尹 燊

（中鐵華鐵工程設(shè)計集團(tuán)有限公司 軌道交通設(shè)計院，北京 100071）

我國城市軌道交通發(fā)展至今，地鐵車輛段的設(shè)計工作日趨成熟。在全自動無人駕駛、上蓋開發(fā)等新技術(shù)、新思路的應(yīng)用背景下，多元化及精細(xì)化的地鐵車輛基地建設(shè)對設(shè)計工作提出了新的挑戰(zhàn)。地鐵系統(tǒng)的設(shè)計需要通信、信號、車輛、線路、供電等不同專業(yè)協(xié)同配合，而建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）技術(shù)在專業(yè)協(xié)同方面具有先天優(yōu)勢，可為各專業(yè)技術(shù)人員提供可靠的技術(shù)支撐。區(qū)別于正線設(shè)計，地鐵車輛基地的設(shè)計必須以實現(xiàn)車輛運用與檢修工藝為首要目標(biāo)，車輛段工藝專業(yè)的設(shè)計成果是各土建設(shè)計專業(yè)工作的基礎(chǔ)。因此，在車輛段工藝設(shè)計中應(yīng)用BIM 技術(shù)是實現(xiàn)全專業(yè)BIM 正向設(shè)計的先決條件。

現(xiàn)階段我國地鐵BIM 正向設(shè)計的研究方向主要以建筑設(shè)計專業(yè)為核心，站場、機(jī)電等設(shè)計專業(yè)為主要應(yīng)用點[1-2]，而對于地鐵車輛段工藝設(shè)計專業(yè)的BIM 技術(shù)應(yīng)用尚不多見。本文通過總結(jié)地鐵車輛段工藝BIM 的特點和要求，結(jié)合相關(guān)設(shè)計經(jīng)驗，提出了基于Revit 平臺進(jìn)行工藝正向設(shè)計的優(yōu)化方案，提升了工藝設(shè)計的協(xié)作效率。

1 地鐵車輛段工藝BIM 的特點和精細(xì)程度要求

1.1 車輛段工藝BIM 的特點

區(qū)別于民用建筑項目，工藝設(shè)計專業(yè)的工作內(nèi)容是通過對人員、機(jī)器、物料、方法、環(huán)境等元素的計算與布置，實現(xiàn)工業(yè)項目的使用功能，而其他因素則以工藝設(shè)備為核心來實現(xiàn)。因此，工藝BIM的建模重點為在空間內(nèi)對工藝設(shè)備模型進(jìn)行布置，建筑主體結(jié)構(gòu)作為工藝布置的附屬存在可以進(jìn)行一定程度的弱化。

相比于給排水、暖通、電氣等其他設(shè)備專業(yè)，車輛段工藝設(shè)計面對的工藝設(shè)備存在數(shù)量大、種類多且非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備占多數(shù)的特點，因此利用Revit 平臺正向設(shè)計面臨著嚴(yán)重缺少基礎(chǔ)構(gòu)件庫的問題。本文將車輛段工藝設(shè)備分為2 類，其中，同質(zhì)化工藝設(shè)備主要包括檢修平臺、防護(hù)網(wǎng)、登車梯、車輛等；差異化工藝設(shè)備主要包括洗車機(jī)、車輪車床、架車機(jī)等。除常規(guī)樣板的基本內(nèi)容外，正向設(shè)計實施過程中需要用到的族構(gòu)件較多[3]，為了提高工藝設(shè)備BIM 建模的效率，可定制企業(yè)級工藝樣板，同時為同質(zhì)化主要工藝設(shè)備預(yù)置Revit 族庫、材質(zhì)庫等，以便方案布置時省去大量的設(shè)備建模時間。

1.2 車輛段工藝BIM 的精細(xì)程度要求

建筑信息領(lǐng)域的精細(xì)程度（LOD，Level of Development）指模型組件在營建生命周期的不同階段中所預(yù)期的完整度，也是用于說明BIM 內(nèi)容與細(xì)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)《建筑工程設(shè)計信息模型交付標(biāo)準(zhǔn)》的建議[4]，項目可行性研究階段的建模精細(xì)度為LOD100；方案設(shè)計階段的建模精細(xì)度為LOD200；初步設(shè)計、施工圖設(shè)計階段的建模精細(xì)度達(dá)到LOD300；其他建筑構(gòu)配件可按需求以簡單幾何體替代建筑設(shè)備，但應(yīng)表示出其最大占位尺寸。

由于標(biāo)準(zhǔn)中并未對工藝設(shè)備類別進(jìn)行規(guī)定，因此可參照“其他”項中的建議，在工藝方案設(shè)計階段建立控制工藝設(shè)備長、寬、高尺寸的立方體參數(shù)化族進(jìn)行方案布置。有時在某些項目施工圖設(shè)計階段采用此參數(shù)化族模型進(jìn)行工藝設(shè)備布置也可滿足工藝施工圖出圖要求。

但工藝BIM 建模更重視過程應(yīng)用而非交付，模型僅僅滿足方案排布與出圖要求是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。為了實現(xiàn)一模多用，在完成工藝方案模型搭建后需在工藝設(shè)備體塊族的基礎(chǔ)上添加設(shè)備的名稱、編號、耗電功率、電壓及動力接口需求等信息，生成工藝設(shè)備信息表并完成方案布置，而后利用Revit 平臺的明細(xì)表功能生成提資資料。如此，工藝設(shè)備體塊族的精細(xì)度在幾何外形層面仍為LOD100，但在信息層面已達(dá)到LOD400 以上。由此可見，在工藝設(shè)備BIM 領(lǐng)域中，LOD 與設(shè)計階段的關(guān)系并不嚴(yán)格對應(yīng)，需根據(jù)設(shè)備類型與應(yīng)用情況具體劃分。

2 地鐵車輛段工藝BIM 正向設(shè)計

過去，工藝方案的調(diào)整需要設(shè)計人員耗費大量的時間成本用于各方溝通。將BIM 技術(shù)應(yīng)用于工藝設(shè)計的全生命周期可為各參與方在不同階段實現(xiàn)協(xié)同工作提供有效支撐。

2.1 傳統(tǒng)車輛段工藝設(shè)計流程分析

類似于工廠類工程建設(shè)項目的工藝設(shè)計，車輛段工藝設(shè)計需要根據(jù)規(guī)劃、行車組織、檢修修程、業(yè)主需求等基礎(chǔ)資料，對車輛停放規(guī)模、檢修規(guī)模的計算及軟硬件系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行規(guī)劃，再根據(jù)計算規(guī)模進(jìn)行工藝設(shè)備配置、人員配置及工藝方案布置。傳統(tǒng)的車輛段工藝設(shè)計過程中，工藝設(shè)計資料為建筑、站場總圖及機(jī)電設(shè)備等專業(yè)的設(shè)計提供基礎(chǔ)資料，并根據(jù)各專業(yè)反提資料進(jìn)行方案調(diào)整及深化，設(shè)計流程如圖1 所示。

圖1 傳統(tǒng)車輛段工藝設(shè)計流程

傳統(tǒng)的車輛段設(shè)計工藝流程存在著信息流線長、信息反饋延遲的問題。作為整個項目信息網(wǎng)絡(luò)的核心節(jié)點，工藝設(shè)計專業(yè)需在將上游輸入信息融入設(shè)計方案的同時將信息整合梳理后分發(fā)至下游專業(yè)。因此，工藝設(shè)計專業(yè)的信息流轉(zhuǎn)效率與設(shè)計成果產(chǎn)生速度影響著整個項目的設(shè)計工作效率。

2.2 車輛段工藝BIM 正向設(shè)計流程分析

采用BIM 正向設(shè)計進(jìn)行車輛段工藝設(shè)計工作，改變了原有的信息傳遞方式與協(xié)作模式，外部信息輸入后由工藝設(shè)計專業(yè)將其轉(zhuǎn)化為信息模型，再由各設(shè)計專業(yè)通過同一模型中心文件進(jìn)行協(xié)同設(shè)計。采用平臺化協(xié)同設(shè)計方式，可使各專業(yè)設(shè)計進(jìn)度實時同步更新，極大地提高了設(shè)計工作效率。協(xié)同平臺將項目建設(shè)方、運營方和施工方同時納入?yún)f(xié)同體系中，共同參與設(shè)計工作，避免了建設(shè)項目迭代優(yōu)化過程中信息不同步導(dǎo)致的設(shè)計返工情況，車輛段工藝BIM 正向設(shè)計流程如圖2 所示。

圖2 車輛段工藝BIM 正向設(shè)計流程

協(xié)同平臺中的工藝設(shè)備構(gòu)件庫作為工藝設(shè)計專業(yè)BIM 正向設(shè)計的基礎(chǔ)，在設(shè)計過程中提供基礎(chǔ)資料的同時不斷迭代更新，將傳統(tǒng)工藝設(shè)計中的經(jīng)驗化知識轉(zhuǎn)化為數(shù)字知識庫，并在后續(xù)的工程設(shè)計項目中進(jìn)行復(fù)用。

3 工藝設(shè)備的多途徑三維建模

為搭建工藝設(shè)備模型基礎(chǔ)構(gòu)件庫，滿足模型多方面應(yīng)用的具體要求，需采用不同方式進(jìn)行建模工作，主要包括Revit 平臺的族建模、產(chǎn)品設(shè)計軟件的三維模型轉(zhuǎn)換、傾斜攝影建模等。

3.1 基于Revit 平臺的族建模

使用Revit 平臺進(jìn)行工藝設(shè)備族建模時統(tǒng)一使用“公制常規(guī)模型”族樣板，并采用共享參數(shù)的方式將設(shè)備的耗電功率、電壓、動力接口需求等需要匯總計算的信息傳遞至項目模型。對于組成相對復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備，應(yīng)分析其組成部分并對各部件分別建族后進(jìn)行嵌套組合，各部件材質(zhì)及其他屬性應(yīng)分別定義為族參數(shù)層層傳遞以便在項目中調(diào)整使用。建模時應(yīng)把設(shè)備外形的最大尺寸作為主要控制點，對外形尺寸無明顯影響的細(xì)部構(gòu)件可視情況弱化或忽略，并在必要時制作供平面視圖顯示的圖例。

族模型文件建成后，需根據(jù)規(guī)范的工藝設(shè)備編碼體系將其分類存放，以便在設(shè)計工藝方案時通過引用存放路徑作為其信息編碼進(jìn)行管理。以車輛段設(shè)計項目為例，根據(jù)工藝方案目標(biāo)需求，配置車輛段各檢修工序所需工藝設(shè)備、車輛及其部件等模型族文件并對空間進(jìn)行優(yōu)化。完成方案建模后，統(tǒng)計各工藝設(shè)備的參數(shù)信息并匯總為接口需求資料向下游專業(yè)傳遞。

3.2 三維模型轉(zhuǎn)換

大部分工藝設(shè)備屬于非標(biāo)機(jī)械設(shè)備，其三維設(shè)計主流軟件為達(dá)索平臺的SolidWorks。工藝設(shè)備供應(yīng)商提供的設(shè)備三維模型大多為SolidWorks 軟件制作，精細(xì)度一般可達(dá)LOD 400 以上。若在項目前期使用如此高精細(xì)度的模型會大大加重計算機(jī)硬件負(fù)荷，在一定程度上影響工藝設(shè)計人員的工作效率。因此，在模型轉(zhuǎn)換前設(shè)計人員應(yīng)根據(jù)實際設(shè)計階段需求適當(dāng)進(jìn)行模型輕量化處理，并將模型轉(zhuǎn)換成可導(dǎo)入Revit 平臺的格式。

軟件間的模型轉(zhuǎn)換方法主要有：（1）將SolidWorks 軟件制作的三維模型輸出為sat 格式后，在CAD 軟件中進(jìn)行圖層處理，輸出dwg 格式文件并嵌套在Revit 族文件中使用；（2）用Inventor 軟件打開SolidWorks 輸出的STEP 格式文件，轉(zhuǎn)換為rfa 族文件并添加族參數(shù)完成工藝設(shè)備族的建模。轉(zhuǎn)換后的工藝設(shè)備模型示例如圖3 所示。

圖3 轉(zhuǎn)換生成的工藝設(shè)備模型

3.3 實景建模的小尺度應(yīng)用

實景建模技術(shù)是采用傾斜攝影等方法采集光學(xué)信息，并通過專業(yè)軟件處理生成實景三維模型的圖像技術(shù)[5]?，F(xiàn)階段使用無人機(jī)傾斜攝影進(jìn)行的實景建模主要應(yīng)用于地形測繪及城市規(guī)劃等領(lǐng)域，應(yīng)用尺度一般為公里級。針對某些構(gòu)造復(fù)雜、難以直接建模的工藝設(shè)備，也可采用實景建模技術(shù)生成設(shè)備三維模型，應(yīng)用尺度為米級。對于尺度在2 m 以內(nèi)的工藝設(shè)備，采用手持微型攝影機(jī)進(jìn)行拍攝即可滿足建模需求；對于尺度尤其是高度較大的工藝設(shè)備，在條件允許的情況下可在廠房室內(nèi)使用小型無人機(jī)進(jìn)行拍攝。

將實景生成模型的具體步驟如下：（1）將攝影圖像或視頻導(dǎo)入Context Capture 等軟件中進(jìn)行生產(chǎn)，輸出obj 等通用格式的三維模型文件及其貼圖；（2）將輸出的模型文件導(dǎo)入Blender 等三維軟件中進(jìn)行修模，刪除非必要的模型點；（3）導(dǎo)出為FBX 等格式的文件供工藝設(shè)計人員測量使用。

導(dǎo)出后的文件可作為構(gòu)件置入Revit 項目模型中進(jìn)行渲染，使得展示模型中的工藝設(shè)備效果更加真實，渲染后的模型示例如圖4 所示。

圖4 實景建模生成的設(shè)備模型

4 工藝設(shè)備模型信息的自動化批量處理

對于前文所述各途徑建模形成的工藝設(shè)備三維模型，由于其信息層面內(nèi)容的缺失，不能滿足工藝設(shè)計專業(yè)資料輸出的需求。若在工藝設(shè)備單獨建模的過程中，通過添加共享參數(shù)的手段實現(xiàn)信息注入會增加建模工作量，因此可先根據(jù)已有的工藝設(shè)備模型完成BIM 的搭建，再通過Dynamo 可視化編程手段實現(xiàn)工藝設(shè)備信息的批量注入及修改[6-7]，進(jìn)而快速完成工藝設(shè)備資料的統(tǒng)計與輸出。

4.1 批量添加族參數(shù)

對族文件批量添加族參數(shù)的流程如圖5 所示。（1）將族參數(shù)與參數(shù)值寫入規(guī)范化Excel 表格，并將需要添加族參數(shù)的Revit 族文件放置于統(tǒng)一文件夾路徑下，采用“Directorypath（選擇路徑）”節(jié)點分別讀取族文件與表格文件中的參數(shù)與參數(shù)值；（2）對表格文件中的數(shù)據(jù)列分別作提取轉(zhuǎn)置處理，為向族文件中添加參數(shù)與寫入?yún)?shù)值做好準(zhǔn)備；（3）通過“Parameter.Create（生成參數(shù)）”節(jié)點為讀取的族文件添加從表格中讀取的參數(shù)；（4）在添加族參數(shù)完畢后通過“Parameter Set Value（設(shè)定參數(shù)值）”節(jié)點在族參數(shù)中寫入相應(yīng)參數(shù)值。

圖5 對族文件批量添加族參數(shù)流程

4.2 工藝設(shè)備自動編號

工藝設(shè)備自動編號流程如圖6 所示。（1）選擇項目中的圖元，通過“Element.Get ParameterValueBy-Name（通過名稱獲取圖元參數(shù)值）”節(jié)點對圖元標(biāo)記進(jìn)行篩選，通過布爾運算提取其中被標(biāo)記為“工藝設(shè)備”的圖元；（2）在項目模型中繪制并選擇一條通過需編號工藝設(shè)備模型的模型線來定義編號順序，并生成族文件列表；（3）通過“Element.SetParameter-ByName（通過名稱設(shè)定圖元參數(shù)）”節(jié)點對列表中的族文件按定義的順序進(jìn)行編號，添加相應(yīng)字符串前綴后的編號值寫入“注釋”或其他參數(shù)中。

圖6 自動生成工藝設(shè)備編號流程

4.3 生成工藝設(shè)備表

在Revit 平臺中通過“明細(xì)表”功能可在工藝方案模型搭建完成后便捷生成工藝設(shè)備表。在工藝設(shè)計樣板文件中，按工藝設(shè)備表的顯示需求，對工藝設(shè)備添加相應(yīng)的共享參數(shù)字段[8]，利用添加的“工藝設(shè)備”標(biāo)記在過濾器中篩選出工藝設(shè)備模型，并根據(jù)設(shè)備編號進(jìn)行排序。設(shè)備表可與模型實時聯(lián)動、同步更新，進(jìn)而將工藝設(shè)備接口信息提供給相關(guān)設(shè)計專業(yè)或顯示在施工圖紙中。

5 結(jié)束語

本文通過分析地鐵車輛段工藝BIM 的特點和LOD 要求，對車輛段工藝正向設(shè)計的工作流程進(jìn)行了優(yōu)化，同時給出了工藝設(shè)備的多途徑建模和批量添加模型信息的方法，提升了工藝設(shè)計協(xié)作效率。將基于Revit 平臺的BIM 正向設(shè)計手段應(yīng)用于車輛段工藝設(shè)計中，能夠?qū)⒃O(shè)計模型與圖紙、數(shù)據(jù)等設(shè)計信息有機(jī)結(jié)合。下一步，將以批量構(gòu)建的工藝設(shè)備模型庫為項目設(shè)計基礎(chǔ)，快速建設(shè)工藝BIM 設(shè)計方案，并通過實時渲染、輕量化平臺、VR 等可視化手段進(jìn)行方案推演與交互，使設(shè)計方案在設(shè)計、論證、修改的循環(huán)迭代過程中不斷優(yōu)化。