基于BIM技术的全自动驾驶地铁车辆基地设计研究

闹加才让，程中国，宗 超，巴文博

（1. 轨道交通工程信息化国家重点实验室(中铁一院)，西安 710043；2. 青岛地铁集团有限公司，青岛 266045）

近年来，随着BIM技术在轨道交通行业的逐步普及，其信息化程度要求也越来越高[1]。车辆基地是城市轨道交通系统中体量庞大、系统繁杂、接口众多的综合性单项工程。其设计过程中存在参与专业多，协调难度大；管线复杂，难以避免碰撞；工艺可视化差，难以展示等难点[2-3]。BIM技术的出现为城市轨道交通工程的发展提供了巨大推力，项目团队以青岛地铁 6号线抓马山车辆基地项目为依托，在地铁车辆基地领域使用BIM技术开展施工图阶段设计工作。通过使用BIM技术，提高了设计质量，为BIM技术在地铁场段设计应用打下坚实基础。

1 工程概况

青岛地铁6号线线路全长约57.6 km，全线设1段2场共3处车辆基地。项目分三期建设，一期工程起点为辛屯路站，终点为生态园站，线路全长30.492 km，设抓马山车辆基地1处，由本线一期工程中间站抓马山车站接入。

抓马山车辆基地选址位于青岛市黄岛区，占地面积约30 hm2，由中间站抓马山车站接入。段址区域内地势起伏较大，现状地形高程在18.8～61.9 m。段址所在范围主要有汽车修理厂、停车场及少量农田等。

抓马山车辆基地定位为定修段，主要负责地铁 6号线的车辆停放、检修、运用及日常维护保养等，主要任务包括：配属车辆的停放、运用、清扫、洗刷、消毒、列检任务，月检、周检任务，定修、临修任务，以及救援、综合维修和乘务作业等任务。抓马山车辆基地考虑上盖物业开发，同时按照全自动驾驶场段进行设计，其中停车列检库、洗车库、试车线为自动化区域；检修库、镟轮库、调机/工程车库及卸料线为人工驾驶区域，调机牵出线兼做转换轨使用。车辆基地共15座单体，总建筑面积约19万m2。

本次车辆基地BIM设计涵盖工艺、站场、路基、桥涵、建筑、结构、暖通、给排水、动照、管线综合、轨道、接触轨、供电、出入线区间、景观共15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BIM总图模型见图1、图2。

图1 抓马山车辆基地总图整合BIM模型Figure 1 BIM integration model of Zhuamashan metro depot

图2 抓马山车辆基地盖下部分总图整合BIM模型Figure 2 BIM model under the cover plate of the Zhuamashan metro depot

2 BIM设计软件解决方案

本项目BIM设计主要采用了Project Wise、Revit、Civil 3D、Inventor、Navisworks、Lumion及自主开发的软件工具，由于车辆基地设计涵盖专业众多，根据各专业不同特点，采用的设计思路为首先建立并完善Revit族库文件，然后在 Revit软件进行各专业协同设计，最后将各专业模型导入Navisworks及Lumion软件中进行整合及碰撞检测等后处理工作[4]。

2.1 软件二次开发

2.1.1 地铁车辆基地模块化辅助设计工具

车辆基地工程具有构件数量庞大、种类繁杂的特点。本项目设计主要采用欧特克公司的Revit软件，软件本身自带的族库模型远不能满足地铁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[5]。为解决族库构件缺乏及管理问题，项目团队基于Revit平台自主开发了“地铁车辆基地模块化辅助设计”工具，囊括了十余个专业BIM构件库，同时具备构件参数信息快速导入导出、明细表快速生成等功能，方便设计人员进行设计工作，软件界面如图3。

图3 地铁车辆基地模块化辅助设计工具界面Figure 3 Interface of the metro depot auxiliary design tool

高效率高质量建模是BIM技术应用的基础，构件参数化设计是二次开发中需要首要解决的问题[6]。本项目对部分重复使用构件进行参数化设计，实现了输入尺寸参数即可驱动建模的目的，大幅提高设计效率。图4为双层作业平台参数化设计。

图4 双层作业平台构件参数化设计Figure 4 Parametric design of the double-deck operation platform

建筑信息模型可承载轨道交通设施设备的大量信息，为建筑全生命周期服务[7]。本工程将设备参数信息添加到模型属性中，方便其他专业查看设备属性，进行设计，且有利于后期运营维护(如图5)。

图5 起重机设备属性信息Figure 5 Device property information of the crane

2.1.2 铁路电力BIM辅助设计软件

将基于项目团队自主开发的“铁路电力BIM辅助设计软件”应用于本工程(见图6)，可快速实现动力照明设备布置、导线批量连接、信息添加、负荷数据关联计算、照明系统图生成、供电设备快速布置等功能。

图6 铁路电力BIM辅助设计软件工具Figure 6 BIM auxiliary design software of the railway power system

2.1.3 区间建模软件

为提高轨道交通工程区间建模效率，项目团队基于dynamo可视化编程平台开发“区间建模软件”(见图7)，应用于车辆基地出入段线区间建模中，可根据线路中心线及高程坐标文件一键生成出入段线明挖区间结构模型。

图7 区间建模软件界面Figure 7 Interface of the tunnel modeling software

2.2 协同设计平台

采用ProjectWise软件作为协同设计平台，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[8]。

2.3 模型整合

本项目为上盖物业开发车辆基地，为降低整合模型的复杂性，在BIM设计中考虑将站场总图基线起点作为基点，采用绝对高程进行设计。各专业设计时统一采用相同的总图样板文件进行定位设计，保证总图坐标一致性。

由于车辆基地设计涵盖专业广，各专业模型整合后体量大，设计过程中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。对总图模型整合时不载入单体内部模型文件；对各单体模型整合时仅载入本单体内模型，不载入单体以外其他模型。模型后处理工作采用与 Revit软件具有良好的数据接口的Navisworks软件及Lumion软件作为整合平台，集中展示各专业模型[9]。图8～图11所示为车辆基地主要厂房及室外管线模型整合。

图8 检修库整合模型Figure 8 Integrated model of the repair plant

图9 运用库整合模型Figure 9 Integrated model of the operation plant

图11 室外管网整合模型Figure 11 Integrated model of the outdoor pipeline

图10 辅助检修车间整合模型Figure 10 Integrated model of the auxiliary repair plant

3 BIM设计应用

3.1 三维倾斜摄影及BIM+GIS技术应用

图12 三维倾斜摄影技术生成的地形模型Figure 12 Terrain model generated by the 3D tilt photography

轨道交通工程中利用 BIM+GIS 技术进行平台技术架构已经成为当前主流的技术趋势[11]。本工程在方案研究阶段采用BIM+GIS技术，将车辆基地BIM模型导入GIS平台，直观展现地铁构筑物与周边环境关系，分析比选车辆基地与周边环境关系及布置方案，以便于建设单位进行更好的决策。BIM+GIS技术应用如图13所示。

图13 BIM+GIS技术应用Figure 13 Application of the BIM+GIS technology

3.2 设计方案比选

针对车辆基地办公楼、桥梁、边坡挡护等工程，采用 BIM 技术研究多个设计方案(见图 14、图 15)，并进行全方位展示，方便建设单位及设计组进行决策。

图14 办公区方案比选Figure 14 Scheme comparison of the office area

图15 边坡挡护方案比选Figure 15 Scheme comparison of the slope protection

3.3 差错漏碰检测

在传统模式的施工过程中，常常出现不同专业构筑物之间或构筑物与管道之间高程错误或重叠等影响施工的重大问题，由此引起巨大的经济损失、人力浪费、增加工期等问题[12]。

车辆基地工程涉及专业广，信息量繁杂，运用BIM技术，采用漫游查看及碰撞检测相结合的方法进行差错漏碰检测，通过可视化应用直观验证各专业方案的合理性。通过对以往设计项目经验进行总结，本项目BIM设计差错漏碰检测按以下几步进行。

3.3.1 模型核查

对于完成的第1版BIM设计模型，首先需各专业负责人及审核人员核实模型准确性，保证图、模一致，为下一步模型整合及碰撞检测做好准备。

3.3.2 漫游查看

采用Navisworks或Lumion软件将设计完成的BIM模型进行整合，根据以往线路整理的车辆基地问题库资料，对整合后的模型进行漫游查看，逐一核对，核查常规碰撞检测不易暴露出的设计缺陷问题。图16、图17分别为结构柱基础标高和排水管线标高设计错误。

综上所述，随着目前经济社会的变化，房地产企业投资的风险逐渐引起了投资者的注意，对投资风险的防范同时变成了重中之重，本文总结了房地产项目投资各阶段可能存在的风险因素，并提出具体防范措施方案，最大限度地预防、降低、回避、转移房地产项目投资风险。

图16 结构柱基础标高设计错误Figure 16 Design error of the structural column foundation elevation

图17 排水管线标高设计错误Figure 17 Design error of the drainage line elevation

3.3.3 碰撞检测

车辆基地工程具有参与专业众多、管线错综复杂的特点，难以避免出现各类差错漏碰问题。本工程BIM设计中采用Navisworks软件中的Clash Detective模块对总图整合模型及各单体整合模型分别进行碰撞检测[13]。碰撞检测结果示例如图18、图19所示。

图18 暖通管路与给排水管线之间的碰撞Figure 18 Collision between the HVAC and feed pipe

图19 给排水埋地管线与工艺检修平台基础之间的碰撞Figure 19 Collision between the feed pipe and maintenance platform

3.3.4 设计方案优化调整

根据模型漫游查看及碰撞检测报告筛查出的设计缺陷，开展优化设计工作。各专业负责人根据相关规范确定碰撞避让原则，经总体组织对差错漏碰处进行协商讨论，重新修正设计方案。多次碰撞检测后，核实设计缺陷问题均已基本解决，最终完成施工图出图工作。图20～图21所示为车辆基地检修库电缆桥架与起重机走行路径冲突问题方案优化。

图20 电缆桥架与起重机走行路径冲突(原设计)Figure 20 Cable tray and crane running path conflict

图21 电缆桥架避让起重机走行范围(优化后)Figure 21 Cable bridge to avoid crane travel range

3.4 二维图纸生成及工程量统计

为实现标准化、规范化出图，项目建立了统一的样板文件，设置了线型、线宽、文字样式、字体大小等内容，且建立了参数化图框族，可根据图纸大小自定义图框尺寸。

对于部分构件族，其二维图纸是以图例形式表达，项目组根据国家制图标准，绘制构件的标准二维化图例。为了达到出图的效果，对构件进行显示模式调整，将二维图例调整为粗略和中等可见，精细不可见，如图22(a)。三维构件组成部分可见性调整为精细可见，粗略和中等不可见，如图22(b)、22(c)所示。正式出图时将图纸精细度调整为粗略或中等显示模式即可。

图22 水泵构件表达形式Figure 22 Expression form of pump components

采用Revit软件可快速在BIM模型基础上生成传统二维图纸。本项目采用统一样板文件，参数化图框，通过对单体房屋进行平剖面图设计、图面整理、添加注释、图例、表格等工作，生成规范化图纸。完成的运用库平面布置图如图23所示。

图23 运用库模型及平面布置图Figure 23 Operation plant model and floor plan

根据设计人员需求，Revit软件中可快速统计各类构件信息，方便设计人员进行工程数量核算。图 24为Revit软件中生成的调机及工程车库窗明细表。

图24 工程车库窗明细表Figure 24 Details of engineering garage window

3.5 设计成果展示

BIM+VR是建筑行业BIM技术与最新VR技术的融合体[14]。本项目运用该项技术，将沉浸式三维体验与BIM模型无缝对接，通过构建虚拟展示，为使用者提供交互性设计和可视化印象，使BIM模型中大量建设信息得以充分展示。

为提高方案展示效果，减少与建设单位及施工单位沟通障碍，本项目采用与 Revit软件具有良好接口的Lumion软件对模型进行后处理工作。

4 结语

在抓马山车辆基地工程 BIM 设计过程中，采用ProjectWise软件作为 BIM 设计协同平台，Autodesk公司软件及自主开发的部分软件工具等进行 BIM 设计及模型整合，将所涉及的15个专业工程内容进行三维设计，整体提高了设计质量。

本次 BIM 设计，应用了自主研发的多项设计工具，可大幅提高BIM设计效率。在建立了充足的构件库基础上，可进行设备设施快速布置，实现了模块化、搭积木式设计。通过 Revit软件参数化设计功能，实现了工艺、轨道、接触轨等专业参数化建模。开发软件同时具有族构件信息快速导入导出、明细表生成功能，经实测可提高至少3倍以上效率。

在对模型进行差错漏碰检测中，提出了模型自查→整合漫游查看→碰撞检测→方案优化的思路，极大地减少了各专业在设计过程中理解偏差及差漏碰错问题，提高了设计质量。

相对于传统二维模式，虽然在设计时需要额外核对标高位置、调整参数信息，但设计成果更为直观，且出图可保证平剖面与设计成果一致，在后续调整设计方案时避免传统二维设计易出现的平剖面图不对应问题，减少了核对工作量。BIM设计可根据设计成果快速统计工程数量，工程量结果与模型一致，效率及准确性均大大提高。虽然 BIM 设计在前期工作量较大，但在后续修改方案、重新统计工程量、减少差错漏碰、提高设计质量、方案成果展示等方面均优于传统二维设计模式。

本次BIM应用方面，实现了工程量计算、碰撞检测、BIM出图、BIM+GIS、BIM+VR等应用，对设计方案进行分析展示，为 BIM 技术在轨道交通车辆基地领域中的设计应用提供了参考借鉴。

在全国各地轨道交通快速发展的大趋势下，国内已有 BIM 技术在运维阶段乃至全生命周期阶段的应用案例。本线在设计阶段即考虑了场段智慧化设计，下一步将着重研究 BIM+智慧运维技术应用，通过运用物联网、大数据、无线传感网络等技术，结合BIM技术开发场段智慧运维系统平台，实现BIM模型与实景实时数据融合，保证操作人员在系统中获取的数据与现实数据相同，运营人员通过查看BIM模型即可获得车辆、设备设计资料、图纸、监测状态、检修状态、设备履历等信息[15]。另一方面，由于本线为全自动驾驶线路，对于运营人员在不同场景下车辆驾驶、作业模拟、设备检修等方面进行培训存在需求。本次研究仅实现了BIM设计成果虚拟展示，在后续设计中，项目组将根据运营特点及需求，基于完成的BIM模型、驾驶模拟设备及手持辅助检修设备等设施，结合VR、AR技术，研究开发培训及检修作业指导平台，为运营人员技能水平提高、应急状况虚拟演练、现场故障识别及快速处理提供支持，以达到提高运营质量、效率及服务水平的目的[16]。