基于Revit 平臺的地鐵車輛段工藝正向設計基礎研究

尹 燊

（中鐵華鐵工程設計集團有限公司 軌道交通設計院，北京 100071）

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

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

1 地鐵車輛段工藝BIM 的特點和精細程度要求

1.1 車輛段工藝BIM 的特點

區(qū)別于民用建筑項目，工藝設計專業(yè)的工作內(nèi)容是通過對人員、機器、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)對工藝設備模型進行布置，建筑主體結構作為工藝布置的附屬存在可以進行一定程度的弱化。

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

1.2 車輛段工藝BIM 的精細程度要求

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

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

但工藝BIM 建模更重視過程應用而非交付，模型僅僅滿足方案排布與出圖要求是遠遠不夠的。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備體塊族的基礎上添加設備的名稱、編號、耗電功率、電壓及動力接口需求等信息，生成工藝設備信息表并完成方案布置，而后利用Revit 平臺的明細表功能生成提資資料。如此，工藝設備體塊族的精細度在幾何外形層面仍為LOD100，但在信息層面已達到LOD400 以上。由此可見，在工藝設備BIM 領域中，LOD 與設計階段的關系并不嚴格對應，需根據(jù)設備類型與應用情況具體劃分。

2 地鐵車輛段工藝BIM 正向設計

過去，工藝方案的調(diào)整需要設計人員耗費大量的時間成本用于各方溝通。將BIM 技術應用于工藝設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)車輛段工藝設計流程分析

類似于工廠類工程建設項目的工藝設計，車輛段工藝設計需要根據(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)的應用進行規(guī)劃，再根據(jù)計算規(guī)模進行工藝設備配置、人員配置及工藝方案布置。傳統(tǒng)的車輛段工藝設計過程中，工藝設計資料為建筑、站場總圖及機電設備等專業(yè)的設計提供基礎資料，并根據(jù)各專業(yè)反提資料進行方案調(diào)整及深化，設計流程如圖1 所示。

圖1 傳統(tǒng)車輛段工藝設計流程

傳統(tǒng)的車輛段設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)絡的核心節(jié)點，工藝設計專業(yè)需在將上游輸入信息融入設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，工藝設計專業(yè)的信息流轉(zhuǎn)效率與設計成果產(chǎn)生速度影響著整個項目的設計工作效率。

2.2 車輛段工藝BIM 正向設計流程分析

采用BIM 正向設計進行車輛段工藝設計工作，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計專業(yè)將其轉(zhuǎn)化為信息模型，再由各設計專業(yè)通過同一模型中心文件進行協(xié)同設計。采用平臺化協(xié)同設計方式，可使各專業(yè)設計進度實時同步更新，極大地提高了設計工作效率。協(xié)同平臺將項目建設方、運營方和施工方同時納入?yún)f(xié)同體系中，共同參與設計工作，避免了建設項目迭代優(yōu)化過程中信息不同步導致的設計返工情況，車輛段工藝BIM 正向設計流程如圖2 所示。

圖2 車輛段工藝BIM 正向設計流程

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

3 工藝設備的多途徑三維建模

為搭建工藝設備模型基礎構件庫，滿足模型多方面應用的具體要求，需采用不同方式進行建模工作，主要包括Revit 平臺的族建模、產(chǎn)品設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 平臺進行工藝設備族建模時統(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。對于組成相對復雜的機械設備，應分析其組成部分并對各部件分別建族后進行嵌套組合，各部件材質(zhì)及其他屬性應分別定義為族參數(shù)層層傳遞以便在項目中調(diào)整使用。建模時應把設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部構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)范的工藝設備編碼體系將其分類存放，以便在設計工藝方案時通過引用存放路徑作為其信息編碼進行管理。以車輛段設計項目為例，根據(jù)工藝方案目標需求，配置車輛段各檢修工序所需工藝設備、車輛及其部件等模型族文件并對空間進行優(yōu)化。完成方案建模后，統(tǒng)計各工藝設備的參數(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

大部分工藝設備屬于非標機械設備，其三維設計主流軟件為達索平臺的SolidWorks。工藝設備供應商提供的設備三維模型大多為SolidWorks 軟件制作，精細度一般可達LOD 400 以上。若在項目前期使用如此高精細度的模型會大大加重計算機硬件負荷，在一定程度上影響工藝設計人員的工作效率。因此，在模型轉(zhuǎn)換前設計人員應根據(jù)實際設計階段需求適當進行模型輕量化處理，并將模型轉(zhuǎn)換成可導入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)完成工藝設備族的建模。轉(zhuǎn)換后的工藝設備模型示例如圖3 所示。

圖3 轉(zhuǎn)換生成的工藝設備模型

3.3 實景建模的小尺度應用

實景建模技術是采用傾斜攝影等方法采集光學信息，并通過專業(yè)軟件處理生成實景三維模型的圖像技術[5]。現(xiàn)階段使用無人機傾斜攝影進行的實景建模主要應用于地形測繪及城市規(guī)劃等領域，應用尺度一般為公里級。針對某些構造復雜、難以直接建模的工藝設備，也可采用實景建模技術生成設備三維模型，應用尺度為米級。對于尺度在2 m 以內(nèi)的工藝設備，采用手持微型攝影機進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備，在條件允許的情況下可在廠房室內(nèi)使用小型無人機進行拍攝。

將實景生成模型的具體步驟如下：（1）將攝影圖像或視頻導入Context Capture 等軟件中進行生產(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入Blender 等三維軟件中進行修模，刪除非必要的模型點；（3）導出為FBX 等格式的文件供工藝設計人員測量使用。

導出后的文件可作為構件置入Revit 項目模型中進行渲染，使得展示模型中的工藝設備效果更加真實，渲染后的模型示例如圖4 所示。

圖4 實景建模生成的設備模型

4 工藝設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，不能滿足工藝設計專業(yè)資料輸出的需求。若在工藝設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)工藝設備信息的批量注入及修改[6-7]，進而快速完成工藝設備資料的統(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（設定參數(shù)值）”節(jié)點在族參數(shù)中寫入相應參數(shù)值。

圖5 對族文件批量添加族參數(shù)流程

4.2 工藝設備自動編號

工藝設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)點對圖元標記進行篩選，通過布爾運算提取其中被標記為“工藝設備”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（通過名稱設定圖元參數(shù)）”節(jié)點對列表中的族文件按定義的順序進行編號，添加相應字符串前綴后的編號值寫入“注釋”或其他參數(shù)中。

圖6 自動生成工藝設備編號流程

4.3 生成工藝設備表

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

5 結束語

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