基于BIM技术的铁路客车车辆段设计研究

陈 晖

(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

随着现代工业的迅速发展，尤其是我国铁路项目的大力建设，对设计手段提出了许多新的要求[1]。传统的设计模式下，各专业之间的沟通往往为阶段性沟通，即通过特定时间的“对图”描述来解决设计冲突，整个流程不成系统且效果往往不如人意[2]。

BIM与传统二维设计相比，最具三维效果图展示，快速算量，碰撞检查等极具特色的优化[3]。通过建立BIM建筑信息模型，各专业开展协同设计，提前解决设计过程中的“差、错、漏、碰”问题[4]。通过BIM手段模拟真实效果，设计人可以在设计过程中直观感受，同时也可以避免施工单位依据二维图纸不能直接领悟设计意图，设计单位后期再通过变更修改设计，耗费人力、财力及时间[5]。通过利用BIM模型的拓展功能，对实施的工程进行多方位应用模拟[6]，对设计人员未思考到的部分进行完善优化，同时提高设计效率[7]。作为一种全新的数字化处理方式，建筑信息模型能够同时适用于项目的决策阶段、实施阶段、使用阶段，尤其是项目的决策阶段中[8]，能最大限度地发挥其协调性优势，做到质量与效率双把控，投资与工期双降低，显著降低成本[9]。

对于铁路车辆段这样一个多专业、特大型的铁路综合设计工点而言[10]，尝试并全面推广应用以BIM为基础的三维数字设计和协同技术，必然会带来生产效率和设计质量的大幅提升，同时对于后期施工费用与过程的精确控制以及运营维护管理都将会发挥巨大的推动作用[11]。

以西安站改客车段工程BIM设计项目为依托，重点研究BIM技术在铁路客车车辆段领域综合应用的发展路线及关键技术。

1 项目概况

既有西安客车车辆段位于西安站北侧，现有段修台位10个，占地约4 hm2(60亩)。由于西安车站改扩建影响需冲占拆除既有车辆段，根据西安铁路枢纽的整体规划须迁建至西安东站，位于陇海上、下行正线之间，西侧与整备所东端咽喉顺接，北侧与迁建机务段相邻，东侧为城市快速干道。

迁建客车段总规模30台位。车辆段占地约13.67 hm2(205亩)，新建房屋总建筑面积44 029.3 m2，新增铺轨9.48 km(含库内)。车辆段整体为东西方向布置，西端为生产区，东端为办公生活区，南侧为车辆存放场。生产区主要包括检修组合车库、预检库、交验库、油漆库、材料库、空压机间、配电间、设备维修间及车电间；办公生活区主要设有生产调度综合楼、食堂浴室、职工间休及职教综合楼以及预留停车场、活动场地。总平面布置见图1。

图1 迁建西安客车段总平面布置

2 BIM平台及软件选择

对市场上具有一定影响的BIM和BIM相关软件目前主流的BIM平台进行总结，Autodesk公司产品较为全面成熟，同时与CAD接口较好，因此选用基于Autodesk Revit平台的BIM软件开展设计。

Autodesk平台Revit软件主要用于建筑及附属工程设计，而车辆专业设备均为专用设备，无相应设备族，且利用Revit绘制不规则外形的设备效率低下。因此需要根据专业特点进行车辆专业适用软件的选定。对Autodesk平台的支持的数据格式进行了整理与测试，以及机械BIM软件与Autodesk平台的接口研究与多次尝试，初步明确可利用Solidworks输出的*.sat格式文件与Inventor输出的*.iges格式文件进行族轮廓的建立。

由于车辆专业设备众多且外形较为复杂，部分设备需要利用供应商提供的设备模型进行族外形设计，综合上述各机械软件的接口与市场上机械三维设计软件的应用情况，车辆专业设备的BIM族外形设计软件以Solidworks为主。

3 设计流程

通过采用BIM设计方法，依托传统设计手段，车辆段BIM设计流程总结如图2。

3.1 专业内部设计

各专业对本专业族库梳理完善，建立本专业所需模型的外观并录入相关参数信息。

3.2 室外工程设计

车辆专业完成工艺总平面概念设计图并提供给站场专业，站场专业确定基点后提供各室外专业进行绘制各专业内容，同时完善站场专业模型。

3.3 室内工程设计

车辆专业完成各分间平面概念设计图并提供给房建专业，房建专业结合站场基点位置，向各室内专业提供各单体轴网高程，各专业绘制室内设备管线的同时，房建专业完善房屋模型。

3.4 模型汇总及优化

各专业文件在服务器汇总，并通过碰撞检查、日照模拟、排烟分析的模型综合应用手段，进行优化设计。

3.5 模型完善及交付

最后在完成优化设计的模型进行渲染美化，并进行工筹模拟，最终提交用户。

图2 车辆段工程室内外设计流程

4 BIM可视化设计

4.1 场坪设计

站场专业在Civil 3D中完成场区平、纵装配的设计，然后将Civil 3D三维曲面实体化并插入Revit中，形成站场路基实体模型。流程如图3所示。

图3 场坪设计过程

4.2 设备族设计及管理

族是组成项目的构件，同时是参数信息的载体。车辆段作为一项重大的系统工程，设备族标准化设计及管理非常重要。基于Revit二次开发的族设计及族库管理如图4所示。

图4 族库设计管理

4.3 室内外构筑物设计

基于西安站改客车段室内外构筑物布置，对段内建筑物、股道、设备、管线等进行建模布置，如图5所示。

图5 车辆段内建筑物、股道、设备、管线布置

5 BIM模型应用

对于建成的BIM三维模型，除了直观的可视化功能之外，还可以对模型进行如设备数量、土建工程数量快速统计、碰撞检查、空气流体运动模拟、日照模拟、工筹模拟、VR漫游模拟、移动端展示等功能应用，能够有效地优化设计方案与施工管理[12]。现对西安站改客车段工程BIM设计项目所运用的功能进行介绍。

5.1 设备管理应用(图6)

通过BIM模型能够快速选取设备，统计车辆段内各分间设备数量，同时能够查看设备参数，对于设备安装及运维阶段管理有重要意义[13-14]。

图6 设备参数管理

5.2 碰撞检查分析(图7)

碰撞检查是在汇总的模型基础上，对建筑、基础、设备、管线等构件进行干涉关系分析，能够有效减少设计阶段容易发生的差、错、漏、碰，降低施工变更风险，降低投资[15]。本项目通过碰撞检查发现共计602处问题，预计优化方案节约的投资约300万元。

图7 碰撞检查分析

5.3 排烟工况下空气流体运动模拟分析(图8)

当库内局部位置着火后，烟气迅速上升，聚集在房屋上部，暖通专业对检修库进行CFD模拟分析，可以有效确定满足自然排烟需要开设的天窗及高窗面积和位置。通过排烟分析调整高窗位置12处。

图8 空气流体运动模拟分析

5.4 日照模拟分析(图9)

建筑专业模拟场地的日照条件，确定组合车库在日照下的遮挡与投影状况，综合判断开窗面积及位置，实现绿色节能建筑设计。通过日照模拟分析优化开窗位置46处。

图9 日照模拟分析

5.5 工筹模拟分析(图10)

通过对BIM模型施工过程的可视化模拟，可以有效地优化设计阶段的工程筹备与筹划，同时避免遗漏临时工程与设施，并最终完成可视化交底，有效直观地指导施工单位作业[16]。

图10 工筹模拟

6 结语

通过西安站改客车段BIM设计项目试点，明确了铁路车辆段设计中工艺专业所采用的BIM设计应用软件以及与BIM平台的接口，制定出一套车辆专业乃至车辆段BIM设计的标准化流程，并拓展了BIM模型综合应用优化设计手段。能够帮助各专业设计人员放大方案的每个细节[17]，将方案的每一个微小部位充分暴露，利用软件有效减少人工设计时容易发生的疏忽、差错和遗漏[18]，通过模拟分析调整设计方案，以实现车辆段的优化。同时能够推进预构和明确计划安排[19]，为实现车辆段施工协调组织时间方面发挥巨大作用[20]，为BIM技术在铁路领域的应用提供参考借鉴。