基于BIM技術的全自動駕駛地鐵車輛基地設計研究

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實驗室(中鐵一院)，西安 710043；2. 青島地鐵集團有限公司，青島 266045）

近年來，隨著BIM技術在軌道交通行業的逐步普及，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中體量龐大、系統繁雜、接口眾多的綜合性單項工程。其設計過程中存在參與專業多，協調難度大；管線復雜，難以避免碰撞；工藝可視化差，難以展示等難點[2-3]。BIM技術的出現為城市軌道交通工程的發展提供了巨大推力，項目團隊以青島地鐵 6號線抓馬山車輛基地項目為依托，在地鐵車輛基地領域使用BIM技術開展施工圖階段設計工作。通過使用BIM技術，提高了設計質量，為BIM技術在地鐵場段設計應用打下堅實基礎。

1 工程概況

青島地鐵6號線線路全長約57.6 km，全線設1段2場共3處車輛基地。項目分三期建設，一期工程起點為辛屯路站，終點為生態園站，線路全長30.492 km，設抓馬山車輛基地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，占地面積約30 hm2，由中間站抓馬山車站接入。段址區域內地勢起伏較大，現狀地形高程在18.8～61.9 m。段址所在范圍主要有汽車修理廠、停車場及少量農田等。

抓馬山車輛基地定位為定修段，主要負責地鐵 6號線的車輛停放、檢修、運用及日常維護保養等，主要任務包括：配屬車輛的停放、運用、清掃、洗刷、消毒、列檢任務，月檢、周檢任務，定修、臨修任務，以及救援、綜合維修和乘務作業等任務。抓馬山車輛基地考慮上蓋物業開發，同時按照全自動駕駛場段進行設計，其中停車列檢庫、洗車庫、試車線為自動化區域；檢修庫、鏇輪庫、調機/工程車庫及卸料線為人工駕駛區域，調機牽出線兼做轉換軌使用。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設計涵蓋工藝、站場、路基、橋涵、建筑、結構、暖通、給排水、動照、管線綜合、軌道、接觸軌、供電、出入線區間、景觀共15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設計軟件解決方案

本項目BIM設計主要采用了Project Wise、Revit、Civil 3D、Inventor、Navisworks、Lumion及自主開發的軟件工具，由于車輛基地設計涵蓋專業眾多，根據各專業不同特點，采用的設計思路為首先建立并完善Revit族庫文件，然后在 Revit軟件進行各專業協同設計，最后將各專業模型導入Navisworks及Lumion軟件中進行整合及碰撞檢測等后處理工作[4]。

2.1 軟件二次開發

2.1.1 地鐵車輛基地模塊化輔助設計工具

車輛基地工程具有構件數量龐大、種類繁雜的特點。本項目設計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不能滿足地鐵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[5]。為解決族庫構件缺乏及管理問題，項目團隊基于Revit平臺自主開發了“地鐵車輛基地模塊化輔助設計”工具，囊括了十余個專業BIM構件庫，同時具備構件參數信息快速導入導出、明細表快速生成等功能，方便設計人員進行設計工作，軟件界面如圖3。

圖3 地鐵車輛基地模塊化輔助設計工具界面Figure 3 Interface of the metro depot auxiliary design tool

高效率高質量建模是BIM技術應用的基礎，構件參數化設計是二次開發中需要首要解決的問題[6]。本項目對部分重復使用構件進行參數化設計，實現了輸入尺寸參數即可驅動建模的目的，大幅提高設計效率。圖4為雙層作業平臺參數化設計。

圖4 雙層作業平臺構件參數化設計Figure 4 Parametric design of the double-deck operation platform

建筑信息模型可承載軌道交通設施設備的大量信息，為建筑全生命周期服務[7]。本工程將設備參數信息添加到模型屬性中，方便其他專業查看設備屬性，進行設計，且有利于后期運營維護(如圖5)。

圖5 起重機設備屬性信息Figure 5 Device property information of the crane

2.1.2 鐵路電力BIM輔助設計軟件

將基于項目團隊自主開發的“鐵路電力BIM輔助設計軟件”應用于本工程(見圖6)，可快速實現動力照明設備布置、導線批量連接、信息添加、負荷數據關聯計算、照明系統圖生成、供電設備快速布置等功能。

圖6 鐵路電力BIM輔助設計軟件工具Figure 6 BIM auxiliary design software of the railway power system

2.1.3 區間建模軟件

為提高軌道交通工程區間建模效率，項目團隊基于dynamo可視化編程平臺開發“區間建模軟件”(見圖7)，應用于車輛基地出入段線區間建模中，可根據線路中心線及高程坐標文件一鍵生成出入段線明挖區間結構模型。

圖7 區間建模軟件界面Figure 7 Interface of the tunnel modeling software

2.2 協同設計平臺

采用ProjectWise軟件作為協同設計平臺，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[8]。

2.3 模型整合

本項目為上蓋物業開發車輛基地，為降低整合模型的復雜性，在BIM設計中考慮將站場總圖基線起點作為基點，采用絕對高程進行設計。各專業設計時統一采用相同的總圖樣板文件進行定位設計，保證總圖坐標一致性。

由于車輛基地設計涵蓋專業廣，各專業模型整合后體量大，設計過程中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。對總圖模型整合時不載入單體內部模型文件；對各單體模型整合時僅載入本單體內模型，不載入單體以外其他模型。模型后處理工作采用與 Revit軟件具有良好的數據接口的Navisworks軟件及Lumion軟件作為整合平臺，集中展示各專業模型[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 運用庫整合模型Figure 9 Integrated model of the operation plant

圖11 室外管網整合模型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設計應用

3.1 三維傾斜攝影及BIM+GIS技術應用

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

軌道交通工程中利用 BIM+GIS 技術進行平臺技術架構已經成為當前主流的技術趨勢[11]。本工程在方案研究階段采用BIM+GIS技術，將車輛基地BIM模型導入GIS平臺，直觀展現地鐵構筑物與周邊環境關系，分析比選車輛基地與周邊環境關系及布置方案，以便于建設單位進行更好的決策。BIM+GIS技術應用如圖13所示。

圖13 BIM+GIS技術應用Figure 13 Application of the BIM+GIS technology

3.2 設計方案比選

針對車輛基地辦公樓、橋梁、邊坡擋護等工程，采用 BIM 技術研究多個設計方案(見圖 14、圖 15)，并進行全方位展示，方便建設單位及設計組進行決策。

圖14 辦公區方案比選Figure 14 Scheme comparison of the office area

圖15 邊坡擋護方案比選Figure 15 Scheme comparison of the slope protection

3.3 差錯漏碰檢測

在傳統模式的施工過程中，常常出現不同專業構筑物之間或構筑物與管道之間高程錯誤或重疊等影響施工的重大問題，由此引起巨大的經濟損失、人力浪費、增加工期等問題[12]。

車輛基地工程涉及專業廣，信息量繁雜，運用BIM技術，采用漫游查看及碰撞檢測相結合的方法進行差錯漏碰檢測，通過可視化應用直觀驗證各專業方案的合理性。通過對以往設計項目經驗進行總結，本項目BIM設計差錯漏碰檢測按以下幾步進行。

3.3.1 模型核查

對于完成的第1版BIM設計模型，首先需各專業負責人及審核人員核實模型準確性，保證圖、模一致，為下一步模型整合及碰撞檢測做好準備。

3.3.2 漫游查看

采用Navisworks或Lumion軟件將設計完成的BIM模型進行整合，根據以往線路整理的車輛基地問題庫資料，對整合后的模型進行漫游查看，逐一核對，核查常規碰撞檢測不易暴露出的設計缺陷問題。圖16、圖17分別為結構柱基礎標高和排水管線標高設計錯誤。

綜上所述，隨著目前經濟社會的變化，房地產企業投資的風險逐漸引起了投資者的注意，對投資風險的防范同時變成了重中之重，本文總結了房地產項目投資各階段可能存在的風險因素，并提出具體防范措施方案，最大限度地預防、降低、回避、轉移房地產項目投資風險。

圖16 結構柱基礎標高設計錯誤Figure 16 Design error of the structural column foundation elevation

圖17 排水管線標高設計錯誤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眾多、管線錯綜復雜的特點，難以避免出現各類差錯漏碰問題。本工程BIM設計中采用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行碰撞檢測[13]。碰撞檢測結果示例如圖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之間的碰撞Figure 19 Collision between the feed pipe and maintenance platform

3.3.4 設計方案優化調整

根據模型漫游查看及碰撞檢測報告篩查出的設計缺陷，開展優化設計工作。各專業負責人根據相關規范確定碰撞避讓原則，經總體組織對差錯漏碰處進行協商討論，重新修正設計方案。多次碰撞檢測后，核實設計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走行路徑沖突問題方案優化。

圖20 電纜橋架與起重機走行路徑沖突(原設計)Figure 20 Cable tray and crane running path conflict

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

3.4 二維圖紙生成及工程量統計

為實現標準化、規范化出圖，項目建立了統一的樣板文件，設置了線型、線寬、文字樣式、字體大小等內容，且建立了參數化圖框族，可根據圖紙大小自定義圖框尺寸。

對于部分構件族，其二維圖紙是以圖例形式表達，項目組根據國家制圖標準，繪制構件的標準二維化圖例。為了達到出圖的效果，對構件進行顯示模式調整，將二維圖例調整為粗略和中等可見，精細不可見，如圖22(a)。三維構件組成部分可見性調整為精細可見，粗略和中等不可見，如圖22(b)、22(c)所示。正式出圖時將圖紙精細度調整為粗略或中等顯示模式即可。

圖22 水泵構件表達形式Figure 22 Expression form of pump components

采用Revit軟件可快速在BIM模型基礎上生成傳統二維圖紙。本項目采用統一樣板文件，參數化圖框，通過對單體房屋進行平剖面圖設計、圖面整理、添加注釋、圖例、表格等工作，生成規范化圖紙。完成的運用庫平面布置圖如圖23所示。

圖23 運用庫模型及平面布置圖Figure 23 Operation plant model and floor plan

根據設計人員需求，Revit軟件中可快速統計各類構件信息，方便設計人員進行工程數量核算。圖 24為Revit軟件中生成的調機及工程車庫窗明細表。

圖24 工程車庫窗明細表Figure 24 Details of engineering garage window

3.5 設計成果展示

BIM+VR是建筑行業BIM技術與最新VR技術的融合體[14]。本項目運用該項技術，將沉浸式三維體驗與BIM模型無縫對接，通過構建虛擬展示，為使用者提供交互性設計和可視化印象，使BIM模型中大量建設信息得以充分展示。

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

4 結語

在抓馬山車輛基地工程 BIM 設計過程中，采用ProjectWise軟件作為 BIM 設計協同平臺，Autodesk公司軟件及自主開發的部分軟件工具等進行 BIM 設計及模型整合，將所涉及的15個專業工程內容進行三維設計，整體提高了設計質量。

本次 BIM 設計，應用了自主研發的多項設計工具，可大幅提高BIM設計效率。在建立了充足的構件庫基礎上，可進行設備設施快速布置，實現了模塊化、搭積木式設計。通過 Revit軟件參數化設計功能，實現了工藝、軌道、接觸軌等專業參數化建模。開發軟件同時具有族構件信息快速導入導出、明細表生成功能，經實測可提高至少3倍以上效率。

在對模型進行差錯漏碰檢測中，提出了模型自查→整合漫游查看→碰撞檢測→方案優化的思路，極大地減少了各專業在設計過程中理解偏差及差漏碰錯問題，提高了設計質量。

相對于傳統二維模式，雖然在設計時需要額外核對標高位置、調整參數信息，但設計成果更為直觀，且出圖可保證平剖面與設計成果一致，在后續調整設計方案時避免傳統二維設計易出現的平剖面圖不對應問題，減少了核對工作量。BIM設計可根據設計成果快速統計工程數量，工程量結果與模型一致，效率及準確性均大大提高。雖然 BIM 設計在前期工作量較大，但在后續修改方案、重新統計工程量、減少差錯漏碰、提高設計質量、方案成果展示等方面均優于傳統二維設計模式。

本次BIM應用方面，實現了工程量計算、碰撞檢測、BIM出圖、BIM+GIS、BIM+VR等應用，對設計方案進行分析展示，為 BIM 技術在軌道交通車輛基地領域中的設計應用提供了參考借鑒。

在全國各地軌道交通快速發展的大趨勢下，國內已有 BIM 技術在運維階段乃至全生命周期階段的應用案例。本線在設計階段即考慮了場段智慧化設計，下一步將著重研究 BIM+智慧運維技術應用，通過運用物聯網、大數據、無線傳感網絡等技術，結合BIM技術開發場段智慧運維系統平臺，實現BIM模型與實景實時數據融合，保證操作人員在系統中獲取的數據與現實數據相同，運營人員通過查看BIM模型即可獲得車輛、設備設計資料、圖紙、監測狀態、檢修狀態、設備履歷等信息[15]。另一方面，由于本線為全自動駕駛線路，對于運營人員在不同場景下車輛駕駛、作業模擬、設備檢修等方面進行培訓存在需求。本次研究僅實現了BIM設計成果虛擬展示，在后續設計中，項目組將根據運營特點及需求，基于完成的BIM模型、駕駛模擬設備及手持輔助檢修設備等設施，結合VR、AR技術，研究開發培訓及檢修作業指導平臺，為運營人員技能水平提高、應急狀況虛擬演練、現場故障識別及快速處理提供支持，以達到提高運營質量、效率及服務水平的目的[16]。