车辆段BIM正向设计研究

时间：2024-09-03

金永乐

(中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031)

在工程领域，越来越多的工程实践证明，BIM(Building Information Modeling)技术的研究和应用可有效提升建设项目设计、施工及运营管理的技术水平，实现建设项目全生命周期的管理信息化，具有巨大的应用价值和广阔的应用前景。随着全国铁路和城市轨道交通项目的大力建设，BIM技术也逐步应用于铁路和城轨领域[1-5]。

近年来，铁路BIM联盟陆续发布了《铁路工程实体结构分解指南》《铁路工程信息模型分类和编码标准》《铁路工程信息模型数据存储标准》等11项标准和指南。这些标准的编制与发布，将对提高铁路行业BIM技术应用水平、保障铁路建设标准化管理、实现工程建设信息化发展等起到指引和参考的作用[6-7]。上述标准在很大程度上统一了铁路和城轨设施、设备、勘察、测绘等资料的交付要求，为BIM应用奠定了基础。

在车辆段BIM设计应用方面，中铁一院以西安站改客车段工程项目为依托，重点研究BIM 技术在铁路客车车辆段领域综合应用的发展路线及关键技术[8]；中铁二院在长沙市轨道交通2号线黄兴车辆段的设计中采用BIM技术进行室外综合管线设计，显著提高了综合管线设计的效率和质量；中铁四院在武汉地铁2号线常青花园车辆段的设计中引入BIM技术[9]，摸索完成了轨道交通车辆基地BIM协同设计的流程和方法，并利用BIM模型进行碰撞检测。

这些案例为BIM技术在车辆段设计上的应用作出了表率，但距离正向协同设计还有一定差距。本文结合车辆段的设计特点，提出车辆段三维正向设计思路，旨在为车辆段真正实现正向设计提供参考。

1 车辆段BIM设计特点

1.1 BIM设计主要优势

(1)设计协同化

传统设计中，各专业间采用CAD外部参照的形式进行配合，每个专业的图纸修改，均需人为通知相关专业更新，专业间设计协调交叉作业频繁。且各图纸间无关联，遇到设计修改时，需对所有图纸逐一修改。这导致传统设计协调效率低下，费时费力，同时容易发生差错漏碰。铁路项目周期长、变动多，更是容易放大上述问题。在正向BIM协同设计中，各专业均基于同一模型进行设计，模型的每一处修改，对各专业的反馈都是即时、同步、一致的，且各专业可同时对同一个文件进行操作，整个模型设计的过程即是专业协调的过程，这不仅节省了大量的修改及核对时间，也保证了修改结果的精确性。

(2)设计模拟化

在传统的建筑设计中，模拟是薄弱的环节，与设计的结合并不紧密。BIM技术可以在设计出图的基础上，直接进行各种分析和模拟，如结构受力分析、节能模拟、日照模拟、热能传导模拟、紧急疏散模拟等，从而使建筑方案更为合理。同时，BIM模型的直观展示，将更方便与业主、施工方等外部单位的沟通，更有利于他们理解设计意图，减少变更和返工，提高整个行业的效率。

1.2 车辆段BIM设计特点

车辆段是实现列车整备运用和检修的场所，是一处工业厂区，它包含了铁路线路、工业厂房和办公生活用房。车辆段设计具有设计体量大、各专业接口多等特点，除系统专业外，车辆段设计内容主要分两大块：站场设计(含线路、路基、桥涵)和单体建筑设计(含房建、机电)。车辆段采用BIM设计具备以下特点：

(1)专业的铁路线路BIM设计软件并不完全适合车辆段的站场线路设计。车辆段选址一般位于场地相对平整的开阔地，占地面积大，场坪基本为同一高程，少有正线线路复杂的地形地貌。线路轨面高程也非常统一，即便有坡度也是缓坡。专业的铁路线路设计软件的线路平纵断面设计、自动结合地形生成路基放坡等功能在车辆段站场设计中基本用不上。车辆段站场线路设计更适宜采用先通过二维设计，再快速生成BIM模型的思路。

(2)可充分利用民用建筑BIM资源。车辆段中综合楼、公寓、食堂等办公生活设施为民用建筑，机电设备也是民用建筑领域的常规设备，这类建筑单体的设计就可充分利用民用建筑领域的BIM资源。

(3)车辆段厂房设计以工艺功能为核心。车辆段厂房自身并没有复杂特殊的建筑元素，厂房设计的重点是车间组合形式。作为厂房的最小单元，每个车间的设计根据功能基本可以实现模块化和参数化，但车间组合的形式变化较多，车间组合形式与房建专业关系不大，一般是车辆或工艺专业根据车辆运用、检修工艺需求进行定制。

综合上述分析，车辆段开展BIM正向设计既不能照搬工业厂房或民用建筑的BIM设计思路，也没法完全采用铁路专用设计软件，而应基于车辆段自身特点，确定BIM正向设计思路，并定制辅助开发工具。

2 车辆段站场BIM设计思路

2.1 站场传统设计特点

车辆段设计轨面高程基本上为同一高程，因此车辆段总平面实质上为一个二维平面图，采用传统的二维设计模式更加符合站场线路的特点，且已具备较高的设计效率。

在初步设计阶段，一般通过对地形图进行网格划分，采用插值法估算每个网格高程来近似统计土石方量；在施工图阶段，一般通过计算各个地质断面土方数据来统计土石方量。总的来讲，这两种都是比较原始的统计方法，统计工作量大，设计效率低下。

2.2 站场总平面BIM设计思路

Revit设计平台是面向建筑工程的三维设计软件，不具备站场轨道等铁路专用元素的设计功能。要实现站场轨道、轨枕、道床等设施的设计，须从0开始建模，工作量非常大。因此要在Revit平台上实现站场设计，须对平台进行二次开发，订制站场快速设计工具。

根据站场以平面设计为主的特点，总图设计依然基于AutoCAD进行，重点开发将二维站场总图快速转换为三维模型的工具。该工具须实现以下功能：

(1)建立包含轨道、轨枕和道床的典型横断面，以二维线路平面图为路径，快速扫描生成全部线路的三维模型；

(2)道岔采用单独建族的方式进行嵌入；

(3)可满足段内有一定纵坡的情况下，生成带坡度的车场线路。

为实现整个车辆段设计功能，采用DANAMO参数化工具进行站场设计工具的开发。DANAMO是可视化脚本程序，有助于构建自定义算法，处理数据并生成几何图形。

2.3 站场土石方工程BIM设计思路

针对站场土石方工程设计效率低下的现状，提出通过建立站场土石方三维模型进行工程量快速统计的思路。主要分为以下三种情况：

(1)在前期研究阶段，通过无人机倾斜摄影，生成三维地表模型，对三维地表模型进行布尔运算，计算土石方工程量。

(2)在初步设计阶段，开发二维地形图转化为三维地表模型的软件工具，通过识别地形图中的线条、数据等信息，生成准确的三维地表模型。

(3)在施工图阶段，开发二维地质断面图转化为三维地质模型的软件工具，通过识别每个二维地质断面图中的数据等信息，对所有地质断面图数据进行拟合，生成完整的三维地质模型，再进行准确的土石方量计算。

3 车辆段建筑单体BIM设计思路

3.1 常规设计模式

车辆段建筑单体常规设计流程：(1)车辆(工艺)专业根据计算规模、设计需求等开放单体房建资料，房建资料基本上是反映建筑轴线的单线条示意图；(2)房建专业根据车辆(工艺)资料设计建筑初步平立剖方案，并返回车辆(工艺)专业确认，而后再开放第一版平立剖图给所有相关专业；(3)车辆(工艺)在第一版建筑图上提供风水电设计要求资料，并开放给相关专业；(4)暖通、给排水、电力等专业给建筑反馈意见；(5)根据反馈意见，房建专业修改资料，再开放第二版平立剖图，各专业在此基础上开展设计。

这个设计过程在传统的二维设计模式下，并没有太多的问题。但在三维设计模式下完成上述流程，车辆(工艺)、暖通、给排水、电力等专业多次反馈建筑模型意见，对建筑初始模型的建立增加了很多修改工作量，这种修改工作量要比二维设计大很多。其模式设计流程如图1所示，须先生成初步建筑BIM模型供车辆(工艺)专业反馈意见，修改后再生成初始建筑BIM模型供其他专业反馈意见，然后再修改，最后由各个专业一起设计完成最终BIM模型。

图1 建筑单体常规设计流程示意图

3.2 以功能为导向的BIM设计思路

针对上述设计问题，结合车辆段单体建筑的功能特点，本文提出一种全新的以功能为导向的车辆段BIM设计思路，其精髓是将车辆(工艺)等专业与房建专业多次提资反馈的设计过程简化为车辆(工艺)专业根据车辆段功能导向直接成型车辆段初始BIM模型的过程。人员投入从各个专业全程参与简化为前期车辆(工艺)单专业主导，后期各专业深化。其设计流程，如图2所示。

图2 以功能为导向的BIM设计流程示意图

这种设计思路的核心是将常规设计流程的(1)、(2)、(3)三个环节简化为一个环节，即车辆(工艺)专业根据功能导向直接设计生成初始BIM模型，而后各专业在初始模型的基础上进行深化设计。车辆(工艺)专业在设计前期发挥主导作用，这同车辆段的功能特征相符。

初始BIM模型应包含：(1)建筑长宽尺寸、柱网分布、各层高面、门、窗以及天地墙中与功能相关的做法。(2)生产用水点、排水点。(3)车辆(工艺)设备分布、设备电源引入点、电源功率等接口信息。

实现以功能为导向直接生成初始模型的关键技术有以下两点：

(1)较为完善的车辆段构件族库。建设比较完整的车辆段土建构件和设备族库。如柱子、承台、作业平台、检查地沟等都可以形成族库。族库的建立为功能导向的设计模式打好基础。

(2)建筑单体设计软件二次开发。针对每个单体的特点，通过整理归纳通用图集，开发快速生成设计软件。如在车辆段运用库的BIM设计软件开发中，通过输入停车列检规模、规范线间距等计算指标，并选择组合形式，便可快速生成运用库的初步框架模型，而后工艺专业根据功能需求，在此基础上采用“搭积木形式”添加房建和机电元素。