基于數字化設計系統的鐵路站場BIM自動化建模研究

魏方華

(軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院),西安 710043)

引言

鐵路站場設計是一個極其復雜的系統工程，需要項目各方在各階段相互銜接，各專業協同設計[1]。然而，現有鐵路站場設計方法大多基于二維CAD圖紙，以郵件、會議等間接的溝通形式來傳遞圖紙和說明等以期進行協同工作[2]。在信息溝通、進度控制、資源調配、標準化設計等方面的統一管理復雜而低效，且容易造成各專業間信息溝通的不及時、不順暢，在設計意圖的表達和理解不夠完整和明確時，出現一些偏差，導致設計成果無法達到預期的在鐵路施工運營和維護管理的服務效果[3]。因此，更新專業人員的設計手段，提高鐵路站場設計工作的效率與質量愈發顯得重要與緊迫。

BIM是“建筑信息模型”(Building Information Model)的簡稱，由美國喬治亞技術學院建筑與計算機專業的查克·伊斯曼(Chuck Eastman)于20世紀70年代提出[4-6]。BIM是一個共享的知識資源，可為工程設施全生命周期(規劃→設計→施工→運維→拆除)的決策提供可靠信息支持，具有完備性、協調性、一致性等特點[7-8]，現在已成功應用于建筑行業[9-10]，并逐漸向整個工程建設領域拓展[11-12]。BIM技術為更新設計手段，提高鐵路站場設計效率、設計質量提供了可行的解決辦法[13]。

然而，當前國內鐵路站場BIM的研究尚處于起步階段[14-16]，主要是利用二維設計圖紙進行設計成果的模型建造，站場內幾乎所有設備的信息模型均是人工構建，站場設備的定位與拼裝也全部依靠手工作業，存在效率低下和精度不太高的問題，也進一步影響對信息模型的傳遞與拓展應用[17-18]。

1 鐵路站場數字化設計系統

BIM(Building Information Model)最重要的是“I”(information)，如何建立鐵路站場設計的“information”并將其管理、傳遞以及應用起來，是實現鐵路站場BIM設計的關鍵。基于此，筆者參與研究開發了鐵路站場數字化設計系統[19-20]，將鐵路站場所涉及到的設備對象化、實體化，鐵路站場專業所涉及的設備大類如圖1所示。

圖1 鐵路站場主要設備對象

通過鐵路站場數字化設計系統開展設計，可將設計成果保存至數據庫中，這樣各設備的信息便被記錄下來，包括設備的幾何信息與非幾何屬性，以及各設備間的空間耦合約束關系，通過對數據庫的讀取與解析，可恢復圖形并進行信息的傳遞，而無需再傳遞圖紙，實現設計成果的數字化。鐵路站場數字化設計系統總體結構如圖2所示。

圖2 站場數字化設計系統總體結構

2 鐵路站場BIM參數化建模

在未實現設計成果數字化之前，設計人員在創建站場BIM模型時，一般的做法是在完成標準設備構件模型的基礎上，結合二維設計圖，手工放置每一設備構件，如軌道、信號機等，最后整合形成整個站場BIM。此過程存在2個缺點。

(1)設計方案無法實現數據化存儲。當站場方案發生變動時，方案成果保存在二維圖紙中，設備變動后的位置需要設計人員從二維圖中獲取。

(2)建模過程重復，效率低下，精度不高。同種類型不同位置的設備，如高柱信號機和矮柱信號機，實質上的區別在于位置、類型的不同，在建立BIM模型的過程中需要手動依次創建多個信號機對象，將其插入對應的位置，此過程中許多操作具有通用性和繁復性，耗費時間長，使設計人員無法專注于方案本身。

實質上，在標準化單體構件模板以及設計方案數字化的基礎上，可以利用已有數字信息進一步開發站場自動建模插件，使程序根據已有數字信息自動、快速創建站場BIM模型。

2.1 站場設備數字信息

站場數字化設計成果數據庫中記錄了設備的各種設計信息，從數據庫中獲取的信息主要包括定位信息、幾何尺寸、非幾何屬性(材質、通用圖號等)以及設備間的關聯耦合邏輯關系，通過程序自動調用即可實現自動化成圖與建模。以道岔為例，用戶雙擊某個道岔，通過對話框調用數據庫中對應信息，顯示示例如圖3所示。

通過如圖3所示的對話框可清晰直觀地獲取道岔的編號、類型、圖號、軌型、坐標、所屬股道等相關信息，通過圖號又能從道岔規范數據庫中索引到道岔的結構、幾何尺寸等信息。

2.2 自動化創建站場模型

通過利用鐵路站場數字化設計成果，開發BIM模型設計插件，可實現鐵路站場信息模型的高效快速構建，該插件的總體架構如圖4所示。

圖4 程序總體架構

BIM模型設計插件主要包括以下模塊。

(1)菜單模塊

此模塊有兩個功能，一則提供程序入口，由用戶選擇項目文件，二則提供用戶交互接口，設計人員可以更改平臺環境、設備信息。

(2)鐵路站場標準設備構件模塊

預先創建標準化的站場設備構件，將其放置在構件庫中。通過函數的調用進行站場標準構件的加載。此外還需要定位點或定位線的函數，定位信息從數據庫獲取。

(3)站場數據庫模塊

通過數據庫獲取所有設備的相關信息，并構建單體模型與總裝模型，數據庫中的數據才是BIM設計的核心，并隨著設計成果的流轉與傳遞，允許不同角色根據權限對數據進行相應的操作。

(4)自動建模模塊

設備從形式上分為點、線、面3種類型，其創建過程各異，對于構件庫中存在單體標準構件的設備，首先加載構件庫中的標準構件，再結合設備信息，賦予坐標、長度、材質、圖號等信息，根據點、線屬性創建實例，對于不存在標準構件的設備(如復雜路基體)，只能通過數據庫中記錄的斷面信息實時創建路基體實例，通過二者的結合即可完成站場BIM實體信息模型的創建工作。

2.3 實例應用

以銀西高鐵寧縣車站為例，通過鐵路站場數字化設計系統對車站各設備進行平縱橫參數設計，并將設計成果保存至數據庫，分析該參數化數據庫，解析站場專業構件實體之間的邏輯關聯關系，結合在Revit軟件平臺上開發的數據接口插件，導入站場參數化設計數據成果，可快速生成站場專業BIM模型，其實現流程如圖5所示。生成的三維BIM模型局部示例參見圖6。

圖5 參數化建模流程

圖6 站場BIM模型局部示例

該BIM設計插件原型系統在局部細節的處理上還存在一定的不足，還需補充完善相關算法，在此不再贅述。

3 結語

針對鐵路站場BIM設計目前存在的低效與應用質量不佳的現狀，對鐵路站場BIM模型高效快速構建方法進行了研究，提出應基于鐵路站場設計成果的數字化，構建鐵路站場BIM模型，并對鐵路站場數字化設計系統總體架構與BIM模型設計插件的程序模塊與流程進行了介紹。

本研究成果可擺脫對二維圖紙的人工低效翻模，實現參數化信息對站場三維模型的快速驅動。所介紹的BIM設計插件可不僅限于Autodesk平臺，也可在其他三維平臺如Bentley上開發相應數據接口插件。