BIM技術在鐵路機務段設計中的應用

鬧加才讓

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

目前BIM(Building Information Modeling)技術在民用建筑領域得到了一定發展，展示出強大的能力及生命力，為后續勘察設計的發展提供了無限的遐想空間。但BIM技術在鐵路場段設計中的應用尚處于起步和探索階段。以西安站改兩段項目為依托，嘗試在鐵路機務段領域使用BIM技術開展設計。通過使用BIM技術，提高了設計質量，為BIM技術在鐵路場段設計應用打下堅實基礎[1-3]。

1 工程概況

西安客車段、機務段搬遷是西安站改工程“三步走”的第二步，機務段為新建遷建機務段，位于西安車站東側，原西安東貨場內。機務段主要擔當樞紐內客運機車的牽引任務，承擔樞紐內客運機車年修(小輔修)及以下修程的檢修任務。

西安機務段東西側各有1處機車出入段線，南北側共設置1處主出入口，2處次出入口共3處出入段道路，占地約17 hm2，生產辦公房屋共14座，總建筑面積為6.7×104m2，燃油儲存能力為320 m3。

機務段內設整備場1處，與出入段線順接，含電力整備待班線8股道，內燃整備待班線1股道。整備場北側設機車檢修庫1座，與段出入段線順接，主庫含6股道12個小輔修臺位，其中2個不落輪鏇輪臺位，1個快速落輪臺位。段內另設有檢修設備綜合樓、材料庫材料棚、空壓機間、蓄電池間、變電所以及設備車間機加工間等生產辦公用房。

另段內設置有通信電纜管線、電力電纜管線、壓縮空氣管線、冷卻水管線、機油管線、柴油管線、采暖管、熱水管、給排水與消防管道等數十種管線。將除雨水、部分污水管道等管線全部設置在綜合管溝內。

BIM技術具有傳統二維設計所無法比擬的可視性、虛擬性等特點[4]。為提高設計質量，減少了項目實施中的返工、窩工及材料浪費，本項目在施工圖階段運用BIM技術進行機務段設計。

本次機務段BIM設計涵蓋站場、軌道、橋涵、機務、室外給排水、室內給排水、建筑、結構、暖通、電力、接觸網、通信、信息、環保共14個專業，系統性強、各專業間接口復雜。為指導現場施工，控制工程變更，提高施工質量，本工程采用BIM技術進行可視化設計，整合后的最終BIM模型見圖1。

圖1 西安站改兩段全專業整合后BIM模型

2 BIM設計軟件解決方案

本項目主要采用歐特克公司Civil 3D、Inventor、Revit、Navisworks Manage及部分第三方軟件進行BIM設計，由于機務段設計涵蓋專業眾多，根據各專業不同特點，采用的設計思路為在Revit或其他軟件中建立族庫模型，然后導入Revit軟件進行各專業協同設計，最后將各專業模型導入Navisworks軟件中進行整合及碰撞檢測等后處理工作[5]。

2.1 族庫建立

本項目設計采用歐特克公司的Revit軟件，軟件本身的族庫遠遠不能滿足鐵路段場建模設計的需要，在實際操作中，對各專業族庫的完善是最重要的一項工作。

各專業結合專業特點，通過研究軟件接口，選擇了合理的軟件進行建模(如設備建模采用Inventor軟件)，然后導入Revit軟件中建立族文件，添加屬性參數。建筑結構及管線專業建立族庫模型均采用Revit軟件。見圖2。

圖2 各專業族文件建立示例

2.2 協同設計

2.2.1 協同設計平臺

以Revit Server作為協同設計平臺，各專業可實現本地文件與服務器中心文件同步更新，供其他專業使用，同時也能及時獲取其他專業最新模型。

2.2.2 文件鏈接

各專業設計時，采用文件鏈接形式將其他專業模型載入到本專業模型中開展設計工作。如機務、風水電專業將房建模型鏈接到本專業模型中，采用“復制/監視”工具建立本地文件高程，然后進行BIM設計。這樣可以保證當鏈接模型高程發生變化時，本地文件能夠及時獲取信息以進行調整。圖3所示為機務專業在房建模型基礎上完成的機務設備BIM設計。

圖3 檢修庫機務設備布置BIM設計

2.2.3 共享坐標

室內各專業BIM設計中，以房建專業A-1軸作為項目基點進行設計，但總圖中各室內專業坐標位置均會發生變化，此時可采用共享坐標工具，對各室內專業建立另一個總圖坐標，此時1個模型對應有2套坐標體系。當進行總圖模型整合時，采用共享的總圖坐標進行鏈接即可。

2.3 模型整合

由于機務段設計涵蓋專業廣，各專業模型整合后體量大，Revit軟件占用系統資源大，很難實現各專業模型整合功能，實際操作中利用與Revit軟件具有良好的數據接口的Navisworks軟件作為整合平臺，集中展示各專業模型。如圖4～圖6所示。

圖4 室外整合模型

圖5 室外管網整合模型

圖6 檢修庫整合模型

3 BIM設計流程

根據傳統設計經驗，并結合BIM技術特點，梳理了一套BIM設計流程，詳見圖7，主要內容如下。

3.1 總圖方面

(1)機務專業完成場段二維總平面布置草圖，并將總圖提供給站場專業進行優化。

(2)站場專業確定本次設計所采用的坐標系統，坐標原點。對機務提供的總圖進行優化，完成場地BIM設計(包含場地、道路、圍墻、站場排水溝等)，提交各專業。

(3)各室外專業根據機務專業要求，將站場總圖作為鏈接文件，開展BIM設計，完成相關設計工作(如室外給排水、軌道、供電設計等)。

(4)結合各室外管線專業資料，機務專業提供管綜二維圖資料，結構專業根據資料建立管溝模型，并提交各專業進行室外管線BIM設計。

(5)各管線專業根據管溝、場地、房屋模型，完成室外綜合管線設計并提交給機務專業匯總。

(6)機務專業整合各專業管線模型，檢查各專業管線模型是否無誤，若有問題需及時聯系相關專業調整，最終完成準確的管線綜合模型。

(7)機務專業將室外各專業模型進行整合，并進行碰撞檢測，整理碰撞檢測報告。

(8)碰撞檢測報告整理完成后，總體組織各專業設計人員進行對接討論，確定碰撞問題解決方案及原則，重新調整設計，直到無碰撞為止。

3.2 單體方面

(1)機務專業向房建專業提供機務生產用房平面布置草圖，并向水暖電及系統等專業提出設計要求。

(2)房建專業根據機務及各專業要求，完成單體BIM設計并下發各專業。

(3)各專業以房建模型為鏈接文件，進行BIM設計，完成相關建模工作(如機務設備布置、風水電、軌道、供電設計等)。

(4)建筑專業將各單體室內各專業模型進行整合，并進行碰撞檢測，整理碰撞檢測報告。

(5)碰撞檢測報告整理完成后，總體組織各專業設計人員進行對接討論，確定碰撞問題解決方案及原則，重新調整設計，直到無碰撞為止。

4 BIM設計應用

4.1 二維圖紙生成

Revit軟件可在BIM模型任意位置生成傳統2D的平面布置圖、剖面圖和正視圖[6]，以機務專業為例，將房建專業BIM模型作為鏈接文件載入機務專業設計項目文件中，通過“復制/監視”工具建立軸網高程，然后進行設備平、剖面圖設計，平、剖面圖整理，添加注釋等工作，最后新建符合要求的圖紙(包含圖框、簽署欄等)，將平面圖、剖面圖載入圖紙中，添加圖例、設備表等，生成的機加工間機務設備平面布置如圖8所示。Revit同時支持將生成的二維圖導出為DWG格式文件。

圖7 機務段BIM設計流程

圖8 機加工間機務設備平面布置

4.2 模型屬性添加及工程量統計

BIM設計可以將設備參數添加到模型屬性中，方便其他專業查看設備屬性，進行設計，且有利于設備后期運營維護。

圖9所示為在Navisworks軟件中進行設備屬性查看。

圖9 設備屬性查看

對不同構件添加信息后，在Revit軟件中可以準確統計出模型中各類信息。方便設計人員查看相關明細，同時可導出為文本文件，用Excel表格打開，進行工程量統計，圖10為Revit軟件中生成的機加工間機務設備表。

圖10 機加工間設備表生成

建筑專業也可以通過Revit軟件快速統計門窗型號、數量等信息，圖11為Revit軟件中生成的檢修庫窗明細表。

圖11 檢修庫窗明細表生成

4.3 碰撞檢測

目前管線設計中常會出現設計變更，造成工期延誤、材料浪費等問題。利用BIM技術對管線進行綜合碰撞分析，可以快速定位碰撞位置，在設計階段就解決大量碰撞問題，避免將碰撞問題留到施工階段解決。有效地提高了設計質量，并在一定程度上降低了施工成本。

本項目中設有通信電纜管線、電力電纜管線、壓縮空氣管線、冷卻水管線、機油管線、柴油管線、采暖管、熱水管、給排水與消防管道等數十種管線，并設有地下綜合管溝，管線錯綜復雜，難以避免會出現大量碰撞問題[7]，本次設計采用Navisworks軟件中的Clash Detective模塊進行各專業碰撞檢測，制定好碰撞規則后，各專業兩兩進行檢測，每組碰撞均生成報告文件。各專業負責人根據碰撞結果協商討論，對碰撞檢測結果進行篩查，去除偽碰撞。圖12為軌道道砟與接觸網基礎之間的碰撞，經核實后設計無誤，此處為可忽略的偽碰撞。圖13為檢修庫中暖通風管與結構主梁之間的碰撞，此處需要暖通專業降低管線高程。

圖12 軌道道砟與接觸網基礎之間的碰撞

圖13 暖通風管與結構主梁之間的碰撞

根據篩查后的碰撞檢測報告，進行優化設計，各專業設計人員根據碰撞避讓原則和相關規范進行協商，重新設計碰撞部位的管線走向。通過再次建模，檢測管線修改后是否有新問題產生，直到確定模型中原有碰撞問題均已解決且不產生新的碰撞后重新出圖，確保在施工過程中不出現碰撞問題，避免出現廢棄工程，造成經濟損失及影響工期。圖14和圖15分別為段內某處室外管線碰撞及優化后的模型。

圖14 原設計室外某處管線碰撞

圖15 優化設計后的管線模型

4.4 移動端展示

通過建立云服務器，實現模型在辦公電腦及移動終端(如iPad)中同步，尤其適用于在施工現場使用移動終端指導施工，極大地方便施工人員現場確定施工方案，對照模型檢查施工成果(圖16)。

圖16 移動端BIM模型展示

4.5 模型渲染及動畫制作

采用Navisworks中的Autodesk Rendering及Animator模塊可對模型進行渲染及漫游動畫制作，通過渲染圖片及漫游動畫，可使業主及施工單位更清楚地了解到設計意圖，減少溝通障礙，圖17為機務段檢修庫內各專業模型整合后的渲染圖。

圖17 檢修庫內BIM模型渲染效果

5 結語

在遷建西安機務段工程BIM設計過程中，采用Autodesk Revit及部分第三方軟件進行BIM設計，Autodesk Navisworks Manage進行模型整合，實現了所有構筑物的建模及精確定位。本次BIM設計將所涉及的各專業工程內容全部進行三維設計，利用BIM技術建立并完善了基本專業族庫，構建一個覆蓋全專業的數字化仿真模型，真實反映各專業接口信息和工程體量。

應用BIM技術，能夠解決二維設計中很難避免的管線碰撞問題，這種方法能夠減少管線綜合設計中的錯、漏、碰、缺問題，并能夠清楚地表達設計人員的設計意圖，方便施工人員確定現場施工方案。

在進行鐵路工程BIM設計時，只有遵循統一的技術標準才能使BIM信息在工程建設各階段有序傳遞[8-10]。本項目設計初期并未制定一個詳細的技術標準，導致在后續交付模型時，部分專業出現了交付模型精度不夠、未添加屬性信息、模型材質與實際不符、定位有誤等問題。因此有必要在BIM應用研究試點的同時，開展BIM 標準體系的研究，以在大范圍開展專業BIM應用時，統一指導、規范應用[11-12]。

本項目主要為施工圖階段BIM設計，對于運維階段并沒有很好的應用，還存在設備信息不全、無法實現設備資產管理、維修指導等問題。隨著近幾年科技發展，BIM技術可結合物聯網、VR、3D打印技術進行更全面深入的應用[13-18]。

在高速鐵路快速發展的大趨勢下，對設計文件可視化、信息化的需求日益迫切，三維設計技術勢必是未來鐵路設計行業的發展趨勢[19]。本項目為我院在大型鐵路工程BIM設計領域積累了寶貴經驗，也是我院利用BIM設計手段開展大型鐵路工程設計的良好開端[20]。