BIM技术在铁路机务段设计中的应用

闹加才让

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

目前BIM(Building Information Modeling)技术在民用建筑领域得到了一定发展，展示出强大的能力及生命力，为后续勘察设计的发展提供了无限的遐想空间。但BIM技术在铁路场段设计中的应用尚处于起步和探索阶段。以西安站改两段项目为依托，尝试在铁路机务段领域使用BIM技术开展设计。通过使用BIM技术，提高了设计质量，为BIM技术在铁路场段设计应用打下坚实基础[1-3]。

1 工程概况

西安客车段、机务段搬迁是西安站改工程“三步走”的第二步，机务段为新建迁建机务段，位于西安车站东侧，原西安东货场内。机务段主要担当枢纽内客运机车的牵引任务，承担枢纽内客运机车年修(小辅修)及以下修程的检修任务。

西安机务段东西侧各有1处机车出入段线，南北侧共设置1处主出入口，2处次出入口共3处出入段道路，占地约17 hm2，生产办公房屋共14座，总建筑面积为6.7×104m2，燃油储存能力为320 m3。

机务段内设整备场1处，与出入段线顺接，含电力整备待班线8股道，内燃整备待班线1股道。整备场北侧设机车检修库1座，与段出入段线顺接，主库含6股道12个小辅修台位，其中2个不落轮镟轮台位，1个快速落轮台位。段内另设有检修设备综合楼、材料库材料棚、空压机间、蓄电池间、变电所以及设备车间机加工间等生产办公用房。

另段内设置有通信电缆管线、电力电缆管线、压缩空气管线、冷却水管线、机油管线、柴油管线、采暖管、热水管、给排水与消防管道等数十种管线。将除雨水、部分污水管道等管线全部设置在综合管沟内。

BIM技术具有传统二维设计所无法比拟的可视性、虚拟性等特点[4]。为提高设计质量，减少了项目实施中的返工、窝工及材料浪费，本项目在施工图阶段运用BIM技术进行机务段设计。

本次机务段BIM设计涵盖站场、轨道、桥涵、机务、室外给排水、室内给排水、建筑、结构、暖通、电力、接触网、通信、信息、环保共14个专业，系统性强、各专业间接口复杂。为指导现场施工，控制工程变更，提高施工质量，本工程采用BIM技术进行可视化设计，整合后的最终BIM模型见图1。

图1 西安站改两段全专业整合后BIM模型

2 BIM设计软件解决方案

本项目主要采用欧特克公司Civil 3D、Inventor、Revit、Navisworks Manage及部分第三方软件进行BIM设计，由于机务段设计涵盖专业众多，根据各专业不同特点，采用的设计思路为在Revit或其他软件中建立族库模型，然后导入Revit软件进行各专业协同设计，最后将各专业模型导入Navisworks软件中进行整合及碰撞检测等后处理工作[5]。

2.1 族库建立

本项目设计采用欧特克公司的Revit软件，软件本身的族库远远不能满足铁路段场建模设计的需要，在实际操作中，对各专业族库的完善是最重要的一项工作。

各专业结合专业特点，通过研究软件接口，选择了合理的软件进行建模(如设备建模采用Inventor软件)，然后导入Revit软件中建立族文件，添加属性参数。建筑结构及管线专业建立族库模型均采用Revit软件。见图2。

图2 各专业族文件建立示例

2.2 协同设计

2.2.1 协同设计平台

以Revit Server作为协同设计平台，各专业可实现本地文件与服务器中心文件同步更新，供其他专业使用，同时也能及时获取其他专业最新模型。

2.2.2 文件链接

各专业设计时，采用文件链接形式将其他专业模型载入到本专业模型中开展设计工作。如机务、风水电专业将房建模型链接到本专业模型中，采用“复制/监视”工具建立本地文件高程，然后进行BIM设计。这样可以保证当链接模型高程发生变化时，本地文件能够及时获取信息以进行调整。图3所示为机务专业在房建模型基础上完成的机务设备BIM设计。

图3 检修库机务设备布置BIM设计

2.2.3 共享坐标

室内各专业BIM设计中，以房建专业A-1轴作为项目基点进行设计，但总图中各室内专业坐标位置均会发生变化，此时可采用共享坐标工具，对各室内专业建立另一个总图坐标，此时1个模型对应有2套坐标体系。当进行总图模型整合时，采用共享的总图坐标进行链接即可。

2.3 模型整合

由于机务段设计涵盖专业广，各专业模型整合后体量大，Revit软件占用系统资源大，很难实现各专业模型整合功能，实际操作中利用与Revit软件具有良好的数据接口的Navisworks软件作为整合平台，集中展示各专业模型。如图4～图6所示。

图4 室外整合模型

图5 室外管网整合模型

图6 检修库整合模型

3 BIM设计流程

根据传统设计经验，并结合BIM技术特点，梳理了一套BIM设计流程，详见图7，主要内容如下。

3.1 总图方面

(1)机务专业完成场段二维总平面布置草图，并将总图提供给站场专业进行优化。

(2)站场专业确定本次设计所采用的坐标系统，坐标原点。对机务提供的总图进行优化，完成场地BIM设计(包含场地、道路、围墙、站场排水沟等)，提交各专业。

(3)各室外专业根据机务专业要求，将站场总图作为链接文件，开展BIM设计，完成相关设计工作(如室外给排水、轨道、供电设计等)。

(4)结合各室外管线专业资料，机务专业提供管综二维图资料，结构专业根据资料建立管沟模型，并提交各专业进行室外管线BIM设计。

(5)各管线专业根据管沟、场地、房屋模型，完成室外综合管线设计并提交给机务专业汇总。

(6)机务专业整合各专业管线模型，检查各专业管线模型是否无误，若有问题需及时联系相关专业调整，最终完成准确的管线综合模型。

(7)机务专业将室外各专业模型进行整合，并进行碰撞检测，整理碰撞检测报告。

(8)碰撞检测报告整理完成后，总体组织各专业设计人员进行对接讨论，确定碰撞问题解决方案及原则，重新调整设计，直到无碰撞为止。

3.2 单体方面

(1)机务专业向房建专业提供机务生产用房平面布置草图，并向水暖电及系统等专业提出设计要求。

(2)房建专业根据机务及各专业要求，完成单体BIM设计并下发各专业。

(3)各专业以房建模型为链接文件，进行BIM设计，完成相关建模工作(如机务设备布置、风水电、轨道、供电设计等)。

(4)建筑专业将各单体室内各专业模型进行整合，并进行碰撞检测，整理碰撞检测报告。

(5)碰撞检测报告整理完成后，总体组织各专业设计人员进行对接讨论，确定碰撞问题解决方案及原则，重新调整设计，直到无碰撞为止。

4 BIM设计应用

4.1 二维图纸生成

Revit软件可在BIM模型任意位置生成传统2D的平面布置图、剖面图和正视图[6]，以机务专业为例，将房建专业BIM模型作为链接文件载入机务专业设计项目文件中，通过“复制/监视”工具建立轴网高程，然后进行设备平、剖面图设计，平、剖面图整理，添加注释等工作，最后新建符合要求的图纸(包含图框、签署栏等)，将平面图、剖面图载入图纸中，添加图例、设备表等，生成的机加工间机务设备平面布置如图8所示。Revit同时支持将生成的二维图导出为DWG格式文件。

图7 机务段BIM设计流程

图8 机加工间机务设备平面布置

4.2 模型属性添加及工程量统计

BIM设计可以将设备参数添加到模型属性中，方便其他专业查看设备属性，进行设计，且有利于设备后期运营维护。

图9所示为在Navisworks软件中进行设备属性查看。

图9 设备属性查看

对不同构件添加信息后，在Revit软件中可以准确统计出模型中各类信息。方便设计人员查看相关明细，同时可导出为文本文件，用Excel表格打开，进行工程量统计，图10为Revit软件中生成的机加工间机务设备表。

图10 机加工间设备表生成

建筑专业也可以通过Revit软件快速统计门窗型号、数量等信息，图11为Revit软件中生成的检修库窗明细表。

图11 检修库窗明细表生成

4.3 碰撞检测

目前管线设计中常会出现设计变更，造成工期延误、材料浪费等问题。利用BIM技术对管线进行综合碰撞分析，可以快速定位碰撞位置，在设计阶段就解决大量碰撞问题，避免将碰撞问题留到施工阶段解决。有效地提高了设计质量，并在一定程度上降低了施工成本。

本项目中设有通信电缆管线、电力电缆管线、压缩空气管线、冷却水管线、机油管线、柴油管线、采暖管、热水管、给排水与消防管道等数十种管线，并设有地下综合管沟，管线错综复杂，难以避免会出现大量碰撞问题[7]，本次设计采用Navisworks软件中的Clash Detective模块进行各专业碰撞检测，制定好碰撞规则后，各专业两两进行检测，每组碰撞均生成报告文件。各专业负责人根据碰撞结果协商讨论，对碰撞检测结果进行筛查，去除伪碰撞。图12为轨道道砟与接触网基础之间的碰撞，经核实后设计无误，此处为可忽略的伪碰撞。图13为检修库中暖通风管与结构主梁之间的碰撞，此处需要暖通专业降低管线高程。

图12 轨道道砟与接触网基础之间的碰撞

图13 暖通风管与结构主梁之间的碰撞

根据筛查后的碰撞检测报告，进行优化设计，各专业设计人员根据碰撞避让原则和相关规范进行协商，重新设计碰撞部位的管线走向。通过再次建模，检测管线修改后是否有新问题产生，直到确定模型中原有碰撞问题均已解决且不产生新的碰撞后重新出图，确保在施工过程中不出现碰撞问题，避免出现废弃工程，造成经济损失及影响工期。图14和图15分别为段内某处室外管线碰撞及优化后的模型。

图14 原设计室外某处管线碰撞

图15 优化设计后的管线模型

4.4 移动端展示

通过建立云服务器，实现模型在办公电脑及移动终端(如iPad)中同步，尤其适用于在施工现场使用移动终端指导施工，极大地方便施工人员现场确定施工方案，对照模型检查施工成果(图16)。

图16 移动端BIM模型展示

4.5 模型渲染及动画制作

采用Navisworks中的Autodesk Rendering及Animator模块可对模型进行渲染及漫游动画制作，通过渲染图片及漫游动画，可使业主及施工单位更清楚地了解到设计意图，减少沟通障碍，图17为机务段检修库内各专业模型整合后的渲染图。

图17 检修库内BIM模型渲染效果

5 结语

在迁建西安机务段工程BIM设计过程中，采用Autodesk Revit及部分第三方软件进行BIM设计，Autodesk Navisworks Manage进行模型整合，实现了所有构筑物的建模及精确定位。本次BIM设计将所涉及的各专业工程内容全部进行三维设计，利用BIM技术建立并完善了基本专业族库，构建一个覆盖全专业的数字化仿真模型，真实反映各专业接口信息和工程体量。

应用BIM技术，能够解决二维设计中很难避免的管线碰撞问题，这种方法能够减少管线综合设计中的错、漏、碰、缺问题，并能够清楚地表达设计人员的设计意图，方便施工人员确定现场施工方案。

在进行铁路工程BIM设计时，只有遵循统一的技术标准才能使BIM信息在工程建设各阶段有序传递[8-10]。本项目设计初期并未制定一个详细的技术标准，导致在后续交付模型时，部分专业出现了交付模型精度不够、未添加属性信息、模型材质与实际不符、定位有误等问题。因此有必要在BIM应用研究试点的同时，开展BIM 标准体系的研究，以在大范围开展专业BIM应用时，统一指导、规范应用[11-12]。

本项目主要为施工图阶段BIM设计，对于运维阶段并没有很好的应用，还存在设备信息不全、无法实现设备资产管理、维修指导等问题。随着近几年科技发展，BIM技术可结合物联网、VR、3D打印技术进行更全面深入的应用[13-18]。

在高速铁路快速发展的大趋势下，对设计文件可视化、信息化的需求日益迫切，三维设计技术势必是未来铁路设计行业的发展趋势[19]。本项目为我院在大型铁路工程BIM设计领域积累了宝贵经验，也是我院利用BIM设计手段开展大型铁路工程设计的良好开端[20]。