基于BIM技术的轨道交通车辆基地族库构建与应用

伍泓桦，金永乐，郭爱平，孔令星

（1.中铁二院工程集团有限责任公司 机械动力工程设计研究院，四川 成都 610031；2.西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，四川 成都 610031）

1 概述

建筑信息模型 （Building Information Modeling，BIM）是以三维信息技术为基础，集成建筑工程项目各种相关数字信息建立的工程数据模型，贯穿项目的全生命周期，指导项目的规划、设计、施工和运营管理［1-4］。在BIM模型构建过程中，族是核心内容，是模型的基础，是各种信息数据的载体。BIM技术从建筑行业起源，近些年在轨道交通行业兴起，一些学者对BIM族库在城轨行业的应用开展了诸多研究［5-11］。

广义的城市轨道交通泛指以各种形式导轨为导向的城市公共客运系统，涵盖了在城市中修建的大、中、小运量用电力牵引的轨道交通。车辆基地作为城轨系统车辆的维保基地，工程投资一般在10亿～20亿元，项目规模较大、各专业接口复杂，通常受选址和边界条件影响，设计周期短，工期紧张。因此，为达到快速构建车辆基地工程信息模型的目的，建立车辆基地族库显得尤为关键。目前，软件厂商在BIM基础软件上开发的Revit族库主要有Revit软件自带族库、住房和城乡建设产品BIM大型数据库、族库大师、鸿业族库、构件坞、筑龙网族库等，尚不能满足车辆基地族库需求［12-13］。运用Revit软件，系统性研究并构建了车辆基地标准化族库。以某车辆基地工程为实例，快速构建建筑信息模型，提高车辆基地信息模型的建模效率。

2 车辆基地族库的开发

2.1 技术路线

以Revit软件构建族库为指导，结合城轨车辆基地的特点，提出车辆基地标准化族库的创建思路（见图1）。

图1 车辆基地族库构建的技术路线

2.2 族库分类

车辆基地作为地铁系统的运用、检修、材料和后勤保障基地，包括车辆段（停车场）、综合维修中心、物资总库、培训中心和其他生产、生活、办公等配套设施。其设施为保障车辆基地正常安全运营而设置的各类土建设施，主要包括：房屋建筑、隧道、桥涵、路基、道床、道路、附属设施等。其设备为保障车辆基地正常安全运营而设置的各类机电系统，主要包括：车辆、给排水及消防、通风空调、动力与照明、电扶梯、工具器械、工艺设备、供电、弱电等。

车辆基地工程专业众多，组成复杂，构件数量多，分类具有一定的难度。为更好实现协同，便于统一管理，合理的分类就显得十分重要。采用线分类法对车辆基地设施设备进行分类。基于线分类法，将车辆基地各专业的设施设备按8个层级进行划分。不同层级类目之间按照从属关系进行分类，同一分支的类目之间按照并列关系进行分类。车辆基地设备设施的第一级分为以下几类：01线路及站场、02房屋建筑、03车辆、04通风空调、05给排水及消防、06动力与照明、07工艺设备、08其他系统（见图2）。

图2 车辆基地族库的分类

2.3 族库的命名与编码

车辆基地分类出来的族构件庞大繁杂，为清晰明了地表示族库内容，便于识别和沟通，族的命名要简明扼要，严格规范。命名规则是参照车辆基地族的分类和工程实践，创新性地提出车辆基地各专业设备设施层级，并采用线分类法对城市轨道交通车辆基地设施设备进行分类编码（见表1）。

表1 车辆基地设备设施层级及编码

创建的族应根据车辆基地设备设施层级及编码表进行命名，各级名称之间采用“_”分隔，例如：线路_轨道_站场道床轨道_路基_土路基，其对应的编码为“0101010101”。

2.4 车辆基地族库的创建流程

基于Revit软件，提出了车辆基地族的标准化创建流程。

2.4.1 族创建的初步设置

（1）选择合适的族样板并定义族类别，例如选择基于公制常规模型定义常规族、基于公制结构框架-梁和支撑定义可融合的排水沟及电缆沟、槽、基于线的公制常规模型定义直线型构件。

（2）定义插入点，锁定插入点的参照平面。

（3）布局参照线和参照平面。

（4）预设族类型和族参数。

（5）添加尺寸标注并参数关联：选择合适的参照线或参照平面标注尺寸，并与相应的几何参数关联。

2.4.2 族几何形体的绘制

（1）设施设备族的建模几何尺寸以设备供应商提供的图纸尺寸为准。收集族创建所需的各类图纸，包括设施设备对象的平、立、剖及轴侧图等。

（2）分析设施设备对象的几何形体，确定对象几何形状的特征参数，并明确几何参数类型。

（3）绘制几何形体（2D/3D），并约束到相应的参照平面。视实际需要载入嵌套族并放置添加控件、连接件等。

2.4.3 族的参数化设置

关联族参数，调整参数值和模型，并判断族行为，验证参变性能（包括几何参数和非几何参数）。

2.4.4 族的相关特性设置

族的子类别、可见性、视图、保存状态、统一性设置（族各视图的缩放比例、视觉样式，清除未使用项等）。

2.4.5 设置族类型

通过复制和修改预设族类型的参数值添加族的其他类型。若族类型数≥6，创建类型目录实现族类型的设置。

2.4.6 保存族文件待测试

按照级别分类建立族库文件夹系统，该系统文件夹层级关系与设施设备类别相同，并将族文件保存在相应的层级族库文件夹中。族创建流程见图3。

图3 族创建流程

通过测试后交付的族文件包含了族的使用说明书，主要有以下内容：族文件的版本号；族类别、族类型的介绍；族主要类型参数、实例参数和共享参数的涵义描述；族在项目文件中的放置过程描述；族控件的功能描述。

3 车辆基地族库的构建

通过上述创建方法，完成了线路及站场、房屋建筑、车辆、通风空调、给排水及消防、动力与照明、工艺设备和其他系统等车辆基地族库的构建。

3.1 线路及站场族

在线路及站场族模型中（见图4），钢轨利用拉伸形成参数化族；轨枕和扣件利用拉伸、融合、剪切等功能制成稍微复杂的固定族；轨道利用拉伸、融合、放样融合、放样、剪切等形成较为复杂的固定族；车挡将钢轨、螺栓、车挡部件等进行整合，形成固定族；道路参数化族可实现道路宽度、长度、路面材质（混凝土或者沥青）及路面标识的参数化建模；排水沟利用融合放样建模，可实现沟宽、壁厚、长度、坡度的参数化；道床参数化建模，道床长度可定义。

图4 线路及站场族模型

3.2 房屋建筑族

在房屋建筑族模型中（见图5），承台和桩利用拉伸形成参数化族，完成单桩、双桩、三桩、四桩及多桩承台族；吊车梁利用拉伸、融合、剪切等方式，嵌套螺栓孔、肋板、支座垫板、柱连接件等，形成吊车梁族；型钢和桁架利用拉伸、放样融合，形成可变截面H型钢族和桁架族；网架利用体量模型创建基本单元作为内嵌族，生成网架，长度、宽度参数化；电缆沟采用基于线的公制常规模型、拉伸，形成电缆沟族；电缆井利用拉伸、阵列等制作成固定族，电缆井长度、支架数量参数化调整；强弱电管排利用拉伸形成参数化族；柱式检查坑运用拉伸、放样、阵列等方式，将检查坑基础、踏步、小立柱及轨道综合成检查坑族；作业平台利用拉伸形成作业平台参数化族；参考设备供应商施工图设备基础资料利用拉伸、融合、剪切、放样等命令，完成清洗区、静载试验台、称重设备、不落轮旋床、洗车机、固定架车机等设备基础族的制作。

图5 房屋建筑族模型

3.3 机电和系统族

机电专业常规系统自带族库和市面上Revit族库插件已较为成熟。梳理车辆基地机电专业常用设施。通风空调包括冷热源设备、采暖设备、空调设备、通风设备、风系统、水系统和其他。给排水及消防包括给水附件、排水附件、阀门、设备、消防、管道、支架和室外附属等。动力与照明包括动力配电系统、桥架系统和接地系统等。针对车辆基地工程特点，通过拉伸、融合和剪切，建立参数化族，查漏补缺。

在接触网和信号系统族模型中（见图6），利用拉伸、融合、剪切、放样等命令，完成信号机、转辙机、接触网支柱基础、接触网拉线基础族的制作。

图6 接触网和信号系统族模型

3.4 车辆和工艺设备族

车辆和工艺设备，从车辆制造商和设备供应商收集族创建所需的各类几何信息图纸，包括设施设备对象的平、立、剖及轴侧图等。利用Sketchup和Solidworks等三维软件完成相应设备的建模后，模型导入Revit，形成车辆和工艺设备族（见图7、图8）。

图7 地铁A型车族（4编组）

图8 工艺设备族

4 车辆基地族库的工程应用

基于Revit建立了车辆基地标准化族库，将其应用于某海外车辆基地工程BIM建模实例。

4.1 工程概况

某海外车辆基地（见图9）设计规模为大架修3列位、定修2列位、双周三月检5列位、停车列检20列位，主要单体有检修主厂房、双周三月检库、停车列检库、物资总库、调机及工程车库、洗车库、综合维修车间、OCC等，总建筑面积约78 000 m2。

图9 某海外车辆基地平面布置

4.2 车辆基地建模

采用Revit软件，载入车辆基地标准化族库，根据设备设施型号，在族库中选择合适的设施设备进行导入，调整修改相关参数，然后进行各分部的装配，构建完整的车辆基地BIM总装模型，包括场坪、股道、道路、管线、建筑、结构、通风空调、给排水及消防、动照等三维模型。运用库、检修主厂房和车辆基地总装BIM模型分别见图10—图12。

图10 运用库BIM模型

图11 检修主厂房BIM模型

图12 某海外车辆基地BIM模型全景

4.3 可视化实景漫游

车辆基地BIM模型创建完成后，可将其导入渲染软件，针对不同设施匹配不同材质，制定相机路径和拍摄视角，进行渲染，生成动画视频，实现车辆基地模型的三维实景漫游。此外，还可将BIM模型与虚拟现实技术（Virtual Reality，VR）结合，利用VR的沉浸式特点对工程BIM模型进行较为直观的体验、互动与分析（见图13）。

图13 车辆基地的三维实景漫游景象

4.4 碰撞检查与优化

在总装模型基础上，对综合管线进行碰撞检查与设计优化（见图14）。对房建、设备、管线等构件进行干涉分析，快速检测碰撞位置，优化设计，有效减少差错漏碰，提高工程质量，降低投资。

图14 综合管线碰撞检查与优化

4.5 日照模拟分析

模拟车辆基地日照条件，确定各建筑单体在当地日照下的遮挡与投影状况，综合分析判断不同单体开窗面积及位置，实现节能绿色建筑设计（见图15）。

图15 日照模拟分析

5 结束语

分析构建车辆基地族库的必要性，从族库开发技术路线、族库分类、族库的命名与编码、参数化族创建流程等方面阐述了车辆基地族库的构建方法。以现有设计软件Revit为工具，系统性研究并构建了车辆基地标准化族库。将其应用于某海外车辆基地工程设计实例，通过参数化族实现设施设备的批量放置、一族多用、批量修改等功能，节省了BIM建模时间，提高了车辆基地信息模型的建模效率。最后，从BIM模型可视化实景漫游、碰撞检查与优化和日照模拟分析等方面研究了族库快速建模的工程应用，对推动车辆基地BIM正向设计具有重要意义。