基于BIM技術(shù)的軌道交通車輛基地族庫(kù)構(gòu)建與應(yīng)用

伍泓樺，金永樂，郭愛平，孔令星

（1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司 機(jī)械動(dòng)力工程設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610031；2.西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031）

1 概述

建筑信息模型 （Building Information Modeling，BIM）是以三維信息技術(shù)為基礎(chǔ)，集成建筑工程項(xiàng)目各種相關(guān)數(shù)字信息建立的工程數(shù)據(jù)模型，貫穿項(xiàng)目的全生命周期，指導(dǎo)項(xiàng)目的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)管理［1-4］。在BIM模型構(gòu)建過程中，族是核心內(nèi)容，是模型的基礎(chǔ)，是各種信息數(shù)據(jù)的載體。BIM技術(shù)從建筑行業(yè)起源，近些年在軌道交通行業(yè)興起，一些學(xué)者對(duì)BIM族庫(kù)在城軌行業(yè)的應(yīng)用開展了諸多研究［5-11］。

廣義的城市軌道交通泛指以各種形式導(dǎo)軌為導(dǎo)向的城市公共客運(yùn)系統(tǒng)，涵蓋了在城市中修建的大、中、小運(yùn)量用電力牽引的軌道交通。車輛基地作為城軌系統(tǒng)車輛的維?；兀こ掏顿Y一般在10億～20億元，項(xiàng)目規(guī)模較大、各專業(yè)接口復(fù)雜，通常受選址和邊界條件影響，設(shè)計(jì)周期短，工期緊張。因此，為達(dá)到快速構(gòu)建車輛基地工程信息模型的目的，建立車輛基地族庫(kù)顯得尤為關(guān)鍵。目前，軟件廠商在BIM基礎(chǔ)軟件上開發(fā)的Revit族庫(kù)主要有Revit軟件自帶族庫(kù)、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)產(chǎn)品BIM大型數(shù)據(jù)庫(kù)、族庫(kù)大師、鴻業(yè)族庫(kù)、構(gòu)件塢、筑龍網(wǎng)族庫(kù)等，尚不能滿足車輛基地族庫(kù)需求［12-13］。運(yùn)用Revit軟件，系統(tǒng)性研究并構(gòu)建了車輛基地標(biāo)準(zhǔn)化族庫(kù)。以某車輛基地工程為實(shí)例，快速構(gòu)建建筑信息模型，提高車輛基地信息模型的建模效率。

2 車輛基地族庫(kù)的開發(fā)

2.1 技術(shù)路線

以Revit軟件構(gòu)建族庫(kù)為指導(dǎo)，結(jié)合城軌車輛基地的特點(diǎn)，提出車輛基地標(biāo)準(zhǔn)化族庫(kù)的創(chuàng)建思路（見圖1）。

圖1 車輛基地族庫(kù)構(gòu)建的技術(shù)路線

2.2 族庫(kù)分類

車輛基地作為地鐵系統(tǒng)的運(yùn)用、檢修、材料和后勤保障基地，包括車輛段（停車場(chǎng)）、綜合維修中心、物資總庫(kù)、培訓(xùn)中心和其他生產(chǎn)、生活、辦公等配套設(shè)施。其設(shè)施為保障車輛基地正常安全運(yùn)營(yíng)而設(shè)置的各類土建設(shè)施，主要包括：房屋建筑、隧道、橋涵、路基、道床、道路、附屬設(shè)施等。其設(shè)備為保障車輛基地正常安全運(yùn)營(yíng)而設(shè)置的各類機(jī)電系統(tǒng)，主要包括：車輛、給排水及消防、通風(fēng)空調(diào)、動(dòng)力與照明、電扶梯、工具器械、工藝設(shè)備、供電、弱電等。

車輛基地工程專業(yè)眾多，組成復(fù)雜，構(gòu)件數(shù)量多，分類具有一定的難度。為更好實(shí)現(xiàn)協(xié)同，便于統(tǒng)一管理，合理的分類就顯得十分重要。采用線分類法對(duì)車輛基地設(shè)施設(shè)備進(jìn)行分類?；诰€分類法，將車輛基地各專業(yè)的設(shè)施設(shè)備按8個(gè)層級(jí)進(jìn)行劃分。不同層級(jí)類目之間按照從屬關(guān)系進(jìn)行分類，同一分支的類目之間按照并列關(guān)系進(jìn)行分類。車輛基地設(shè)備設(shè)施的第一級(jí)分為以下幾類：01線路及站場(chǎng)、02房屋建筑、03車輛、04通風(fēng)空調(diào)、05給排水及消防、06動(dòng)力與照明、07工藝設(shè)備、08其他系統(tǒng)（見圖2）。

圖2 車輛基地族庫(kù)的分類

2.3 族庫(kù)的命名與編碼

車輛基地分類出來的族構(gòu)件龐大繁雜，為清晰明了地表示族庫(kù)內(nèi)容，便于識(shí)別和溝通，族的命名要簡(jiǎn)明扼要，嚴(yán)格規(guī)范。命名規(guī)則是參照車輛基地族的分類和工程實(shí)踐，創(chuàng)新性地提出車輛基地各專業(yè)設(shè)備設(shè)施層級(jí)，并采用線分類法對(duì)城市軌道交通車輛基地設(shè)施設(shè)備進(jìn)行分類編碼（見表1）。

表1 車輛基地設(shè)備設(shè)施層級(jí)及編碼

創(chuàng)建的族應(yīng)根據(jù)車輛基地設(shè)備設(shè)施層級(jí)及編碼表進(jìn)行命名，各級(jí)名稱之間采用“_”分隔，例如：線路_軌道_站場(chǎng)道床軌道_路基_土路基，其對(duì)應(yīng)的編碼為“0101010101”。

2.4 車輛基地族庫(kù)的創(chuàng)建流程

基于Revit軟件，提出了車輛基地族的標(biāo)準(zhǔn)化創(chuàng)建流程。

2.4.1 族創(chuàng)建的初步設(shè)置

（1）選擇合適的族樣板并定義族類別，例如選擇基于公制常規(guī)模型定義常規(guī)族、基于公制結(jié)構(gòu)框架-梁和支撐定義可融合的排水溝及電纜溝、槽、基于線的公制常規(guī)模型定義直線型構(gòu)件。

（2）定義插入點(diǎn)，鎖定插入點(diǎn)的參照平面。

（3）布局參照線和參照平面。

（4）預(yù)設(shè)族類型和族參數(shù)。

（5）添加尺寸標(biāo)注并參數(shù)關(guān)聯(lián)：選擇合適的參照線或參照平面標(biāo)注尺寸，并與相應(yīng)的幾何參數(shù)關(guān)聯(lián)。

2.4.2 族幾何形體的繪制

（1）設(shè)施設(shè)備族的建模幾何尺寸以設(shè)備供應(yīng)商提供的圖紙尺寸為準(zhǔn)。收集族創(chuàng)建所需的各類圖紙，包括設(shè)施設(shè)備對(duì)象的平、立、剖及軸側(cè)圖等。

（2）分析設(shè)施設(shè)備對(duì)象的幾何形體，確定對(duì)象幾何形狀的特征參數(shù)，并明確幾何參數(shù)類型。

（3）繪制幾何形體（2D/3D），并約束到相應(yīng)的參照平面。視實(shí)際需要載入嵌套族并放置添加控件、連接件等。

2.4.3 族的參數(shù)化設(shè)置

關(guān)聯(lián)族參數(shù)，調(diào)整參數(shù)值和模型，并判斷族行為，驗(yàn)證參變性能（包括幾何參數(shù)和非幾何參數(shù)）。

2.4.4 族的相關(guān)特性設(shè)置

族的子類別、可見性、視圖、保存狀態(tài)、統(tǒng)一性設(shè)置（族各視圖的縮放比例、視覺樣式，清除未使用項(xiàng)等）。

2.4.5 設(shè)置族類型

通過復(fù)制和修改預(yù)設(shè)族類型的參數(shù)值添加族的其他類型。若族類型數(shù)≥6，創(chuàng)建類型目錄實(shí)現(xiàn)族類型的設(shè)置。

2.4.6 保存族文件待測(cè)試

按照級(jí)別分類建立族庫(kù)文件夾系統(tǒng)，該系統(tǒng)文件夾層級(jí)關(guān)系與設(shè)施設(shè)備類別相同，并將族文件保存在相應(yīng)的層級(jí)族庫(kù)文件夾中。族創(chuàng)建流程見圖3。

圖3 族創(chuàng)建流程

通過測(cè)試后交付的族文件包含了族的使用說明書，主要有以下內(nèi)容：族文件的版本號(hào)；族類別、族類型的介紹；族主要類型參數(shù)、實(shí)例參數(shù)和共享參數(shù)的涵義描述；族在項(xiàng)目文件中的放置過程描述；族控件的功能描述。

3 車輛基地族庫(kù)的構(gòu)建

通過上述創(chuàng)建方法，完成了線路及站場(chǎng)、房屋建筑、車輛、通風(fēng)空調(diào)、給排水及消防、動(dòng)力與照明、工藝設(shè)備和其他系統(tǒng)等車輛基地族庫(kù)的構(gòu)建。

3.1 線路及站場(chǎng)族

在線路及站場(chǎng)族模型中（見圖4），鋼軌利用拉伸形成參數(shù)化族；軌枕和扣件利用拉伸、融合、剪切等功能制成稍微復(fù)雜的固定族；軌道利用拉伸、融合、放樣融合、放樣、剪切等形成較為復(fù)雜的固定族；車擋將鋼軌、螺栓、車擋部件等進(jìn)行整合，形成固定族；道路參數(shù)化族可實(shí)現(xiàn)道路寬度、長(zhǎng)度、路面材質(zhì)（混凝土或者瀝青）及路面標(biāo)識(shí)的參數(shù)化建模；排水溝利用融合放樣建模，可實(shí)現(xiàn)溝寬、壁厚、長(zhǎng)度、坡度的參數(shù)化；道床參數(shù)化建模，道床長(zhǎng)度可定義。

圖4 線路及站場(chǎng)族模型

3.2 房屋建筑族

在房屋建筑族模型中（見圖5），承臺(tái)和樁利用拉伸形成參數(shù)化族，完成單樁、雙樁、三樁、四樁及多樁承臺(tái)族；吊車梁利用拉伸、融合、剪切等方式，嵌套螺栓孔、肋板、支座墊板、柱連接件等，形成吊車梁族；型鋼和桁架利用拉伸、放樣融合，形成可變截面H型鋼族和桁架族；網(wǎng)架利用體量模型創(chuàng)建基本單元作為內(nèi)嵌族，生成網(wǎng)架，長(zhǎng)度、寬度參數(shù)化；電纜溝采用基于線的公制常規(guī)模型、拉伸，形成電纜溝族；電纜井利用拉伸、陣列等制作成固定族，電纜井長(zhǎng)度、支架數(shù)量參數(shù)化調(diào)整；強(qiáng)弱電管排利用拉伸形成參數(shù)化族；柱式檢查坑運(yùn)用拉伸、放樣、陣列等方式，將檢查坑基礎(chǔ)、踏步、小立柱及軌道綜合成檢查坑族；作業(yè)平臺(tái)利用拉伸形成作業(yè)平臺(tái)參數(shù)化族；參考設(shè)備供應(yīng)商施工圖設(shè)備基礎(chǔ)資料利用拉伸、融合、剪切、放樣等命令，完成清洗區(qū)、靜載試驗(yàn)臺(tái)、稱重設(shè)備、不落輪旋床、洗車機(jī)、固定架車機(jī)等設(shè)備基礎(chǔ)族的制作。

圖5 房屋建筑族模型

3.3 機(jī)電和系統(tǒng)族

機(jī)電專業(yè)常規(guī)系統(tǒng)自帶族庫(kù)和市面上Revit族庫(kù)插件已較為成熟。梳理車輛基地機(jī)電專業(yè)常用設(shè)施。通風(fēng)空調(diào)包括冷熱源設(shè)備、采暖設(shè)備、空調(diào)設(shè)備、通風(fēng)設(shè)備、風(fēng)系統(tǒng)、水系統(tǒng)和其他。給排水及消防包括給水附件、排水附件、閥門、設(shè)備、消防、管道、支架和室外附屬等。動(dòng)力與照明包括動(dòng)力配電系統(tǒng)、橋架系統(tǒng)和接地系統(tǒng)等。針對(duì)車輛基地工程特點(diǎn)，通過拉伸、融合和剪切，建立參數(shù)化族，查漏補(bǔ)缺。

在接觸網(wǎng)和信號(hào)系統(tǒng)族模型中（見圖6），利用拉伸、融合、剪切、放樣等命令，完成信號(hào)機(jī)、轉(zhuǎn)轍機(jī)、接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)、接觸網(wǎng)拉線基礎(chǔ)族的制作。

圖6 接觸網(wǎng)和信號(hào)系統(tǒng)族模型

3.4 車輛和工藝設(shè)備族

車輛和工藝設(shè)備，從車輛制造商和設(shè)備供應(yīng)商收集族創(chuàng)建所需的各類幾何信息圖紙，包括設(shè)施設(shè)備對(duì)象的平、立、剖及軸側(cè)圖等。利用Sketchup和Solidworks等三維軟件完成相應(yīng)設(shè)備的建模后，模型導(dǎo)入Revit，形成車輛和工藝設(shè)備族（見圖7、圖8）。

圖7 地鐵A型車族（4編組）

圖8 工藝設(shè)備族

4 車輛基地族庫(kù)的工程應(yīng)用

基于Revit建立了車輛基地標(biāo)準(zhǔn)化族庫(kù)，將其應(yīng)用于某海外車輛基地工程BIM建模實(shí)例。

4.1 工程概況

某海外車輛基地（見圖9）設(shè)計(jì)規(guī)模為大架修3列位、定修2列位、雙周三月檢5列位、停車列檢20列位，主要單體有檢修主廠房、雙周三月檢庫(kù)、停車列檢庫(kù)、物資總庫(kù)、調(diào)機(jī)及工程車庫(kù)、洗車庫(kù)、綜合維修車間、OCC等，總建筑面積約78 000 m2。

圖9 某海外車輛基地平面布置

4.2 車輛基地建模

采用Revit軟件，載入車輛基地標(biāo)準(zhǔn)化族庫(kù)，根據(jù)設(shè)備設(shè)施型號(hào)，在族庫(kù)中選擇合適的設(shè)施設(shè)備進(jìn)行導(dǎo)入，調(diào)整修改相關(guān)參數(shù)，然后進(jìn)行各分部的裝配，構(gòu)建完整的車輛基地BIM總裝模型，包括場(chǎng)坪、股道、道路、管線、建筑、結(jié)構(gòu)、通風(fēng)空調(diào)、給排水及消防、動(dòng)照等三維模型。運(yùn)用庫(kù)、檢修主廠房和車輛基地總裝BIM模型分別見圖10—圖12。

圖10 運(yùn)用庫(kù)BIM模型

圖11 檢修主廠房BIM模型

圖12 某海外車輛基地BIM模型全景

4.3 可視化實(shí)景漫游

車輛基地BIM模型創(chuàng)建完成后，可將其導(dǎo)入渲染軟件，針對(duì)不同設(shè)施匹配不同材質(zhì)，制定相機(jī)路徑和拍攝視角，進(jìn)行渲染，生成動(dòng)畫視頻，實(shí)現(xiàn)車輛基地模型的三維實(shí)景漫游。此外，還可將BIM模型與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，VR）結(jié)合，利用VR的沉浸式特點(diǎn)對(duì)工程BIM模型進(jìn)行較為直觀的體驗(yàn)、互動(dòng)與分析（見圖13）。

圖13 車輛基地的三維實(shí)景漫游景象

4.4 碰撞檢查與優(yōu)化

在總裝模型基礎(chǔ)上，對(duì)綜合管線進(jìn)行碰撞檢查與設(shè)計(jì)優(yōu)化（見圖14）。對(duì)房建、設(shè)備、管線等構(gòu)件進(jìn)行干涉分析，快速檢測(cè)碰撞位置，優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效減少差錯(cuò)漏碰，提高工程質(zhì)量，降低投資。

圖14 綜合管線碰撞檢查與優(yōu)化

4.5 日照模擬分析

模擬車輛基地日照條件，確定各建筑單體在當(dāng)?shù)厝照障碌恼趽跖c投影狀況，綜合分析判斷不同單體開窗面積及位置，實(shí)現(xiàn)節(jié)能綠色建筑設(shè)計(jì)（見圖15）。

圖15 日照模擬分析

5 結(jié)束語

分析構(gòu)建車輛基地族庫(kù)的必要性，從族庫(kù)開發(fā)技術(shù)路線、族庫(kù)分類、族庫(kù)的命名與編碼、參數(shù)化族創(chuàng)建流程等方面闡述了車輛基地族庫(kù)的構(gòu)建方法。以現(xiàn)有設(shè)計(jì)軟件Revit為工具，系統(tǒng)性研究并構(gòu)建了車輛基地標(biāo)準(zhǔn)化族庫(kù)。將其應(yīng)用于某海外車輛基地工程設(shè)計(jì)實(shí)例，通過參數(shù)化族實(shí)現(xiàn)設(shè)施設(shè)備的批量放置、一族多用、批量修改等功能，節(jié)省了BIM建模時(shí)間，提高了車輛基地信息模型的建模效率。最后，從BIM模型可視化實(shí)景漫游、碰撞檢查與優(yōu)化和日照模擬分析等方面研究了族庫(kù)快速建模的工程應(yīng)用，對(duì)推動(dòng)車輛基地BIM正向設(shè)計(jì)具有重要意義。