾頠 吳祥龍

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063)

BIM技術(shù)倡導(dǎo)從工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)到施工的全生命周期的應(yīng)用管理[1]，其在協(xié)調(diào)性、信息化以及可視化方面帶來的巨大變革為軌道交通勘察設(shè)計(jì)行業(yè)提供新的契機(jī)[2-3]。

在軌道交通領(lǐng)域，國內(nèi)已經(jīng)有多個(gè)城市軌道交通工程項(xiàng)目嘗試BIM技術(shù)應(yīng)用[4]。其中，建筑、結(jié)構(gòu)、暖通，隧道等專業(yè)人員對(duì) BIM 技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行了深入研究。

城市軌道交通車輛基地BIM設(shè)計(jì)中，涉及的專業(yè)多、模型復(fù)雜、模型數(shù)據(jù)量極大[5-7]，站場作為車輛基地設(shè)計(jì)的龍頭專業(yè)，其設(shè)計(jì)成果影響下游眾多設(shè)計(jì)專業(yè)。目前，站場專業(yè)BIM技術(shù)的應(yīng)用尚處于利用二維設(shè)計(jì)成果建造三維信息模型的階段，難以體現(xiàn)BIM技術(shù)協(xié)同高效的價(jià)值[8-9]。

站場專業(yè)進(jìn)行BIM設(shè)計(jì)時(shí)，在前期的方案規(guī)劃階段，需要不斷修改完善，由于站場專業(yè)設(shè)計(jì)的BIM數(shù)據(jù)量極大，目前尚無一款商業(yè)軟件能完全適用于站場BIM設(shè)計(jì)，其瓶頸表現(xiàn)如下[10-13]。

①專業(yè)程度不深，不能完全理解設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)及需求，設(shè)計(jì)功能不足。

②軟件操作習(xí)慣與一線設(shè)計(jì)人員需求不符，設(shè)計(jì)效率低下，自動(dòng)化程度低。

③軟件標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范不符合國內(nèi)要求，出圖格式與國內(nèi)差別較大。

④軌道交通行業(yè)中各專業(yè)適用軟件不統(tǒng)一，各主流平臺(tái)的數(shù)據(jù)無法有效互通，易導(dǎo)致信息丟失。

因此，讓BIM技術(shù)為站場勘察設(shè)計(jì)服務(wù)，必須要解決站場BIM軟件的問題[14-15]，結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及工程實(shí)際，提出站場股道設(shè)計(jì)、路基設(shè)計(jì)、構(gòu)件設(shè)備庫、出圖等BIM設(shè)計(jì)方面的技術(shù)路線和解決思路。

1 站場BIM設(shè)計(jì)系統(tǒng)開發(fā)概述

通過在主流三維設(shè)計(jì)平臺(tái)上開發(fā)站場BIM設(shè)計(jì)軟件，以實(shí)現(xiàn)站場專業(yè)信息模型的快速構(gòu)建。該軟件開發(fā)難點(diǎn)如下。

(1)站場BIM設(shè)計(jì)軟件需要滿足的基本要求：①靈活多變，符合設(shè)計(jì)人員習(xí)慣的計(jì)算機(jī)三維交互設(shè)計(jì)；②可對(duì)三維BIM模型數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算；③可實(shí)時(shí)快速的對(duì)大規(guī)模數(shù)據(jù)進(jìn)行渲染；④能廣泛讀取模型屬性數(shù)據(jù)。

(2)實(shí)現(xiàn)站場設(shè)計(jì)成果的標(biāo)準(zhǔn)化與結(jié)構(gòu)化，以及設(shè)計(jì)過程和成果的信息共享，為多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)打好基礎(chǔ)。

(3)將特有的設(shè)計(jì)技術(shù)及知識(shí)經(jīng)驗(yàn)封裝到BIM設(shè)計(jì)軟件，構(gòu)造站場專業(yè)核心技術(shù)。

2 站場BIM設(shè)計(jì)技術(shù)路線

2.1 總體構(gòu)架

對(duì)站場BIM設(shè)計(jì)軟件的開發(fā)按以下總體架構(gòu)搭建，如圖1所示。

圖1 軟件構(gòu)架示意

2.2 模塊劃分

根據(jù)工作流程進(jìn)行如下模塊劃分，將站場所涉及到的主要設(shè)備對(duì)象化、實(shí)體化，站場所涉及的設(shè)備模塊如圖2所示。

圖2 工作流及模塊劃分示意

根據(jù)工作流進(jìn)行模塊劃分后，對(duì)各模塊進(jìn)行BIM建模設(shè)計(jì)。

(1) 股道設(shè)計(jì)

股道設(shè)計(jì)功能模塊如圖3所示，軟件的股道設(shè)計(jì)部分成果如圖4所示。

圖3 股道BIM設(shè)計(jì)技術(shù)路線示意

圖4 股道BIM設(shè)計(jì)示意

(2)路基設(shè)計(jì)

軌道交通車輛基地中，站場路基的BIM設(shè)計(jì)與地形結(jié)合較為嚴(yán)密，其BIM模型多為不規(guī)則結(jié)構(gòu)，批量建模困難，且附屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與地質(zhì)參數(shù)關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)，與各專業(yè)模型信息交換較多，協(xié)同設(shè)計(jì)難度大。為了解決這些問題，該軟件立足站場專業(yè)BIM設(shè)計(jì)，對(duì)車輛基地路基BIM設(shè)計(jì)進(jìn)行參數(shù)化自動(dòng)建模的探索，對(duì)路基、路面、邊坡進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，以達(dá)到快速建模及人機(jī)交互修改的目的。常規(guī)路基BIM設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 常規(guī)路基BIM設(shè)計(jì)示意

遇到特殊類型路基時(shí)，可采用人工干預(yù)的方法對(duì)其進(jìn)行修正。

(3)其他設(shè)備庫建模

傳統(tǒng)設(shè)備庫建模需要依據(jù)二維設(shè)計(jì)成果，手工確定每個(gè)設(shè)備構(gòu)件的坐標(biāo)及方位，最后整合形成整個(gè)站場BIM模型。在建立BIM模型時(shí)，需要根據(jù)模型位置，手動(dòng)依次插入模型，耗時(shí)耗力。因此，該軟件在標(biāo)準(zhǔn)化單體構(gòu)件模板以及設(shè)計(jì)方案數(shù)字化的基礎(chǔ)上，參考股道位置，經(jīng)計(jì)算后自動(dòng)放置構(gòu)件模型，由對(duì)話框設(shè)定坐標(biāo)位置、方向及屬性，支持鼠標(biāo)拖動(dòng)、屬性修改、刪除等交互操作。使程序根據(jù)已有信息自動(dòng)、快速創(chuàng)建站場BIM模型。部分構(gòu)件模型如圖6，構(gòu)件自動(dòng)建模技術(shù)路線如圖7。

圖6 部分構(gòu)件模型示意

圖7 構(gòu)件設(shè)置技術(shù)路線示意

對(duì)站場設(shè)備賦予數(shù)字信息后，設(shè)計(jì)成果數(shù)據(jù)庫中記錄了設(shè)備的各種設(shè)計(jì)信息，從數(shù)據(jù)庫中獲取包括定位、幾何尺寸、非幾何屬性(材質(zhì)、通用圖號(hào)等)的主要信息及設(shè)備間的關(guān)聯(lián)耦合邏輯關(guān)系，通過程序自動(dòng)調(diào)用即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化成圖與建模，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)成果數(shù)據(jù)化。

(4)工程數(shù)量及成果輸出

該軟件是基于現(xiàn)有站場設(shè)計(jì)軟件基礎(chǔ)上的BIM延伸開發(fā)，為降低三維空間直接交互的難度和提升人機(jī)交互的用戶體驗(yàn)，對(duì)于同一設(shè)計(jì)方案，分別實(shí)現(xiàn)二維和三維可視化(提供2個(gè)視圖窗口，二維窗口體現(xiàn)模型的平、縱、橫等信息，三維窗口以三維可視化展示為主，并保持二三維窗口聯(lián)動(dòng))，如圖8所示。

圖8 二三維窗口的聯(lián)動(dòng)

在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面，采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，以數(shù)據(jù)庫為核心，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫操作，生成圖形。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模式如圖9所示，數(shù)據(jù)庫框架如圖10所示。

圖9 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

圖10 數(shù)據(jù)庫框架搭建

將軟件封裝成動(dòng)態(tài)鏈接庫，以最大限度實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)模塊與既有商業(yè)平臺(tái)的隔離，降低軟件對(duì)商業(yè)平臺(tái)的依賴程度(實(shí)現(xiàn)松耦合)；并為該軟件的升級(jí)和擴(kuò)展，以及與其他平臺(tái)的對(duì)接等未來拓展預(yù)留條件。

3 總結(jié)與展望

針對(duì)目前國內(nèi)站場BIM發(fā)展現(xiàn)狀與瓶頸，提出基于Microstation開發(fā)站場BIM設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件框架及各模塊實(shí)現(xiàn)技術(shù)路線。通過對(duì)站場設(shè)計(jì)構(gòu)件進(jìn)行對(duì)象化、實(shí)體化處理，在參考股道位置的基礎(chǔ)上，自動(dòng)化生成站場股道、路基、設(shè)備等模型，以人機(jī)交互輔助進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)。并以輕量化數(shù)據(jù)庫對(duì)模型信息進(jìn)行存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)模塊與既有商業(yè)平臺(tái)的分離與封裝，為實(shí)現(xiàn)軌道交通全專業(yè)數(shù)據(jù)互通和正向設(shè)計(jì)提供一種可行的思路。

站場是一個(gè)系統(tǒng)性專業(yè)，站場設(shè)計(jì)軟件開發(fā)涉及線路、站場、路基、信號(hào)等眾多專業(yè)，需要對(duì)業(yè)務(wù)具有深入的了解，該軟件選用的BIM平臺(tái)為Bentley MicroStation，其開發(fā)資料較少，技術(shù)支持渠道有限，二次開發(fā)進(jìn)展較慢，后續(xù)可以考慮與專業(yè)公司形成戰(zhàn)略合作協(xié)議，并投入大量的人力和時(shí)間來促進(jìn)項(xiàng)目的推進(jìn)。