基于BIM技術的軌道交通車輛基地族庫構建與應用

伍泓樺，金永樂，郭愛平，孔令星

（1.中鐵二院工程集團有限責任公司 機械動力工程設計研究院，四川 成都 610031；2.西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610031）

1 概述

建筑信息模型 （Building Information Modeling，BIM）是以三維信息技術為基礎，集成建筑工程項目各種相關數字信息建立的工程數據模型，貫穿項目的全生命周期，指導項目的規劃、設計、施工和運營管理［1-4］。在BIM模型構建過程中，族是核心內容，是模型的基礎，是各種信息數據的載體。BIM技術從建筑行業起源，近些年在軌道交通行業興起，一些學者對BIM族庫在城軌行業的應用開展了諸多研究［5-11］。

廣義的城市軌道交通泛指以各種形式導軌為導向的城市公共客運系統，涵蓋了在城市中修建的大、中、小運量用電力牽引的軌道交通。車輛基地作為城軌系統車輛的維?；兀こ掏顿Y一般在10億～20億元，項目規模較大、各專業接口復雜，通常受選址和邊界條件影響，設計周期短，工期緊張。因此，為達到快速構建車輛基地工程信息模型的目的，建立車輛基地族庫顯得尤為關鍵。目前，軟件廠商在BIM基礎軟件上開發的Revit族庫主要有Revit軟件自帶族庫、住房和城鄉建設產品BIM大型數據庫、族庫大師、鴻業族庫、構件塢、筑龍網族庫等，尚不能滿足車輛基地族庫需求［12-13］。運用Revit軟件，系統性研究并構建了車輛基地標準化族庫。以某車輛基地工程為實例，快速構建建筑信息模型，提高車輛基地信息模型的建模效率。

2 車輛基地族庫的開發

2.1 技術路線

以Revit軟件構建族庫為指導，結合城軌車輛基地的特點，提出車輛基地標準化族庫的創建思路（見圖1）。

圖1 車輛基地族庫構建的技術路線

2.2 族庫分類

車輛基地作為地鐵系統的運用、檢修、材料和后勤保障基地，包括車輛段（停車場）、綜合維修中心、物資總庫、培訓中心和其他生產、生活、辦公等配套設施。其設施為保障車輛基地正常安全運營而設置的各類土建設施，主要包括：房屋建筑、隧道、橋涵、路基、道床、道路、附屬設施等。其設備為保障車輛基地正常安全運營而設置的各類機電系統，主要包括：車輛、給排水及消防、通風空調、動力與照明、電扶梯、工具器械、工藝設備、供電、弱電等。

車輛基地工程專業眾多，組成復雜，構件數量多，分類具有一定的難度。為更好實現協同，便于統一管理，合理的分類就顯得十分重要。采用線分類法對車輛基地設施設備進行分類?；诰€分類法，將車輛基地各專業的設施設備按8個層級進行劃分。不同層級類目之間按照從屬關系進行分類，同一分支的類目之間按照并列關系進行分類。車輛基地設備設施的第一級分為以下幾類：01線路及站場、02房屋建筑、03車輛、04通風空調、05給排水及消防、06動力與照明、07工藝設備、08其他系統（見圖2）。

圖2 車輛基地族庫的分類

2.3 族庫的命名與編碼

車輛基地分類出來的族構件龐大繁雜，為清晰明了地表示族庫內容，便于識別和溝通，族的命名要簡明扼要，嚴格規范。命名規則是參照車輛基地族的分類和工程實踐，創新性地提出車輛基地各專業設備設施層級，并采用線分類法對城市軌道交通車輛基地設施設備進行分類編碼（見表1）。

表1 車輛基地設備設施層級及編碼

創建的族應根據車輛基地設備設施層級及編碼表進行命名，各級名稱之間采用“_”分隔，例如：線路_軌道_站場道床軌道_路基_土路基，其對應的編碼為“0101010101”。

2.4 車輛基地族庫的創建流程

基于Revit軟件，提出了車輛基地族的標準化創建流程。

2.4.1 族創建的初步設置

（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模型定義常規族、基于公制結構框架-梁和支撐定義可融合的排水溝及電纜溝、槽、基于線的公制常規模型定義直線型構件。

（2）定義插入點，鎖定插入點的參照平面。

（3）布局參照線和參照平面。

（4）預設族類型和族參數。

（5）添加尺寸標注并參數關聯：選擇合適的參照線或參照平面標注尺寸，并與相應的幾何參數關聯。

2.4.2 族幾何形體的繪制

（1）設施設備族的建模幾何尺寸以設備供應商提供的圖紙尺寸為準。收集族創建所需的各類圖紙，包括設施設備對象的平、立、剖及軸側圖等。

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

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

2.4.3 族的參數化設置

關聯族參數，調整參數值和模型，并判斷族行為，驗證參變性能（包括幾何參數和非幾何參數）。

2.4.4 族的相關特性設置

族的子類別、可見性、視圖、保存狀態、統一性設置（族各視圖的縮放比例、視覺樣式，清除未使用項等）。

2.4.5 設置族類型

通過復制和修改預設族類型的參數值添加族的其他類型。若族類型數≥6，創建類型目錄實現族類型的設置。

2.4.6 保存族文件待測試

按照級別分類建立族庫文件夾系統，該系統文件夾層級關系與設施設備類別相同，并將族文件保存在相應的層級族庫文件夾中。族創建流程見圖3。

圖3 族創建流程

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

3 車輛基地族庫的構建

通過上述創建方法，完成了線路及站場、房屋建筑、車輛、通風空調、給排水及消防、動力與照明、工藝設備和其他系統等車輛基地族庫的構建。

3.1 線路及站場族

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

圖4 線路及站場族模型

3.2 房屋建筑族

在房屋建筑族模型中（見圖5），承臺和樁利用拉伸形成參數化族，完成單樁、雙樁、三樁、四樁及多樁承臺族；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；網架利用體量模型創建基本單元作為內嵌族，生成網架，長度、寬度參數化；電纜溝采用基于線的公制常規模型、拉伸，形成電纜溝族；電纜井利用拉伸、陣列等制作成固定族，電纜井長度、支架數量參數化調整；強弱電管排利用拉伸形成參數化族；柱式檢查坑運用拉伸、放樣、陣列等方式，將檢查坑基礎、踏步、小立柱及軌道綜合成檢查坑族；作業平臺利用拉伸形成作業平臺參數化族；參考設備供應商施工圖設備基礎資料利用拉伸、融合、剪切、放樣等命令，完成清洗區、靜載試驗臺、稱重設備、不落輪旋床、洗車機、固定架車機等設備基礎族的制作。

圖5 房屋建筑族模型

3.3 機電和系統族

機電專業常規系統自帶族庫和市面上Revit族庫插件已較為成熟。梳理車輛基地機電專業常用設施。通風空調包括冷熱源設備、采暖設備、空調設備、通風設備、風系統、水系統和其他。給排水及消防包括給水附件、排水附件、閥門、設備、消防、管道、支架和室外附屬等。動力與照明包括動力配電系統、橋架系統和接地系統等。針對車輛基地工程特點，通過拉伸、融合和剪切，建立參數化族，查漏補缺。

在接觸網和信號系統族模型中（見圖6），利用拉伸、融合、剪切、放樣等命令，完成信號機、轉轍機、接觸網支柱基礎、接觸網拉線基礎族的制作。

圖6 接觸網和信號系統族模型

3.4 車輛和工藝設備族

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

圖7 地鐵A型車族（4編組）

圖8 工藝設備族

4 車輛基地族庫的工程應用

基于Revit建立了車輛基地標準化族庫，將其應用于某海外車輛基地工程BIM建模實例。

4.1 工程概況

某海外車輛基地（見圖9）設計規模為大架修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、停車列檢庫、物資總庫、調機及工程車庫、洗車庫、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，載入車輛基地標準化族庫，根據設備設施型號，在族庫中選擇合適的設施設備進行導入，調整修改相關參數，然后進行各分部的裝配，構建完整的車輛基地BIM總裝模型，包括場坪、股道、道路、管線、建筑、結構、通風空調、給排水及消防、動照等三維模型。運用庫、檢修主廠房和車輛基地總裝BIM模型分別見圖10—圖12。

圖10 運用庫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 可視化實景漫游

車輛基地BIM模型創建完成后，可將其導入渲染軟件，針對不同設施匹配不同材質，制定相機路徑和拍攝視角，進行渲染，生成動畫視頻，實現車輛基地模型的三維實景漫游。此外，還可將BIM模型與虛擬現實技術（Virtual Reality，VR）結合，利用VR的沉浸式特點對工程BIM模型進行較為直觀的體驗、互動與分析（見圖13）。

圖13 車輛基地的三維實景漫游景象

4.4 碰撞檢查與優化

在總裝模型基礎上，對綜合管線進行碰撞檢查與設計優化（見圖14）。對房建、設備、管線等構件進行干涉分析，快速檢測碰撞位置，優化設計，有效減少差錯漏碰，提高工程質量，降低投資。

圖14 綜合管線碰撞檢查與優化

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地日照下的遮擋與投影狀況，綜合分析判斷不同單體開窗面積及位置，實現節能綠色建筑設計（見圖15）。

圖15 日照模擬分析

5 結束語

分析構建車輛基地族庫的必要性，從族庫開發技術路線、族庫分類、族庫的命名與編碼、參數化族創建流程等方面闡述了車輛基地族庫的構建方法。以現有設計軟件Revit為工具，系統性研究并構建了車輛基地標準化族庫。將其應用于某海外車輛基地工程設計實例，通過參數化族實現設施設備的批量放置、一族多用、批量修改等功能，節省了BIM建模時間，提高了車輛基地信息模型的建模效率。最后，從BIM模型可視化實景漫游、碰撞檢查與優化和日照模擬分析等方面研究了族庫快速建模的工程應用，對推動車輛基地BIM正向設計具有重要意義。