基于BIM技術的鐵路客車車輛段設計研究

陳 暉

(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

隨著現代工業的迅速發展，尤其是我國鐵路項目的大力建設，對設計手段提出了許多新的要求[1]。傳統的設計模式下，各專業之間的溝通往往為階段性溝通，即通過特定時間的“對圖”描述來解決設計沖突，整個流程不成系統且效果往往不如人意[2]。

BIM與傳統二維設計相比，最具三維效果圖展示，快速算量，碰撞檢查等極具特色的優化[3]。通過建立BIM建筑信息模型，各專業開展協同設計，提前解決設計過程中的“差、錯、漏、碰”問題[4]。通過BIM手段模擬真實效果，設計人可以在設計過程中直觀感受，同時也可以避免施工單位依據二維圖紙不能直接領悟設計意圖，設計單位后期再通過變更修改設計，耗費人力、財力及時間[5]。通過利用BIM模型的拓展功能，對實施的工程進行多方位應用模擬[6]，對設計人員未思考到的部分進行完善優化，同時提高設計效率[7]。作為一種全新的數字化處理方式，建筑信息模型能夠同時適用于項目的決策階段、實施階段、使用階段，尤其是項目的決策階段中[8]，能最大限度地發揮其協調性優勢，做到質量與效率雙把控，投資與工期雙降低，顯著降低成本[9]。

對于鐵路車輛段這樣一個多專業、特大型的鐵路綜合設計工點而言[10]，嘗試并全面推廣應用以BIM為基礎的三維數字設計和協同技術，必然會帶來生產效率和設計質量的大幅提升，同時對于后期施工費用與過程的精確控制以及運營維護管理都將會發揮巨大的推動作用[11]。

以西安站改客車段工程BIM設計項目為依托，重點研究BIM技術在鐵路客車車輛段領域綜合應用的發展路線及關鍵技術。

1 項目概況

既有西安客車車輛段位于西安站北側，現有段修臺位10個，占地約4 hm2(60畝)。由于西安車站改擴建影響需沖占拆除既有車輛段，根據西安鐵路樞紐的整體規劃須遷建至西安東站，位于隴海上、下行正線之間，西側與整備所東端咽喉順接，北側與遷建機務段相鄰，東側為城市快速干道。

遷建客車段總規模30臺位。車輛段占地約13.67 hm2(205畝)，新建房屋總建筑面積44 029.3 m2，新增鋪軌9.48 km(含庫內)。車輛段整體為東西方向布置，西端為生產區，東端為辦公生活區，南側為車輛存放場。生產區主要包括檢修組合車庫、預檢庫、交驗庫、油漆庫、材料庫、空壓機間、配電間、設備維修間及車電間；辦公生活區主要設有生產調度綜合樓、食堂浴室、職工間休及職教綜合樓以及預留停車場、活動場地。總平面布置見圖1。

圖1 遷建西安客車段總平面布置

2 BIM平臺及軟件選擇

對市場上具有一定影響的BIM和BIM相關軟件目前主流的BIM平臺進行總結，Autodesk公司產品較為全面成熟，同時與CAD接口較好，因此選用基于Autodesk Revit平臺的BIM軟件開展設計。

Autodesk平臺Revit軟件主要用于建筑及附屬工程設計，而車輛專業設備均為專用設備，無相應設備族，且利用Revit繪制不規則外形的設備效率低下。因此需要根據專業特點進行車輛專業適用軟件的選定。對Autodesk平臺的支持的數據格式進行了整理與測試，以及機械BIM軟件與Autodesk平臺的接口研究與多次嘗試，初步明確可利用Solidworks輸出的*.sat格式文件與Inventor輸出的*.iges格式文件進行族輪廓的建立。

由于車輛專業設備眾多且外形較為復雜，部分設備需要利用供應商提供的設備模型進行族外形設計，綜合上述各機械軟件的接口與市場上機械三維設計軟件的應用情況，車輛專業設備的BIM族外形設計軟件以Solidworks為主。

3 設計流程

通過采用BIM設計方法，依托傳統設計手段，車輛段BIM設計流程總結如圖2。

3.1 專業內部設計

各專業對本專業族庫梳理完善，建立本專業所需模型的外觀并錄入相關參數信息。

3.2 室外工程設計

車輛專業完成工藝總平面概念設計圖并提供給站場專業，站場專業確定基點后提供各室外專業進行繪制各專業內容，同時完善站場專業模型。

3.3 室內工程設計

車輛專業完成各分間平面概念設計圖并提供給房建專業，房建專業結合站場基點位置，向各室內專業提供各單體軸網高程，各專業繪制室內設備管線的同時，房建專業完善房屋模型。

3.4 模型匯總及優化

各專業文件在服務器匯總，并通過碰撞檢查、日照模擬、排煙分析的模型綜合應用手段，進行優化設計。

3.5 模型完善及交付

最后在完成優化設計的模型進行渲染美化，并進行工籌模擬，最終提交用戶。

圖2 車輛段工程室內外設計流程

4 BIM可視化設計

4.1 場坪設計

站場專業在Civil 3D中完成場區平、縱裝配的設計，然后將Civil 3D三維曲面實體化并插入Revit中，形成站場路基實體模型。流程如圖3所示。

圖3 場坪設計過程

4.2 設備族設計及管理

族是組成項目的構件，同時是參數信息的載體。車輛段作為一項重大的系統工程，設備族標準化設計及管理非常重要。基于Revit二次開發的族設計及族庫管理如圖4所示。

圖4 族庫設計管理

4.3 室內外構筑物設計

基于西安站改客車段室內外構筑物布置，對段內建筑物、股道、設備、管線等進行建模布置，如圖5所示。

圖5 車輛段內建筑物、股道、設備、管線布置

5 BIM模型應用

對于建成的BIM三維模型，除了直觀的可視化功能之外，還可以對模型進行如設備數量、土建工程數量快速統計、碰撞檢查、空氣流體運動模擬、日照模擬、工籌模擬、VR漫游模擬、移動端展示等功能應用，能夠有效地優化設計方案與施工管理[12]。現對西安站改客車段工程BIM設計項目所運用的功能進行介紹。

5.1 設備管理應用(圖6)

通過BIM模型能夠快速選取設備，統計車輛段內各分間設備數量，同時能夠查看設備參數，對于設備安裝及運維階段管理有重要意義[13-14]。

圖6 設備參數管理

5.2 碰撞檢查分析(圖7)

碰撞檢查是在匯總的模型基礎上，對建筑、基礎、設備、管線等構件進行干涉關系分析，能夠有效減少設計階段容易發生的差、錯、漏、碰，降低施工變更風險，降低投資[15]。本項目通過碰撞檢查發現共計602處問題，預計優化方案節約的投資約300萬元。

圖7 碰撞檢查分析

5.3 排煙工況下空氣流體運動模擬分析(圖8)

當庫內局部位置著火后，煙氣迅速上升，聚集在房屋上部，暖通專業對檢修庫進行CFD模擬分析，可以有效確定滿足自然排煙需要開設的天窗及高窗面積和位置。通過排煙分析調整高窗位置12處。

圖8 空氣流體運動模擬分析

5.4 日照模擬分析(圖9)

建筑專業模擬場地的日照條件，確定組合車庫在日照下的遮擋與投影狀況，綜合判斷開窗面積及位置，實現綠色節能建筑設計。通過日照模擬分析優化開窗位置46處。

圖9 日照模擬分析

5.5 工籌模擬分析(圖10)

通過對BIM模型施工過程的可視化模擬，可以有效地優化設計階段的工程籌備與籌劃，同時避免遺漏臨時工程與設施，并最終完成可視化交底，有效直觀地指導施工單位作業[16]。

圖10 工籌模擬

6 結語

通過西安站改客車段BIM設計項目試點，明確了鐵路車輛段設計中工藝專業所采用的BIM設計應用軟件以及與BIM平臺的接口，制定出一套車輛專業乃至車輛段BIM設計的標準化流程，并拓展了BIM模型綜合應用優化設計手段。能夠幫助各專業設計人員放大方案的每個細節[17]，將方案的每一個微小部位充分暴露，利用軟件有效減少人工設計時容易發生的疏忽、差錯和遺漏[18]，通過模擬分析調整設計方案，以實現車輛段的優化。同時能夠推進預構和明確計劃安排[19]，為實現車輛段施工協調組織時間方面發揮巨大作用[20]，為BIM技術在鐵路領域的應用提供參考借鑒。