基于建筑信息模型技术的换乘站行人设施布局方案快速生成方法

季 峰 黄靖宇 朱 蕾 郭长弓 顾保南

(1. 同济大学道路与交通工程教育部重点实验室， 201804， 上海;2. 同济大学磁浮交通工程技术研究中心， 201804， 上海;3. 上海轨道交通十八号线发展有限公司， 200135， 上海//第一作者,硕士研究生)

伴随着BIM(建筑信息模型)技术的快速发展，很多学者对BIM在城市轨道交通换乘站设计中的应用进行了研究。文献[1]阐述了BIM在城市轨道交通车站设计中的应用；文献[2]分析了BIM对车站施工进度的影响；文献[3]分析了BIM在地铁施工集成管理中的应用前景和价值。这些研究的实质就是直接使用BIM技术解决实际工程中的问题。在车站设计中，BIM应用的主要流程是：车站选址大致确定后，首先由建筑设计师初步确定建筑设计方案，实现建筑BIM模型；接着由结构设计师在建筑模型的基础上，通过计算和分析，确定结构构件的尺寸和位置，建立结构BIM模型；最后由机电设计师在建筑模型和结构构件基本确定的前提下，进行车站暖通、给排水等的设计。由于是在同一个基础模型上实现方案的生成，因此不同专业的设计师之间的沟通更加便捷。

1 换乘站行人设施布局方案快速生成方法

本文基于BIM技术，提出换乘站行人设施布局方案快速生成方法，实现行人设施布局方案的快速生成。整个技术流程(见图1)分为初始准备、初始方案生成、方案修改和行人设施空间数据文件更新。

1.1 初始准备

初始准备工作指的是方案生成前的基础准备工作，主要包括创建背景、构建行人设施单元库、建立初始布局方案的行人设施空间数据文件。

(1) 创建背景：对车站的基本信息进行设置，创建当前方案的背景。主要指的是车站的设施层面和车站属性层面。车站设施层面包括车站内的各类物理性的设施，即车站出入口、站厅、站台等重要的基本设施；车站属性层面包括车站的层高、标高及分层情况。创建背景的意义在于：在已知车站的层高、位置、标高等信息的情况下，构建行人设施方案生成的基本约束条件，在此基础上实现行人设施布局方案生成。

图1 换乘站行人设施布局方案快速生成技术流程图

(2) 构建行人设施单元库：将车站行人设施布局方案中所需要的行人设施族文件保存到一个特定的文件下，其主要包括安检机、闸机、栏杆、自动扶梯、楼梯、电梯和通道等设施的文件。Revit软件中族文件按照布置实现方法可分为点状设施单元和线状设施单元。点状设施是通过一个基准点(Location Point)来完成位置的确定，这样的设施主要有安检机、闸机、自动扶梯等。线状设施是根据线段两端的端点坐标来完成位置的确定，这样的设施主要有通道、栏杆、楼梯等。线段两端端点不仅可以确定此类设施的方位，同时也能决定设施边界的尺寸以及部分设施尺寸大小。当单元族库中没有所需尺寸的行人设施单元时，用户可以按照自己的需求另外加工处理。

(3) 建立初始布局方案的行人设施空间数据文件。根据行人设施初始布局方案中各设施单元位置及方位要求，建立相关的行人设施数据库文件。数据库文件包含初始方案中各行人设施的名称、设施单元存放地址、空间坐标、方位等信息。名称即该设施单元的名字；地址指的是该设施单元族文件当前存放的绝对地址；ID指的是该设施单元的ID号，用以识别该设施；结构类型表示设施结构物的属性值；类别表示该设施的类型；角度即需要旋转的方位角；坐标即目标坐标。

1.2 初始方案生成

初始方案生成是指在完成了数据输入之后，系统会先去判别所输入的行人设施数据是否满足当前方案生成所需的基本要求，然后再将合格的数据作为方案生成的基本参数导入生成函数中，依次完成每一个行人设施的布置，从而最终实现行人设施初始布局方案的生成。

1.2.1 行人设施坐标数据合理性判断

行人设施坐标数据合理性判断是为了保证行人设施空间数据文件中所输入的行人设施方位数据能够满足当前车站设计要求。这样不仅加快了方案生成的速度，也提高了方案生成的效率。

行人设施方位数据合理性的判别主要从3个方面来考虑：行人设施是否在当前车站边界条件以内，行人设施之间的相对位置关系是否满足GB 50157—2013《地铁设计规范》[4]的要求，行人设施之间是否会发生碰撞或者存在相互冲突的现象。基于以上3方面考虑，本文做了以下3个判断：

判断1：行人设施是否在当前车站边界范围内。

(1)z轴坐标值判断。任何一个行人设施，不管它是点状设施还是线状设施，都有一个基本的共性：其方位参数的z值坐标一定是布置在所在层楼板上的，即满足如下要求：

Zpresent-floor≤z≤Zup-floor

(1)

式中：

Zpresent-floor——车站当前楼层楼板的z轴值；

Zup-floor——车站上层楼板的z轴值；

z——设施单元目标z轴值。

(2)oxy平面内各设施的坐标点对判断。对z值的判别只是保证了z轴满足基本的要求。如果其x、y值超过了车站楼板边界范围，则表示该设施不在车站内，则这样的行人设施单元目标坐标也是不满足要求的。在处理该问题时，首先将其简化为“判断平面内某一点是否在多边形内部”的问题，即“在一个二维坐标系中，给定一个定点，再依次给出一个任意多边形的所有顶点，讨论顶点是否在多边形内部”的问题，然后利用射线法进行判断，具体算法参见文献[5]。

判断2：行人设施之间的相对位置关系是否满足GB 50157—2013《地铁设计规范》的要求。

要求部分行人设施有一些基本的间距。输入行人设施坐标，对相应的行人设施的空间位置关系进行判断，只有满足《地铁设计规范》中行人设施基本间距条件的才符合要求。

判断3：行人设施之间是否会发生碰撞或者存在相互冲突的现象。

如图2所示，栏杆穿过了闸机，两种行人设施之间实际上发生了碰撞，但是Revit软件并没有报错。因此需要对行人设施坐标数据进行碰撞判断。

图2 闸机和栏杆碰撞图

碰撞存在2种情况，一是同种类型设施之间发生碰撞，即点状设施单元间的碰撞；二是不同类型设施之间的碰撞，即点状设施和线状设施之间的碰撞。

针对以上2种碰撞情况，本文提出的解决方案包括以下2步。

第一步，对于同种类型的设施单元，对其目标坐标进行一一判断。通过判断点与点之间的距离来解决。当2个设施基点间的距离大于各自设施单元的最大半径和，即认为两者不会发生碰撞，公式如下：

ri+rj

(2)

式中：

d——第i点设施单元到第j点设施单元距离；

xi、yi、zi——分别为第i点设施单元目标坐标x、y、z值；

xj、yj、zj——分别为第j点设施单元目标坐标x、y、z值；

ri、rj——分别为第i点和第j点的各自设施基点到设施边缘的最大半径值。

第二步，对于不同类型的设施单元之间的碰撞问题，将设施单元的目标坐标投影到oxy平面上。把点设施单元基点坐标简化成点P，将线状单元设施起终点坐标值简化成线段li，此时将上述碰撞问题简化成点到直线的距离,即满足P到li的距离大于点设施单元自身的最大直径值：

(3)

式中：

d——P到直线li的距离；

x0、y0——分别为点设施单元目标坐标x、y值；

A——li所在直线的x轴的系数；

B——li所在直线的y轴的系数；

C——li所在直线的常数项；

ri——设施单元自身的最大直径值。

综上所述，只要满足上述3个判断条件，所输入的方位数据才是可行的，只要有一个没有满足要求，系统即报错，并显示具体的错误点，提醒设计者重新输入基本参数信息。

1.2.2 行人设施初步布置

当所有行人设施的方位数据满足判别条件之后，所输入的方位参数才能被Revit软件读取，接下来才能实现每一个行人设施的布置。按照以下4个步骤完成行人设施布置方案生成：

(1) 找到需要布置的行人设施的名称、ID及族文件保存的地址信息；

(2) 利用地址和ID等信息，将所需要的行人设施加载到Revit软件中；

(3) 调用布置行人设施所需要的函数，并且对函数中所需的参数进行赋值；

(4) 运行函数，完成单个行人设施布置，最终实现初始方案生成。

1.3 方案修改

方案修改指的是在初始方案生成后，系统会给予设计者手动修改方案的机会。设计人员在生成的初始方案基础上，利用Revit软件相关功能，手动修改行人设施布置方案中存在的问题。这样生成的方案即为最终的行人设施布局方案。

1.4 行人设施空间数据文件更新

当设计者确定了最终的行人设施方案之后，系统会将所生成的方案以Excel表格、Revit文档、图片的形式保存在特定的文件夹下。

Revit文档的特点是便于以后的调阅，便于整理不同的行人设施布局方案差异，同时也便于进行方案比较。图片包含CAD文档和Revit三维模型图片，前者使所生成的方案能更好地服务于工程设计，后者则能从不同的角度展示当前方案下行人设施布局方案的特点，从而能够更好地服务于设计者。Excel表格中记录的是当前方案中所生成的行人设施的ID、坐标等信息数据。由于最终生成的行人设施布局方案和初步生成的方案不一定完全一致，因此当前生成的数据与输入端的数据也不一定完全一致，但是Excel记录了所形成的最终方案不同设施的属性以及彼此的相对位置关系等信息，这让设计者可以从定量的角度去分析、比较不同的备选方案之间的差异。

2 案例研究

以某城市轨道交通换乘站为例，简述行人设施布局方案快速生成的实现过程。初始准备阶段主要工作是先手动生成车站的基本设施(如图3所示)，然后建立行人设施数据库和Excel空间数据文件(如表1所示)。

图3 创建的车站背景图例表1 行人设施数据库和Excel空间数据文件示例

序列名称地址ID结构类型类别角度/(°)目标坐标/mxyz1桥式直角三辊闸C:UsersBluestorkDesktop行人设施库桥式直角三辊闸.rfa36e4e7cd-9798-419b-bc9c-a4a30e6a9f61-0004c301NonStructuralOST_SpecialityEquipment90134.2421.506.002桥式直角三辊闸C:UsersBluestorkDesktop行人设施库桥式直角三辊闸.rfa36e4e7cd-9798-419b-bc9c-a4a30e6a9f61-0004c301NonStructuralOST_SpecialityEquipment90134.24-6.006.00

将Excel文件导入Revit软件中，系统会对所输入的数据进行判断，当不符合判断条件时，系统会提示设计人员(如图4所示)。直到所有的数据都满足判断条件，判断通过后，初步方案生成。初步方案如图5所示。

图4 方位数据判断图

图5 站厅层初步方案图

初步方案中部分行人设施有误，这时可以选择手动操作闸机、楼扶梯的设施位置的修正，手动修改，形成最终方案。最终方案如图6所示。

图6 站厅层最终方案图

最后将最终方案以rvt格式保存，并将方案导出成CAD文件，供工程设计人员参考，同时导出记录当前方案行人设施空间位置数据的Excel文件，完成行人设施布局方案生成。表2为空间数据更新文件示例。

3 结语

本文论述了BIM技术条件下行人设施布局方案快速生成方法，介绍了其工作流程和工作内容。

表2 空间数据更新文件示例

通过软件二次开发得到了方案快速生成插件，并且通过具体实例验证了方案快速生成方法的有效性。采用这种方法，不仅提高了方案生成的质量，也大大减轻了设计人员的工作量。