基于BIM技術(shù)的全自動駕駛地鐵車輛基地設(shè)計(jì)研究

鬧加才讓，程中國，宗 超，巴文博

（1. 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；2. 青島地鐵集團(tuán)有限公司，青島 266045）

近年來，隨著BIM技術(shù)在軌道交通行業(yè)的逐步普及，其信息化程度要求也越來越高[1]。車輛基地是城市軌道交通系統(tǒng)中體量龐大、系統(tǒng)繁雜、接口眾多的綜合性單項(xiàng)工程。其設(shè)計(jì)過程中存在參與專業(yè)多，協(xié)調(diào)難度大；管線復(fù)雜，難以避免碰撞；工藝可視化差，難以展示等難點(diǎn)[2-3]。BIM技術(shù)的出現(xiàn)為城市軌道交通工程的發(fā)展提供了巨大推力，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)以青島地鐵 6號線抓馬山車輛基地項(xiàng)目為依托，在地鐵車輛基地領(lǐng)域使用BIM技術(shù)開展施工圖階段設(shè)計(jì)工作。通過使用BIM技術(shù)，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量，為BIM技術(shù)在地鐵場段設(shè)計(jì)應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 工程概況

青島地鐵6號線線路全長約57.6 km，全線設(shè)1段2場共3處車輛基地。項(xiàng)目分三期建設(shè)，一期工程起點(diǎn)為辛屯路站，終點(diǎn)為生態(tài)園站，線路全長30.492 km，設(shè)抓馬山車輛基地1處，由本線一期工程中間站抓馬山車站接入。

抓馬山車輛基地選址位于青島市黃島區(qū)，占地面積約30 hm2，由中間站抓馬山車站接入。段址區(qū)域內(nèi)地勢起伏較大，現(xiàn)狀地形高程在18.8～61.9 m。段址所在范圍主要有汽車修理廠、停車場及少量農(nóng)田等。

抓馬山車輛基地定位為定修段，主要負(fù)責(zé)地鐵 6號線的車輛停放、檢修、運(yùn)用及日常維護(hù)保養(yǎng)等，主要任務(wù)包括：配屬車輛的停放、運(yùn)用、清掃、洗刷、消毒、列檢任務(wù)，月檢、周檢任務(wù)，定修、臨修任務(wù)，以及救援、綜合維修和乘務(wù)作業(yè)等任務(wù)。抓馬山車輛基地考慮上蓋物業(yè)開發(fā)，同時(shí)按照全自動駕駛場段進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中停車列檢庫、洗車庫、試車線為自動化區(qū)域；檢修庫、鏇輪庫、調(diào)機(jī)/工程車庫及卸料線為人工駕駛區(qū)域，調(diào)機(jī)牽出線兼做轉(zhuǎn)換軌使用。車輛基地共15座單體，總建筑面積約19萬m2。

本次車輛基地BIM設(shè)計(jì)涵蓋工藝、站場、路基、橋涵、建筑、結(jié)構(gòu)、暖通、給排水、動照、管線綜合、軌道、接觸軌、供電、出入線區(qū)間、景觀共15個(gè)專業(yè)，系統(tǒng)性強(qiáng)、各專業(yè)間接口復(fù)雜。為指導(dǎo)現(xiàn)場施工，控制工程變更，提高施工質(zhì)量，本工程采用BIM技術(shù)進(jìn)行可視化設(shè)計(jì)，整合后的BIM總圖模型見圖1、圖2。

圖1 抓馬山車輛基地總圖整合BIM模型Figure 1 BIM integration model of Zhuamashan metro depot

圖2 抓馬山車輛基地蓋下部分總圖整合BIM模型Figure 2 BIM model under the cover plate of the Zhuamashan metro depot

2 BIM設(shè)計(jì)軟件解決方案

本項(xiàng)目BIM設(shè)計(jì)主要采用了Project Wise、Revit、Civil 3D、Inventor、Navisworks、Lumion及自主開發(fā)的軟件工具，由于車輛基地設(shè)計(jì)涵蓋專業(yè)眾多，根據(jù)各專業(yè)不同特點(diǎn)，采用的設(shè)計(jì)思路為首先建立并完善Revit族庫文件，然后在 Revit軟件進(jìn)行各專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)，最后將各專業(yè)模型導(dǎo)入Navisworks及Lumion軟件中進(jìn)行整合及碰撞檢測等后處理工作[4]。

2.1 軟件二次開發(fā)

2.1.1 地鐵車輛基地模塊化輔助設(shè)計(jì)工具

車輛基地工程具有構(gòu)件數(shù)量龐大、種類繁雜的特點(diǎn)。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)主要采用歐特克公司的Revit軟件，軟件本身自帶的族庫模型遠(yuǎn)不能滿足地鐵段場建模設(shè)計(jì)的需要，在實(shí)際操作中，對各專業(yè)族庫的完善是最重要的一項(xiàng)工作[5]。為解決族庫構(gòu)件缺乏及管理問題，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)基于Revit平臺自主開發(fā)了“地鐵車輛基地模塊化輔助設(shè)計(jì)”工具，囊括了十余個(gè)專業(yè)BIM構(gòu)件庫，同時(shí)具備構(gòu)件參數(shù)信息快速導(dǎo)入導(dǎo)出、明細(xì)表快速生成等功能，方便設(shè)計(jì)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)工作，軟件界面如圖3。

圖3 地鐵車輛基地模塊化輔助設(shè)計(jì)工具界面Figure 3 Interface of the metro depot auxiliary design tool

高效率高質(zhì)量建模是BIM技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)，構(gòu)件參數(shù)化設(shè)計(jì)是二次開發(fā)中需要首要解決的問題[6]。本項(xiàng)目對部分重復(fù)使用構(gòu)件進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了輸入尺寸參數(shù)即可驅(qū)動建模的目的，大幅提高設(shè)計(jì)效率。圖4為雙層作業(yè)平臺參數(shù)化設(shè)計(jì)。

圖4 雙層作業(yè)平臺構(gòu)件參數(shù)化設(shè)計(jì)Figure 4 Parametric design of the double-deck operation platform

建筑信息模型可承載軌道交通設(shè)施設(shè)備的大量信息，為建筑全生命周期服務(wù)[7]。本工程將設(shè)備參數(shù)信息添加到模型屬性中，方便其他專業(yè)查看設(shè)備屬性，進(jìn)行設(shè)計(jì)，且有利于后期運(yùn)營維護(hù)(如圖5)。

圖5 起重機(jī)設(shè)備屬性信息Figure 5 Device property information of the crane

2.1.2 鐵路電力BIM輔助設(shè)計(jì)軟件

將基于項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)自主開發(fā)的“鐵路電力BIM輔助設(shè)計(jì)軟件”應(yīng)用于本工程(見圖6)，可快速實(shí)現(xiàn)動力照明設(shè)備布置、導(dǎo)線批量連接、信息添加、負(fù)荷數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)計(jì)算、照明系統(tǒng)圖生成、供電設(shè)備快速布置等功能。

圖6 鐵路電力BIM輔助設(shè)計(jì)軟件工具Figure 6 BIM auxiliary design software of the railway power system

2.1.3 區(qū)間建模軟件

為提高軌道交通工程區(qū)間建模效率，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)基于dynamo可視化編程平臺開發(fā)“區(qū)間建模軟件”(見圖7)，應(yīng)用于車輛基地出入段線區(qū)間建模中，可根據(jù)線路中心線及高程坐標(biāo)文件一鍵生成出入段線明挖區(qū)間結(jié)構(gòu)模型。

圖7 區(qū)間建模軟件界面Figure 7 Interface of the tunnel modeling software

2.2 協(xié)同設(shè)計(jì)平臺

采用ProjectWise軟件作為協(xié)同設(shè)計(jì)平臺，各專業(yè)可實(shí)現(xiàn)本地文件與服務(wù)器中心文件同步更新，供其他專業(yè)使用，同時(shí)也能及時(shí)獲取其他專業(yè)最新模型[8]。

2.3 模型整合

本項(xiàng)目為上蓋物業(yè)開發(fā)車輛基地，為降低整合模型的復(fù)雜性，在BIM設(shè)計(jì)中考慮將站場總圖基線起點(diǎn)作為基點(diǎn)，采用絕對高程進(jìn)行設(shè)計(jì)。各專業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)統(tǒng)一采用相同的總圖樣板文件進(jìn)行定位設(shè)計(jì)，保證總圖坐標(biāo)一致性。

由于車輛基地設(shè)計(jì)涵蓋專業(yè)廣，各專業(yè)模型整合后體量大，設(shè)計(jì)過程中采用文件鏈接形式將其他專業(yè)模型載入到本專業(yè)模型中開展設(shè)計(jì)工作。對總圖模型整合時(shí)不載入單體內(nèi)部模型文件；對各單體模型整合時(shí)僅載入本單體內(nèi)模型，不載入單體以外其他模型。模型后處理工作采用與 Revit軟件具有良好的數(shù)據(jù)接口的Navisworks軟件及Lumion軟件作為整合平臺，集中展示各專業(yè)模型[9]。圖8～圖11所示為車輛基地主要廠房及室外管線模型整合。

圖8 檢修庫整合模型Figure 8 Integrated model of the repair plant

圖9 運(yùn)用庫整合模型Figure 9 Integrated model of the operation plant

圖11 室外管網(wǎng)整合模型Figure 11 Integrated model of the outdoor pipeline

圖10 輔助檢修車間整合模型Figure 10 Integrated model of the auxiliary repair plant

3 BIM設(shè)計(jì)應(yīng)用

3.1 三維傾斜攝影及BIM+GIS技術(shù)應(yīng)用

圖12 三維傾斜攝影技術(shù)生成的地形模型Figure 12 Terrain model generated by the 3D tilt photography

軌道交通工程中利用 BIM+GIS 技術(shù)進(jìn)行平臺技術(shù)架構(gòu)已經(jīng)成為當(dāng)前主流的技術(shù)趨勢[11]。本工程在方案研究階段采用BIM+GIS技術(shù)，將車輛基地BIM模型導(dǎo)入GIS平臺，直觀展現(xiàn)地鐵構(gòu)筑物與周邊環(huán)境關(guān)系，分析比選車輛基地與周邊環(huán)境關(guān)系及布置方案，以便于建設(shè)單位進(jìn)行更好的決策。BIM+GIS技術(shù)應(yīng)用如圖13所示。

圖13 BIM+GIS技術(shù)應(yīng)用Figure 13 Application of the BIM+GIS technology

3.2 設(shè)計(jì)方案比選

針對車輛基地辦公樓、橋梁、邊坡?lián)踝o(hù)等工程，采用 BIM 技術(shù)研究多個(gè)設(shè)計(jì)方案(見圖 14、圖 15)，并進(jìn)行全方位展示，方便建設(shè)單位及設(shè)計(jì)組進(jìn)行決策。

圖14 辦公區(qū)方案比選Figure 14 Scheme comparison of the office area

圖15 邊坡?lián)踝o(hù)方案比選Figure 15 Scheme comparison of the slope protection

3.3 差錯(cuò)漏碰檢測

在傳統(tǒng)模式的施工過程中，常常出現(xiàn)不同專業(yè)構(gòu)筑物之間或構(gòu)筑物與管道之間高程錯(cuò)誤或重疊等影響施工的重大問題，由此引起巨大的經(jīng)濟(jì)損失、人力浪費(fèi)、增加工期等問題[12]。

車輛基地工程涉及專業(yè)廣，信息量繁雜，運(yùn)用BIM技術(shù)，采用漫游查看及碰撞檢測相結(jié)合的方法進(jìn)行差錯(cuò)漏碰檢測，通過可視化應(yīng)用直觀驗(yàn)證各專業(yè)方案的合理性。通過對以往設(shè)計(jì)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，本項(xiàng)目BIM設(shè)計(jì)差錯(cuò)漏碰檢測按以下幾步進(jìn)行。

3.3.1 模型核查

對于完成的第1版BIM設(shè)計(jì)模型，首先需各專業(yè)負(fù)責(zé)人及審核人員核實(shí)模型準(zhǔn)確性，保證圖、模一致，為下一步模型整合及碰撞檢測做好準(zhǔn)備。

3.3.2 漫游查看

采用Navisworks或Lumion軟件將設(shè)計(jì)完成的BIM模型進(jìn)行整合，根據(jù)以往線路整理的車輛基地問題庫資料，對整合后的模型進(jìn)行漫游查看，逐一核對，核查常規(guī)碰撞檢測不易暴露出的設(shè)計(jì)缺陷問題。圖16、圖17分別為結(jié)構(gòu)柱基礎(chǔ)標(biāo)高和排水管線標(biāo)高設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。

綜上所述，隨著目前經(jīng)濟(jì)社會的變化，房地產(chǎn)企業(yè)投資的風(fēng)險(xiǎn)逐漸引起了投資者的注意，對投資風(fēng)險(xiǎn)的防范同時(shí)變成了重中之重，本文總結(jié)了房地產(chǎn)項(xiàng)目投資各階段可能存在的風(fēng)險(xiǎn)因素，并提出具體防范措施方案，最大限度地預(yù)防、降低、回避、轉(zhuǎn)移房地產(chǎn)項(xiàng)目投資風(fēng)險(xiǎn)。

圖16 結(jié)構(gòu)柱基礎(chǔ)標(biāo)高設(shè)計(jì)錯(cuò)誤Figure 16 Design error of the structural column foundation elevation

圖17 排水管線標(biāo)高設(shè)計(jì)錯(cuò)誤Figure 17 Design error of the drainage line elevation

3.3.3 碰撞檢測

車輛基地工程具有參與專業(yè)眾多、管線錯(cuò)綜復(fù)雜的特點(diǎn)，難以避免出現(xiàn)各類差錯(cuò)漏碰問題。本工程BIM設(shè)計(jì)中采用Navisworks軟件中的Clash Detective模塊對總圖整合模型及各單體整合模型分別進(jìn)行碰撞檢測[13]。碰撞檢測結(jié)果示例如圖18、圖19所示。

圖18 暖通管路與給排水管線之間的碰撞Figure 18 Collision between the HVAC and feed pipe

圖19 給排水埋地管線與工藝檢修平臺基礎(chǔ)之間的碰撞Figure 19 Collision between the feed pipe and maintenance platform

3.3.4 設(shè)計(jì)方案優(yōu)化調(diào)整

根據(jù)模型漫游查看及碰撞檢測報(bào)告篩查出的設(shè)計(jì)缺陷，開展優(yōu)化設(shè)計(jì)工作。各專業(yè)負(fù)責(zé)人根據(jù)相關(guān)規(guī)范確定碰撞避讓原則，經(jīng)總體組織對差錯(cuò)漏碰處進(jìn)行協(xié)商討論，重新修正設(shè)計(jì)方案。多次碰撞檢測后，核實(shí)設(shè)計(jì)缺陷問題均已基本解決，最終完成施工圖出圖工作。圖20～圖21所示為車輛基地檢修庫電纜橋架與起重機(jī)走行路徑?jīng)_突問題方案優(yōu)化。

圖20 電纜橋架與起重機(jī)走行路徑?jīng)_突(原設(shè)計(jì))Figure 20 Cable tray and crane running path conflict

圖21 電纜橋架避讓起重機(jī)走行范圍(優(yōu)化后)Figure 21 Cable bridge to avoid crane travel range

3.4 二維圖紙生成及工程量統(tǒng)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化出圖，項(xiàng)目建立了統(tǒng)一的樣板文件，設(shè)置了線型、線寬、文字樣式、字體大小等內(nèi)容，且建立了參數(shù)化圖框族，可根據(jù)圖紙大小自定義圖框尺寸。

對于部分構(gòu)件族，其二維圖紙是以圖例形式表達(dá)，項(xiàng)目組根據(jù)國家制圖標(biāo)準(zhǔn)，繪制構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)二維化圖例。為了達(dá)到出圖的效果，對構(gòu)件進(jìn)行顯示模式調(diào)整，將二維圖例調(diào)整為粗略和中等可見，精細(xì)不可見，如圖22(a)。三維構(gòu)件組成部分可見性調(diào)整為精細(xì)可見，粗略和中等不可見，如圖22(b)、22(c)所示。正式出圖時(shí)將圖紙精細(xì)度調(diào)整為粗略或中等顯示模式即可。

圖22 水泵構(gòu)件表達(dá)形式Figure 22 Expression form of pump components

采用Revit軟件可快速在BIM模型基礎(chǔ)上生成傳統(tǒng)二維圖紙。本項(xiàng)目采用統(tǒng)一樣板文件，參數(shù)化圖框，通過對單體房屋進(jìn)行平剖面圖設(shè)計(jì)、圖面整理、添加注釋、圖例、表格等工作，生成規(guī)范化圖紙。完成的運(yùn)用庫平面布置圖如圖23所示。

圖23 運(yùn)用庫模型及平面布置圖Figure 23 Operation plant model and floor plan

根據(jù)設(shè)計(jì)人員需求，Revit軟件中可快速統(tǒng)計(jì)各類構(gòu)件信息，方便設(shè)計(jì)人員進(jìn)行工程數(shù)量核算。圖 24為Revit軟件中生成的調(diào)機(jī)及工程車庫窗明細(xì)表。

圖24 工程車庫窗明細(xì)表Figure 24 Details of engineering garage window

3.5 設(shè)計(jì)成果展示

BIM+VR是建筑行業(yè)BIM技術(shù)與最新VR技術(shù)的融合體[14]。本項(xiàng)目運(yùn)用該項(xiàng)技術(shù)，將沉浸式三維體驗(yàn)與BIM模型無縫對接，通過構(gòu)建虛擬展示，為使用者提供交互性設(shè)計(jì)和可視化印象，使BIM模型中大量建設(shè)信息得以充分展示。

為提高方案展示效果，減少與建設(shè)單位及施工單位溝通障礙，本項(xiàng)目采用與 Revit軟件具有良好接口的Lumion軟件對模型進(jìn)行后處理工作。

4 結(jié)語

在抓馬山車輛基地工程 BIM 設(shè)計(jì)過程中，采用ProjectWise軟件作為 BIM 設(shè)計(jì)協(xié)同平臺，Autodesk公司軟件及自主開發(fā)的部分軟件工具等進(jìn)行 BIM 設(shè)計(jì)及模型整合，將所涉及的15個(gè)專業(yè)工程內(nèi)容進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，整體提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量。

本次 BIM 設(shè)計(jì)，應(yīng)用了自主研發(fā)的多項(xiàng)設(shè)計(jì)工具，可大幅提高BIM設(shè)計(jì)效率。在建立了充足的構(gòu)件庫基礎(chǔ)上，可進(jìn)行設(shè)備設(shè)施快速布置，實(shí)現(xiàn)了模塊化、搭積木式設(shè)計(jì)。通過 Revit軟件參數(shù)化設(shè)計(jì)功能，實(shí)現(xiàn)了工藝、軌道、接觸軌等專業(yè)參數(shù)化建模。開發(fā)軟件同時(shí)具有族構(gòu)件信息快速導(dǎo)入導(dǎo)出、明細(xì)表生成功能，經(jīng)實(shí)測可提高至少3倍以上效率。

在對模型進(jìn)行差錯(cuò)漏碰檢測中，提出了模型自查→整合漫游查看→碰撞檢測→方案優(yōu)化的思路，極大地減少了各專業(yè)在設(shè)計(jì)過程中理解偏差及差漏碰錯(cuò)問題，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量。

相對于傳統(tǒng)二維模式，雖然在設(shè)計(jì)時(shí)需要額外核對標(biāo)高位置、調(diào)整參數(shù)信息，但設(shè)計(jì)成果更為直觀，且出圖可保證平剖面與設(shè)計(jì)成果一致，在后續(xù)調(diào)整設(shè)計(jì)方案時(shí)避免傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)易出現(xiàn)的平剖面圖不對應(yīng)問題，減少了核對工作量。BIM設(shè)計(jì)可根據(jù)設(shè)計(jì)成果快速統(tǒng)計(jì)工程數(shù)量，工程量結(jié)果與模型一致，效率及準(zhǔn)確性均大大提高。雖然 BIM 設(shè)計(jì)在前期工作量較大，但在后續(xù)修改方案、重新統(tǒng)計(jì)工程量、減少差錯(cuò)漏碰、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、方案成果展示等方面均優(yōu)于傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)模式。

本次BIM應(yīng)用方面，實(shí)現(xiàn)了工程量計(jì)算、碰撞檢測、BIM出圖、BIM+GIS、BIM+VR等應(yīng)用，對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析展示，為 BIM 技術(shù)在軌道交通車輛基地領(lǐng)域中的設(shè)計(jì)應(yīng)用提供了參考借鑒。

在全國各地軌道交通快速發(fā)展的大趨勢下，國內(nèi)已有 BIM 技術(shù)在運(yùn)維階段乃至全生命周期階段的應(yīng)用案例。本線在設(shè)計(jì)階段即考慮了場段智慧化設(shè)計(jì)，下一步將著重研究 BIM+智慧運(yùn)維技術(shù)應(yīng)用，通過運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，結(jié)合BIM技術(shù)開發(fā)場段智慧運(yùn)維系統(tǒng)平臺，實(shí)現(xiàn)BIM模型與實(shí)景實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)融合，保證操作人員在系統(tǒng)中獲取的數(shù)據(jù)與現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)相同，運(yùn)營人員通過查看BIM模型即可獲得車輛、設(shè)備設(shè)計(jì)資料、圖紙、監(jiān)測狀態(tài)、檢修狀態(tài)、設(shè)備履歷等信息[15]。另一方面，由于本線為全自動駕駛線路，對于運(yùn)營人員在不同場景下車輛駕駛、作業(yè)模擬、設(shè)備檢修等方面進(jìn)行培訓(xùn)存在需求。本次研究僅實(shí)現(xiàn)了BIM設(shè)計(jì)成果虛擬展示，在后續(xù)設(shè)計(jì)中，項(xiàng)目組將根據(jù)運(yùn)營特點(diǎn)及需求，基于完成的BIM模型、駕駛模擬設(shè)備及手持輔助檢修設(shè)備等設(shè)施，結(jié)合VR、AR技術(shù)，研究開發(fā)培訓(xùn)及檢修作業(yè)指導(dǎo)平臺，為運(yùn)營人員技能水平提高、應(yīng)急狀況虛擬演練、現(xiàn)場故障識別及快速處理提供支持，以達(dá)到提高運(yùn)營質(zhì)量、效率及服務(wù)水平的目的[16]。