基于数字化设计系统的铁路站场BIM自动化建模研究

魏方华

(轨道交通工程信息化国家重点实验室(中铁一院),西安 710043)

引言

铁路站场设计是一个极其复杂的系统工程，需要项目各方在各阶段相互衔接，各专业协同设计[1]。然而，现有铁路站场设计方法大多基于二维CAD图纸，以邮件、会议等间接的沟通形式来传递图纸和说明等以期进行协同工作[2]。在信息沟通、进度控制、资源调配、标准化设计等方面的统一管理复杂而低效，且容易造成各专业间信息沟通的不及时、不顺畅，在设计意图的表达和理解不够完整和明确时，出现一些偏差，导致设计成果无法达到预期的在铁路施工运营和维护管理的服务效果[3]。因此，更新专业人员的设计手段，提高铁路站场设计工作的效率与质量愈发显得重要与紧迫。

BIM是“建筑信息模型”(Building Information Model)的简称，由美国乔治亚技术学院建筑与计算机专业的查克·伊斯曼(Chuck Eastman)于20世纪70年代提出[4-6]。BIM是一个共享的知识资源，可为工程设施全生命周期(规划→设计→施工→运维→拆除)的决策提供可靠信息支持，具有完备性、协调性、一致性等特点[7-8]，现在已成功应用于建筑行业[9-10]，并逐渐向整个工程建设领域拓展[11-12]。BIM技术为更新设计手段，提高铁路站场设计效率、设计质量提供了可行的解决办法[13]。

然而，当前国内铁路站场BIM的研究尚处于起步阶段[14-16]，主要是利用二维设计图纸进行设计成果的模型建造，站场内几乎所有设备的信息模型均是人工构建，站场设备的定位与拼装也全部依靠手工作业，存在效率低下和精度不太高的问题，也进一步影响对信息模型的传递与拓展应用[17-18]。

1 铁路站场数字化设计系统

BIM(Building Information Model)最重要的是“I”(information)，如何建立铁路站场设计的“information”并将其管理、传递以及应用起来，是实现铁路站场BIM设计的关键。基于此，笔者参与研究开发了铁路站场数字化设计系统[19-20]，将铁路站场所涉及到的设备对象化、实体化，铁路站场专业所涉及的设备大类如图1所示。

图1 铁路站场主要设备对象

通过铁路站场数字化设计系统开展设计，可将设计成果保存至数据库中，这样各设备的信息便被记录下来，包括设备的几何信息与非几何属性，以及各设备间的空间耦合约束关系，通过对数据库的读取与解析，可恢复图形并进行信息的传递，而无需再传递图纸，实现设计成果的数字化。铁路站场数字化设计系统总体结构如图2所示。

图2 站场数字化设计系统总体结构

2 铁路站场BIM参数化建模

在未实现设计成果数字化之前，设计人员在创建站场BIM模型时，一般的做法是在完成标准设备构件模型的基础上，结合二维设计图，手工放置每一设备构件，如轨道、信号机等，最后整合形成整个站场BIM。此过程存在2个缺点。

(1)设计方案无法实现数据化存储。当站场方案发生变动时，方案成果保存在二维图纸中，设备变动后的位置需要设计人员从二维图中获取。

(2)建模过程重复，效率低下，精度不高。同种类型不同位置的设备，如高柱信号机和矮柱信号机，实质上的区别在于位置、类型的不同，在建立BIM模型的过程中需要手动依次创建多个信号机对象，将其插入对应的位置，此过程中许多操作具有通用性和繁复性，耗费时间长，使设计人员无法专注于方案本身。

实质上，在标准化单体构件模板以及设计方案数字化的基础上，可以利用已有数字信息进一步开发站场自动建模插件，使程序根据已有数字信息自动、快速创建站场BIM模型。

2.1 站场设备数字信息

站场数字化设计成果数据库中记录了设备的各种设计信息，从数据库中获取的信息主要包括定位信息、几何尺寸、非几何属性(材质、通用图号等)以及设备间的关联耦合逻辑关系，通过程序自动调用即可实现自动化成图与建模。以道岔为例，用户双击某个道岔，通过对话框调用数据库中对应信息，显示示例如图3所示。

通过如图3所示的对话框可清晰直观地获取道岔的编号、类型、图号、轨型、坐标、所属股道等相关信息，通过图号又能从道岔规范数据库中索引到道岔的结构、几何尺寸等信息。

2.2 自动化创建站场模型

通过利用铁路站场数字化设计成果，开发BIM模型设计插件，可实现铁路站场信息模型的高效快速构建，该插件的总体架构如图4所示。

图4 程序总体架构

BIM模型设计插件主要包括以下模块。

(1)菜单模块

此模块有两个功能，一则提供程序入口，由用户选择项目文件，二则提供用户交互接口，设计人员可以更改平台环境、设备信息。

(2)铁路站场标准设备构件模块

预先创建标准化的站场设备构件，将其放置在构件库中。通过函数的调用进行站场标准构件的加载。此外还需要定位点或定位线的函数，定位信息从数据库获取。

(3)站场数据库模块

通过数据库获取所有设备的相关信息，并构建单体模型与总装模型，数据库中的数据才是BIM设计的核心，并随着设计成果的流转与传递，允许不同角色根据权限对数据进行相应的操作。

(4)自动建模模块

设备从形式上分为点、线、面3种类型，其创建过程各异，对于构件库中存在单体标准构件的设备，首先加载构件库中的标准构件，再结合设备信息，赋予坐标、长度、材质、图号等信息，根据点、线属性创建实例，对于不存在标准构件的设备(如复杂路基体)，只能通过数据库中记录的断面信息实时创建路基体实例，通过二者的结合即可完成站场BIM实体信息模型的创建工作。

2.3 实例应用

以银西高铁宁县车站为例，通过铁路站场数字化设计系统对车站各设备进行平纵横参数设计，并将设计成果保存至数据库，分析该参数化数据库，解析站场专业构件实体之间的逻辑关联关系，结合在Revit软件平台上开发的数据接口插件，导入站场参数化设计数据成果，可快速生成站场专业BIM模型，其实现流程如图5所示。生成的三维BIM模型局部示例参见图6。

图5 参数化建模流程

图6 站场BIM模型局部示例

该BIM设计插件原型系统在局部细节的处理上还存在一定的不足，还需补充完善相关算法，在此不再赘述。

3 结语

针对铁路站场BIM设计目前存在的低效与应用质量不佳的现状，对铁路站场BIM模型高效快速构建方法进行了研究，提出应基于铁路站场设计成果的数字化，构建铁路站场BIM模型，并对铁路站场数字化设计系统总体架构与BIM模型设计插件的程序模块与流程进行了介绍。

本研究成果可摆脱对二维图纸的人工低效翻模，实现参数化信息对站场三维模型的快速驱动。所介绍的BIM设计插件可不仅限于Autodesk平台，也可在其他三维平台如Bentley上开发相应数据接口插件。