車輛段BIM正向設(shè)計(jì)研究

金永樂(lè)

(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(lái)越多的工程實(shí)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(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營(yíng)管理的技術(shù)水平，實(shí)現(xiàn)建設(shè)項(xiàng)目全生命周期的管理信息化，具有巨大的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。隨著全國(guó)鐵路和城市軌道交通項(xiàng)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(lái)，鐵路BIM聯(lián)盟陸續(xù)發(fā)布了《鐵路工程實(shí)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(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)》等11項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)和指南。這些標(biāo)準(zhǔn)的編制與發(fā)布，將對(duì)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(shí)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(cè)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(jì)應(yīng)用方面，中鐵一院以西安站改客車段工程項(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)[8]；中鐵二院在長(zhǎng)沙市軌道交通2號(hào)線黃興車輛段的設(shè)計(jì)中采用BIM技術(shù)進(jìn)行室外綜合管線設(shè)計(jì)，顯著提高了綜合管線設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量；中鐵四院在武漢地鐵2號(hào)線常青花園車輛段的設(shè)計(jì)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(jì)的流程和方法，并利用BIM模型進(jìn)行碰撞檢測(cè)。

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

1 車輛段BIM設(shè)計(jì)特點(diǎn)

1.1 BIM設(shè)計(jì)主要優(yōu)勢(shì)

(1)設(shè)計(jì)協(xié)同化

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，各專業(yè)間采用CAD外部參照的形式進(jìn)行配合，每個(gè)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(jì)協(xié)調(diào)交叉作業(yè)頻繁。且各圖紙間無(wú)關(guān)聯(lián)，遇到設(shè)計(jì)修改時(shí)，需對(duì)所有圖紙逐一修改。這導(dǎo)致傳統(tǒng)設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)效率低下，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，同時(shí)容易發(fā)生差錯(cuò)漏碰。鐵路項(xiàng)目周期長(zhǎng)、變動(dòng)多，更是容易放大上述問(wèn)題。在正向BIM協(xié)同設(shè)計(jì)中，各專業(yè)均基于同一模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，模型的每一處修改，對(duì)各專業(yè)的反饋都是即時(shí)、同步、一致的，且各專業(yè)可同時(shí)對(duì)同一個(gè)文件進(jìn)行操作，整個(gè)模型設(shè)計(jì)的過(guò)程即是專業(yè)協(xié)調(diào)的過(guò)程，這不僅節(jié)省了大量的修改及核對(duì)時(shí)間，也保證了修改結(jié)果的精確性。

(2)設(shè)計(jì)模擬化

在傳統(tǒng)的建筑設(shè)計(jì)中，模擬是薄弱的環(huán)節(jié)，與設(shè)計(jì)的結(jié)合并不緊密。BIM技術(shù)可以在設(shè)計(jì)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(shí)，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(jì)意圖，減少變更和返工，提高整個(gè)行業(yè)的效率。

1.2 車輛段BIM設(shè)計(jì)特點(diǎn)

車輛段是實(shí)現(xiàn)列車整備運(yùn)用和檢修的場(chǎng)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(jì)具有設(shè)計(jì)體量大、各專業(yè)接口多等特點(diǎn)，除系統(tǒng)專業(yè)外，車輛段設(shè)計(jì)內(nèi)容主要分兩大塊：站場(chǎng)設(shè)計(jì)(含線路、路基、橋涵)和單體建筑設(shè)計(jì)(含房建、機(jī)電)。車輛段采用BIM設(shè)計(jì)具備以下特點(diǎn)：

(1)專業(yè)的鐵路線路BIM設(shè)計(jì)軟件并不完全適合車輛段的站場(chǎng)線路設(shè)計(jì)。車輛段選址一般位于場(chǎng)地相對(duì)平整的開(kāi)闊地，占地面積大，場(chǎng)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(jì)軟件的線路平縱斷面設(shè)計(jì)、自動(dòng)結(jié)合地形生成路基放坡等功能在車輛段站場(chǎng)設(shè)計(jì)中基本用不上。車輛段站場(chǎng)線路設(shè)計(jì)更適宜采用先通過(guò)二維設(shè)計(jì)，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(jì)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(jì)以工藝功能為核心。車輛段廠房自身并沒(méi)有復(fù)雜特殊的建筑元素，廠房設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是車間組合形式。作為廠房的最小單元，每個(gè)車間的設(shè)計(jì)根據(jù)功能基本可以實(shí)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(yùn)用、檢修工藝需求進(jìn)行定制。

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

2 車輛段站場(chǎng)BIM設(shè)計(jì)思路

2.1 站場(chǎng)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

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

在初步設(shè)計(jì)階段，一般通過(guò)對(duì)地形圖進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用插值法估算每個(gè)網(wǎng)格高程來(lái)近似統(tǒng)計(jì)土石方量；在施工圖階段，一般通過(guò)計(jì)算各個(gè)地質(zhì)斷面土方數(shù)據(jù)來(lái)統(tǒng)計(jì)土石方量。總的來(lái)講，這兩種都是比較原始的統(tǒng)計(jì)方法，統(tǒng)計(jì)工作量大，設(shè)計(jì)效率低下。

2.2 站場(chǎng)總平面BIM設(shè)計(jì)思路

Revit設(shè)計(jì)平臺(tái)是面向建筑工程的三維設(shè)計(jì)軟件，不具備站場(chǎng)軌道等鐵路專用元素的設(shè)計(jì)功能。要實(shí)現(xiàn)站場(chǎng)軌道、軌枕、道床等設(shè)施的設(shè)計(jì)，須從0開(kāi)始建模，工作量非常大。因此要在Revit平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)站場(chǎng)設(shè)計(jì)，須對(duì)平臺(tái)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，訂制站場(chǎng)快速設(shè)計(jì)工具。

根據(jù)站場(chǎng)以平面設(shè)計(jì)為主的特點(diǎn)，總圖設(shè)計(jì)依然基于AutoCAD進(jìn)行，重點(diǎn)開(kāi)發(fā)將二維站場(chǎng)總圖快速轉(zhuǎn)換為三維模型的工具。該工具須實(shí)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(dú)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(chǎng)線路。

為實(shí)現(xiàn)整個(gè)車輛段設(shè)計(jì)功能，采用DANAMO參數(shù)化工具進(jìn)行站場(chǎng)設(shè)計(jì)工具的開(kāi)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(chǎng)土石方工程BIM設(shè)計(jì)思路

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

(1)在前期研究階段，通過(guò)無(wú)人機(jī)傾斜攝影，生成三維地表模型，對(duì)三維地表模型進(jìn)行布爾運(yùn)算，計(jì)算土石方工程量。

(2)在初步設(shè)計(jì)階段，開(kāi)發(fā)二維地形圖轉(zhuǎn)化為三維地表模型的軟件工具，通過(guò)識(shí)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(kāi)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(guò)識(shí)別每個(gè)二維地質(zhì)斷面圖中的數(shù)據(jù)等信息，對(duì)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(jì)算。

3 車輛段建筑單體BIM設(shè)計(jì)思路

3.1 常規(guī)設(shè)計(jì)模式

車輛段建筑單體常規(guī)設(shè)計(jì)流程：(1)車輛(工藝)專業(yè)根據(jù)計(jì)算規(guī)模、設(shè)計(jì)需求等開(kāi)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(jì)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(kāi)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(jì)要求資料，并開(kāi)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(jiàn)；(5)根據(jù)反饋意見(jiàn)，房建專業(yè)修改資料，再開(kāi)放第二版平立剖圖，各專業(yè)在此基礎(chǔ)上開(kāi)展設(shè)計(jì)。

這個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程在傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)模式下，并沒(méi)有太多的問(wèn)題。但在三維設(shè)計(jì)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(jiàn)，對(duì)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(jì)大很多。其模式設(shè)計(jì)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(jiàn)，修改后再生成初始建筑BIM模型供其他專業(yè)反饋意見(jiàn)，然后再修改，最后由各個(gè)專業(yè)一起設(shè)計(jì)完成最終BIM模型。

圖1 建筑單體常規(guī)設(shè)計(jì)流程示意圖

3.2 以功能為導(dǎo)向的BIM設(shè)計(jì)思路

針對(duì)上述設(shè)計(jì)問(wèn)題，結(jié)合車輛段單體建筑的功能特點(diǎn)，本文提出一種全新的以功能為導(dǎo)向的車輛段BIM設(shè)計(jì)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(jì)過(guò)程簡(jiǎn)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(guò)程。人員投入從各個(gè)專業(yè)全程參與簡(jiǎn)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(jì)流程，如圖2所示。

圖2 以功能為導(dǎo)向的BIM設(shè)計(jì)流程示意圖

這種設(shè)計(jì)思路的核心是將常規(guī)設(shè)計(jì)流程的(1)、(2)、(3)三個(gè)環(huán)節(jié)簡(jiǎn)化為一個(gè)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(jì)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(jì)。車輛(工藝)專業(yè)在設(shè)計(jì)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(zhǎng)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(diǎn)、排水點(diǎn)。(3)車輛(工藝)設(shè)備分布、設(shè)備電源引入點(diǎn)、電源功率等接口信息。

實(shí)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(diǎn)：

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

(2)建筑單體設(shè)計(jì)軟件二次開(kāi)發(fā)。針對(duì)每個(gè)單體的特點(diǎn)，通過(guò)整理歸納通用圖集，開(kāi)發(fā)快速生成設(shè)計(jì)軟件。如在車輛段運(yùn)用庫(kù)的BIM設(shè)計(jì)軟件開(kāi)發(fā)中，通過(guò)輸入停車列檢規(guī)模、規(guī)范線間距等計(jì)算指標(biāo)，并選擇組合形式，便可快速生成運(yùn)用庫(kù)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(jì)思路

基于對(duì)站場(chǎng)和建筑單體分項(xiàng)設(shè)計(jì)的研究，搭建一套基于Revit平臺(tái)的車輛段BIM設(shè)計(jì)體系，如圖3所示。

圖3 基于Revit平臺(tái)的車輛段BIM設(shè)計(jì)體系示意圖

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

(1)站場(chǎng)智能設(shè)計(jì)軟件(ZQAD)。基于穩(wěn)定的二維總圖方案，快速實(shí)現(xiàn)站場(chǎng)標(biāo)注、橫斷面出圖等工作，現(xiàn)有的站場(chǎng)設(shè)計(jì)軟件基本能滿足該功能。

(2)站場(chǎng)快速BIM設(shè)計(jì)軟件(ZQBD)。在Revit平臺(tái)上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，輸入地質(zhì)、地形等信息，實(shí)現(xiàn)站場(chǎng)從二維總圖向三維BIM模型快速轉(zhuǎn)換，同時(shí)快速提供土石方量等工程量統(tǒng)計(jì)。

(3)車輛段快速BIM設(shè)計(jì)系列軟件(CQBD)。這個(gè)軟件在整個(gè)正向設(shè)計(jì)體系中最為核心，以車輛段功能需求作為導(dǎo)向，實(shí)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。基于Revit平臺(tái)與PKPM等結(jié)構(gòu)分析軟件的接口關(guān)系，實(shí)現(xiàn)BIM模型與結(jié)構(gòu)計(jì)算模型互導(dǎo)。

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)車輛段設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行研究，在站場(chǎng)設(shè)計(jì)和建筑單體設(shè)計(jì)方面分別提出了BIM正向設(shè)計(jì)思路，并搭建了車輛段正向設(shè)計(jì)體系，該設(shè)計(jì)體系離不開(kāi)大量的設(shè)計(jì)軟件定制和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)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(jì)的效率。