基于建筑信息模型技術的換乘站行人設施布局方案快速生成方法

季 峰 黃靖宇 朱 蕾 郭長弓 顧保南

(1. 同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室， 201804， 上海;2. 同濟大學磁浮交通工程技術研究中心， 201804， 上海;3. 上海軌道交通十八號線發(fā)展有限公司， 200135， 上海//第一作者,碩士研究生)

伴隨著BIM(建筑信息模型)技術的快速發(fā)展，很多學者對BIM在城市軌道交通換乘站設計中的應用進行了研究。文獻[1]闡述了BIM在城市軌道交通車站設計中的應用；文獻[2]分析了BIM對車站施工進度的影響；文獻[3]分析了BIM在地鐵施工集成管理中的應用前景和價值。這些研究的實質就是直接使用BIM技術解決實際工程中的問題。在車站設計中，BIM應用的主要流程是：車站選址大致確定后，首先由建筑設計師初步確定建筑設計方案，實現(xiàn)建筑BIM模型；接著由結構設計師在建筑模型的基礎上，通過計算和分析，確定結構構件的尺寸和位置，建立結構BIM模型；最后由機電設計師在建筑模型和結構構件基本確定的前提下，進行車站暖通、給排水等的設計。由于是在同一個基礎模型上實現(xiàn)方案的生成，因此不同專業(yè)的設計師之間的溝通更加便捷。

1 換乘站行人設施布局方案快速生成方法

本文基于BIM技術，提出換乘站行人設施布局方案快速生成方法，實現(xiàn)行人設施布局方案的快速生成。整個技術流程(見圖1)分為初始準備、初始方案生成、方案修改和行人設施空間數(shù)據(jù)文件更新。

1.1 初始準備

初始準備工作指的是方案生成前的基礎準備工作，主要包括創(chuàng)建背景、構建行人設施單元庫、建立初始布局方案的行人設施空間數(shù)據(jù)文件。

(1) 創(chuàng)建背景：對車站的基本信息進行設置，創(chuàng)建當前方案的背景。主要指的是車站的設施層面和車站屬性層面。車站設施層面包括車站內的各類物理性的設施，即車站出入口、站廳、站臺等重要的基本設施；車站屬性層面包括車站的層高、標高及分層情況。創(chuàng)建背景的意義在于：在已知車站的層高、位置、標高等信息的情況下，構建行人設施方案生成的基本約束條件，在此基礎上實現(xiàn)行人設施布局方案生成。

圖1 換乘站行人設施布局方案快速生成技術流程圖

(2) 構建行人設施單元庫：將車站行人設施布局方案中所需要的行人設施族文件保存到一個特定的文件下，其主要包括安檢機、閘機、欄桿、自動扶梯、樓梯、電梯和通道等設施的文件。Revit軟件中族文件按照布置實現(xiàn)方法可分為點狀設施單元和線狀設施單元。點狀設施是通過一個基準點(Location Point)來完成位置的確定，這樣的設施主要有安檢機、閘機、自動扶梯等。線狀設施是根據(jù)線段兩端的端點坐標來完成位置的確定，這樣的設施主要有通道、欄桿、樓梯等。線段兩端端點不僅可以確定此類設施的方位，同時也能決定設施邊界的尺寸以及部分設施尺寸大小。當單元族庫中沒有所需尺寸的行人設施單元時，用戶可以按照自己的需求另外加工處理。

(3) 建立初始布局方案的行人設施空間數(shù)據(jù)文件。根據(jù)行人設施初始布局方案中各設施單元位置及方位要求，建立相關的行人設施數(shù)據(jù)庫文件。數(shù)據(jù)庫文件包含初始方案中各行人設施的名稱、設施單元存放地址、空間坐標、方位等信息。名稱即該設施單元的名字；地址指的是該設施單元族文件當前存放的絕對地址；ID指的是該設施單元的ID號，用以識別該設施；結構類型表示設施結構物的屬性值；類別表示該設施的類型；角度即需要旋轉的方位角；坐標即目標坐標。

1.2 初始方案生成

初始方案生成是指在完成了數(shù)據(jù)輸入之后，系統(tǒng)會先去判別所輸入的行人設施數(shù)據(jù)是否滿足當前方案生成所需的基本要求，然后再將合格的數(shù)據(jù)作為方案生成的基本參數(shù)導入生成函數(shù)中，依次完成每一個行人設施的布置，從而最終實現(xiàn)行人設施初始布局方案的生成。

1.2.1 行人設施坐標數(shù)據(jù)合理性判斷

行人設施坐標數(shù)據(jù)合理性判斷是為了保證行人設施空間數(shù)據(jù)文件中所輸入的行人設施方位數(shù)據(jù)能夠滿足當前車站設計要求。這樣不僅加快了方案生成的速度，也提高了方案生成的效率。

行人設施方位數(shù)據(jù)合理性的判別主要從3個方面來考慮：行人設施是否在當前車站邊界條件以內，行人設施之間的相對位置關系是否滿足GB 50157—2013《地鐵設計規(guī)范》[4]的要求，行人設施之間是否會發(fā)生碰撞或者存在相互沖突的現(xiàn)象?；谝陨?方面考慮，本文做了以下3個判斷：

判斷1：行人設施是否在當前車站邊界范圍內。

(1)z軸坐標值判斷。任何一個行人設施，不管它是點狀設施還是線狀設施，都有一個基本的共性：其方位參數(shù)的z值坐標一定是布置在所在層樓板上的，即滿足如下要求：

Zpresent-floor≤z≤Zup-floor

(1)

式中：

Zpresent-floor——車站當前樓層樓板的z軸值；

Zup-floor——車站上層樓板的z軸值；

z——設施單元目標z軸值。

(2)oxy平面內各設施的坐標點對判斷。對z值的判別只是保證了z軸滿足基本的要求。如果其x、y值超過了車站樓板邊界范圍，則表示該設施不在車站內，則這樣的行人設施單元目標坐標也是不滿足要求的。在處理該問題時，首先將其簡化為“判斷平面內某一點是否在多邊形內部”的問題，即“在一個二維坐標系中，給定一個定點，再依次給出一個任意多邊形的所有頂點，討論頂點是否在多邊形內部”的問題，然后利用射線法進行判斷，具體算法參見文獻[5]。

判斷2：行人設施之間的相對位置關系是否滿足GB 50157—2013《地鐵設計規(guī)范》的要求。

要求部分行人設施有一些基本的間距。輸入行人設施坐標，對相應的行人設施的空間位置關系進行判斷，只有滿足《地鐵設計規(guī)范》中行人設施基本間距條件的才符合要求。

判斷3：行人設施之間是否會發(fā)生碰撞或者存在相互沖突的現(xiàn)象。

如圖2所示，欄桿穿過了閘機，兩種行人設施之間實際上發(fā)生了碰撞，但是Revit軟件并沒有報錯。因此需要對行人設施坐標數(shù)據(jù)進行碰撞判斷。

圖2 閘機和欄桿碰撞圖

碰撞存在2種情況，一是同種類型設施之間發(fā)生碰撞，即點狀設施單元間的碰撞；二是不同類型設施之間的碰撞，即點狀設施和線狀設施之間的碰撞。

針對以上2種碰撞情況，本文提出的解決方案包括以下2步。

第一步，對于同種類型的設施單元，對其目標坐標進行一一判斷。通過判斷點與點之間的距離來解決。當2個設施基點間的距離大于各自設施單元的最大半徑和，即認為兩者不會發(fā)生碰撞，公式如下：

ri+rj

(2)

式中：

d——第i點設施單元到第j點設施單元距離；

xi、yi、zi——分別為第i點設施單元目標坐標x、y、z值；

xj、yj、zj——分別為第j點設施單元目標坐標x、y、z值；

ri、rj——分別為第i點和第j點的各自設施基點到設施邊緣的最大半徑值。

第二步，對于不同類型的設施單元之間的碰撞問題，將設施單元的目標坐標投影到oxy平面上。把點設施單元基點坐標簡化成點P，將線狀單元設施起終點坐標值簡化成線段li，此時將上述碰撞問題簡化成點到直線的距離,即滿足P到li的距離大于點設施單元自身的最大直徑值：

(3)

式中：

d——P到直線li的距離；

x0、y0——分別為點設施單元目標坐標x、y值；

A——li所在直線的x軸的系數(shù)；

B——li所在直線的y軸的系數(shù)；

C——li所在直線的常數(shù)項；

ri——設施單元自身的最大直徑值。

綜上所述，只要滿足上述3個判斷條件，所輸入的方位數(shù)據(jù)才是可行的，只要有一個沒有滿足要求，系統(tǒng)即報錯，并顯示具體的錯誤點，提醒設計者重新輸入基本參數(shù)信息。

1.2.2 行人設施初步布置

當所有行人設施的方位數(shù)據(jù)滿足判別條件之后，所輸入的方位參數(shù)才能被Revit軟件讀取，接下來才能實現(xiàn)每一個行人設施的布置。按照以下4個步驟完成行人設施布置方案生成：

(1) 找到需要布置的行人設施的名稱、ID及族文件保存的地址信息；

(2) 利用地址和ID等信息，將所需要的行人設施加載到Revit軟件中；

(3) 調用布置行人設施所需要的函數(shù)，并且對函數(shù)中所需的參數(shù)進行賦值；

(4) 運行函數(shù)，完成單個行人設施布置，最終實現(xiàn)初始方案生成。

1.3 方案修改

方案修改指的是在初始方案生成后，系統(tǒng)會給予設計者手動修改方案的機會。設計人員在生成的初始方案基礎上，利用Revit軟件相關功能，手動修改行人設施布置方案中存在的問題。這樣生成的方案即為最終的行人設施布局方案。

1.4 行人設施空間數(shù)據(jù)文件更新

當設計者確定了最終的行人設施方案之后，系統(tǒng)會將所生成的方案以Excel表格、Revit文檔、圖片的形式保存在特定的文件夾下。

Revit文檔的特點是便于以后的調閱，便于整理不同的行人設施布局方案差異，同時也便于進行方案比較。圖片包含CAD文檔和Revit三維模型圖片，前者使所生成的方案能更好地服務于工程設計，后者則能從不同的角度展示當前方案下行人設施布局方案的特點，從而能夠更好地服務于設計者。Excel表格中記錄的是當前方案中所生成的行人設施的ID、坐標等信息數(shù)據(jù)。由于最終生成的行人設施布局方案和初步生成的方案不一定完全一致，因此當前生成的數(shù)據(jù)與輸入端的數(shù)據(jù)也不一定完全一致，但是Excel記錄了所形成的最終方案不同設施的屬性以及彼此的相對位置關系等信息，這讓設計者可以從定量的角度去分析、比較不同的備選方案之間的差異。

2 案例研究

以某城市軌道交通換乘站為例，簡述行人設施布局方案快速生成的實現(xiàn)過程。初始準備階段主要工作是先手動生成車站的基本設施(如圖3所示)，然后建立行人設施數(shù)據(jù)庫和Excel空間數(shù)據(jù)文件(如表1所示)。

圖3 創(chuàng)建的車站背景圖例表1 行人設施數(shù)據(jù)庫和Excel空間數(shù)據(jù)文件示例

序列名稱地址ID結構類型類別角度/(°)目標坐標/mxyz1橋式直角三輥閘C:UsersBluestorkDesktop行人設施庫橋式直角三輥閘.rfa36e4e7cd-9798-419b-bc9c-a4a30e6a9f61-0004c301NonStructuralOST_SpecialityEquipment90134.2421.506.002橋式直角三輥閘C:UsersBluestorkDesktop行人設施庫橋式直角三輥閘.rfa36e4e7cd-9798-419b-bc9c-a4a30e6a9f61-0004c301NonStructuralOST_SpecialityEquipment90134.24-6.006.00

將Excel文件導入Revit軟件中，系統(tǒng)會對所輸入的數(shù)據(jù)進行判斷，當不符合判斷條件時，系統(tǒng)會提示設計人員(如圖4所示)。直到所有的數(shù)據(jù)都滿足判斷條件，判斷通過后，初步方案生成。初步方案如圖5所示。

圖4 方位數(shù)據(jù)判斷圖

圖5 站廳層初步方案圖

初步方案中部分行人設施有誤，這時可以選擇手動操作閘機、樓扶梯的設施位置的修正，手動修改，形成最終方案。最終方案如圖6所示。

圖6 站廳層最終方案圖

最后將最終方案以rvt格式保存，并將方案導出成CAD文件，供工程設計人員參考，同時導出記錄當前方案行人設施空間位置數(shù)據(jù)的Excel文件，完成行人設施布局方案生成。表2為空間數(shù)據(jù)更新文件示例。

3 結語

本文論述了BIM技術條件下行人設施布局方案快速生成方法，介紹了其工作流程和工作內容。

表2 空間數(shù)據(jù)更新文件示例

通過軟件二次開發(fā)得到了方案快速生成插件，并且通過具體實例驗證了方案快速生成方法的有效性。采用這種方法，不僅提高了方案生成的質量，也大大減輕了設計人員的工作量。