基于BIM技术的站房正向设计方法研究

余 括

（轨道交通工程信息化国家重点实验室（中铁一院），西安710043）

0 引 言

随着BIM 技术的推广应用，各大设计院都在尝试基于BIM 的正向设计，单纯基于Revit软件无论是二次开发还是自主研发都无法完美解决特殊建筑形式的各专业BIM 正向设计。而整合Autodesk、Bentley、Tekla、Lumion 各大平台的优势，通过其开放的数据接口、实现模型数据在多平台的扭转，借助一套BIM 模型数据，完成站房BIM正向设计［1-4］。如图1 所示的站房BIM 正向设计应用流程。部分研究者使用Revit软件中的建筑、结构、机电、钢结构、漫游、碰撞等模块建立相应模型，通过二次开发及插件也实现了基于Revit的综合模型创建。无论如何利用，开发Revit都存在一个致命的问题，即使是生成了BIM模型，但却无法生成满足国内制图标准的二维设计成果，也无法与国际数控加工平台对接的，实现BIM 数据全生命周期传递。对于具有地域特色的站房景观效果体现单纯基于Revit软件也无法达到满意的效果。对于站房多平台全专业BIM 模型整合、BIM 出图、BIM效果展示尚未有实际工程进行应用研究。

图1 站房BIM正向设计应用流程Fig.1 The application process of station building BIM forward design

以某站房工程为背景，首先基于Revit 的建筑、混凝土结构、机电BIM 正向设计，并完成其各专业施工图、工程量输出；然后基于Staad 的屋面钢结构网架BIM计算分析，并通过其与Tekla的数据接口输出主体杆件模型到Tekla中，实现对钢结构屋面网架细部节点的深化设计及出图与材料统计［5-9］，如图2 所示。最终将Tekla 模型输出为.skp数据格式文件导入到Revit 中进行机电BIM 管线综合设计，输出管线综合图纸。同时将Revit模型通过与Bentley 的接口i-model 云技术导出为*.i.dgn 数据格式，Tekla 模型通过数据接口导入到Navigator 中实现基于Bentley 平台的数据无损整合，并保证BIM模型的轻量化传递，从而进行碰撞检测，为管线综合提供数据支撑。完成以上所有工作后直接基于正向设计BIM 模型，将Revit模型导出为dae 格式、Tekla 模型导出为Skp 格式，最终扭转到Lumion 软件中创建最终站房基于BIM 正向设计成果的景观模型及效果图制作，如图3所示。

图2 Staad数据输入到Tekla属性映射设置Fig.2 Staad data is entered into Tekla property mapping Settings

该方法探索了站房不同结构形式构件的计算分析及模型整合、出图、算量的技术路线，其价值在于整合了目前市场针对各结构形式国际主流的BIM 正向设计软件，基于一套数据实现了碰撞检测、景观效果模拟，而不必单纯基于Revit 软件花费大量的精力创建钢结构BIM 模型及复杂节点族，而且生成的正向设计成果无法满足国内钢结构出图标准及相应数控机床的加工数据。国内少部分研究中通过购买Bentley 全套软件代替基于不同专业软件平台进行设计，最终解决了站房钢结构设计、计算、出图、工厂化加工数据、景观效果模拟的综合应用问题，但投入学习成本及软件购买成本较高，无法在站房BIM 正向设计中进行推广利用。

图3 某站房BIM效果图Fig.3 BIM rendering of ruoqiang station building

以上技术路线解决了目前传统设计需要基于PKPM、YJK、Sap建立钢结构网架计算分析模型并计算完成后，生成粗略钢结构网架图纸，然后基于其在Tekla 中建立网架及节点模型，进行深化设计，再输出深化网架图纸的问题。实现了直接基于多平台，多数据进行整合后在Lumion 软件中直接制作景观模型、VR场景模型。解决了传统效果图只能基于图纸建立3dmax 三维模型，进行景观及效果图制作的问题。

1 族库管理系统

中小型铁路旅客站房工程BIM正向设计过程中由于项目需要大量的族构件，为从源头解决BIM 正向设计的效率及设计成果的统一性、规范性，建立了企业族库管理系统，如图4 所示，并基于我院划分的最小单元就结构树进行层级划分，同时为族构件添加后期需要出图的图例及计算工程量所需的参数，保证项目设计前期完善的构件库对项目最大的效率提升。

图4 族库管理系统Fig.4 Family library management system

2 基于最小单元结构树的构件编码

通过族构件进行了基于最小单元结构树的构件编码，保证后期站房全生命周期数据字典，使设计BIM 模型能够基于一套规则体系在施工、运维阶段进行BIM 数据的传递，同时实现了基于最小单元结构树的构件编码的构件工程量统计，并为后期将构件工程量与国标定额计价规范挂接提供数据支持，如图5所示。

图5 屋面钢构件最小单元构件编码Fig.5 Minimum element code for roofing steel members

3 站房BIM建模设计

本次站房BIM 正向设计建模采用了Autodesk Revit、Staad、Tekla、Lumion 创建各专业BIM 模型，实现了基于BIM模型的算量、出图。

3.1 建筑BIM正向设计

建筑专业通过Revit 建立了建筑、内装、外装BIM 模型。导入到模拟软件Vasari 2 进行通风模拟、光照分析。并与其他专业BIM模型整合，生成了门窗及复杂节点大样，如图6所示。

图6 站房建筑BIM正向设计Fig.6 Forward design of station building BIM

3.2 结构BIM正向设计

结构BIM正向设计前期利用YJK建立结构分析模型进行整体计算，满足要求后通过YJK for Revit导入Revit生成混凝土结构。

3.2.1 混凝土结构BIM正向设计

采用Revit建立了详图大样联动机制，通过修改构件界面尺寸，相应的详图大样自动变化，避免了由于传统设计重复修改带来的设计错漏碰撞问题。同时建立了二、三维联动机制，在构件属性中关联结构钢筋信息，后期调整时只需要修改构件属性中的数值、钢筋标注及工程量统计会自动进行相应变化，提高了设计效率。同时通过导入计算钢筋数据，利用BIM 模型数据的承载性直接框选需要生成三维钢筋的模型直接为构件创建三维钢筋实体并自动计算满足设计规定的锚固长度、搭接长度，使设计人员能够及时发现结构钢筋存在的碰撞、钢筋过密等设计问题，也为后期施工复杂钢筋节点交底提供了可视化三维数据，极大地解放了生产力。

混凝土结构设计中采用YJK建立混凝土结构模型并通过YJK for revit，将混凝土结构模型导入Revit 中进行图纸输出，由于Revit 建立图纸时需要大量的填充图案，在Revit 中制作相当麻烦，本项目探索了直接在cad 中利用成熟的二维设计手段创建大量的填充样式，直接将含有大量填充图案的cad 图纸导入到Revit 中，并炸开图纸，即在Revit 填充图案类型中自动创建与二维图案一致的图案详图，从而进行施工图的制作。最终导入后的BIM 模型直接继承了结构计算数据，通过一键生成三维钢筋功能，如图7 所示。在三维视图中选取需要生成钢筋的构件，即自动根据配筋计算数据生成三维钢筋，且同时满足规范要求的搭接长度、锚固长度等。

图7 可视化三维钢筋模型Fig.7 Visualized 3d steel bar model

3.2.2 钢结构BIM正向设计

由于Bentley staad 具备强大的复杂钢结构形体建模分析功能，借助staad 建立了本项目屋面网架钢结构BIM 模型，如图8 所示，并通过不断调整BIM 模型构件尺寸及相关数据，使计算结果满足国内相关结构设计标准。如图9-图12所示，证明了复杂钢结构直接基于BIM模型进行计算分析的可行性、便捷性并为今后同类工程的设计提供参考。应用此解决方案解决了目前传统设计无法基于PKPM、YJK、Sap2000在设计计算分析前期建立同时满足后期要求的BIM 模型的问题，导致在计算分析时需要建立计算分析模型，后期重复建立钢结构BIM 模型，也无法为钢结构深化加工提供满足要求的BIM模型数据基础。

图8 Staad钢结构计算分析数据Fig.8 Staad steel structure calculation and analysis data

图9 Staad钢结构计算分析报告书Fig.9 Staad steel structure analysis report

图10 Staad钢结构计算分析数据Fig.10 Staad steel structure calculation and analysis data

图11 Tekla钢结构深化网架模型Fig.11 Tekla steel structure deepen mesh model

Tekla建立螺栓球节点模型包括以下步骤：

首先创建一个大球，再创建一个小球，然后用小球切大球，最后把小球删除掉，再为该节点添加上杆件连接的零件即可完成网架螺栓球节点的创建。

图12 网架螺栓球深化节点Fig.12 Grid bolt ball to deepen the node

通过宏对Tekla组件零件、节点网架螺栓球节点的开发解决了空间网架建模过程中节点处理问题，并且可以批量快速创建螺栓球及切割，而且还提供了多种不同的选择项供设计人选择，大大提高了详图技术工作者建模的技术实力，减少了网架建模的工作量，避免了因工作繁杂带来的不必要误差。

图13 网架螺栓球深化步骤Fig.13 Grid bolt ball deepening steps

图14 网架螺栓球节点类型Fig.14 Type of grid bolt ball joint

图15 网架螺栓球宏编译界面Fig.15 Macro compiling interface of grid bolt sphere

传统CAD 图纸表达信息缺乏直观性，同时当结构较复杂时，图纸表达较为繁琐。目前螺栓球网架结构研究还存在很大局限，国内外很多学者要么仅得到结构外观模型，要么仅建立力学分析模型，大多缺乏BIM思维，从而忽视了BIM模型的真正含义。建模是BIM 的核心，但BIM 不等于建模，BIM 模型集成了“仿真”和“信息化”两大要点。遍历国内外研究成果，并无任何有关空间网架BIM“仿真”建模的有效研究，多数模型仅做外观处理，并无细节可言，形成的空间网架节点并无区分螺栓球节点和焊接球节点，模型所有节点相同并无相应节点参数，缺乏BIM模型“仿真”要点，无法将模型应有的信息传递到施工、运维阶段，使BIM后期操作变得无力。

从最初简单的几何体组合发展到现如今复杂的三维曲面造型，实体模型是当前各主流BIM 软件的发展趋势。对钢结构BIM 而言，三维实体建模的最大优点除可进行布尔运算和剪切运算外，更加适合钢结构工程信息在模型上的集成、施工详图同模型的智能化关联、参数化数字建模等。

鉴于此，使用该项目研究的方法创建球及球切割的功能，通过对空间网架BIM 仿真建模进行研究，扩展了BIM在钢结构领域的功能，并且完成了空间网架仿真建模以及基于Tekla 原有节点库螺栓球节点的补充，重新诠释了钢结构BIM 模型的意义，为今后钢结构BIM 网架部分的建模提供参考和理论依据。

该站房为BIM 正向试点工程，旨在通过该试点打通BIM正向设计的技术路线，总结其问题，为今后更好地在铁路建筑中应用BIM 技术，从而推动国家BIM政策的发展，其具有代表性与探索性。

本工程所处气候条件较恶劣，为避免今后因长期服役引起的钢构件材料退化及在气候变化引起温度变化幅度不断增大的双重因素作用，考虑到空间结构体系的整体稳定性对施工荷载作用比较敏感和钢结构安装工艺要求比较严格，同时兼顾加固施工不能影响结构正常使用，该站房机电工程采用装配式设计，现场进行吊装安装，钢网架屋面中存在给排水及消防管线穿越，由于网架结构只能承受节点荷载，杆件一般不能承受横向荷载，在设计时就要考虑碰撞发生在网架边缘节点位置，且节点碰撞接触后应阻止网架继续移动。现有的螺栓球节点都为圆钢球，圆钢球之间接触为点点接触，接触面积太小往往在碰撞接触后不能阻止网架继续移动，最终杆件相碰导致结构破坏。基于BIM技术建立了螺栓球网架结构三维实体并与其他专业进行碰撞检测，有效避免了管线与网架及球节点产生碰撞，解决了螺栓球网架结构与主体混凝土结构、虹吸雨水系统等专业的冲突问题。

在后期工程竣工后交付BIM 模型，并将用于站房的智能化运营管理，减少了后期难于检查、清洁、涂漆和容易积灰的死角，及时对球节点进行维护。网架结构的深化设计不同于其他钢结构类型，普通技术路线需要结合Tekla、3D3S、MST等不同软件来共同完成，要求设计人员更加全面，能利用不同的工具软件对各细部的深化设计无缝对接。而本文只通过Staad建立计算分析模型，直接导入到Tekla中进行深化设计、出图、工程量统计、预制加工，极大降低了设计人员对不同深化软件的掌握性，同时项目中借助Tekla的开放性数据结构，开发了本项目特有的参数化钢结构节点库、构件材料表、公司数据库等企业资源文件，为今后大型、特大型站房等复杂建筑结构形式提供解决方案。

通过BIM 建模与深化单位进行对接，直接将三维模型输出到数控八轴方管圆管相贯线切割机，实现了基于Tekla软件的钢结构网架桁架加工套料。真正实现了批量选择批量输出，一键生成加工代码，避免Tekla转换CAD复杂建模程序提高生产效率。通过与传统二维图形数据进行对比发现，提高了工厂加工的排料速度和利用率，并能根据工程提前预算工程所需原材料，直接节约成本。

该项目通过探索基于计算分析线模，实现了构件的网壳结构三维模型的快速建立，极大地提高建模效率。模型精度要求达到构件加工级别，可精确统计每个构件的信息，达到高精度建模的目的。基于网壳结构三维模型能进行空间碰撞检查，规避网壳的错、漏、碰、缺。三维模型能够应用到构件加工下料和现场施工安装定位，到达提高生产效率、指导网壳施工的目的。

3.3 机电BIM正向设计

目前BIM 行业机电应用价值点最高，BIM 应用成果最显著，本项目直接基于Revit借助鸿业机电插件、Magicad创建了机电施工图设计BIM 模型并进行了相关计算分析。通过BIM 的可视化、可协调性、数据统一性基于机电模型链接建筑、结构BIM 模型进行调整管线排布，避免碰撞。如图16所示，多专业协同，保证成果的统一性，解决了传统二维设计无法表达设备管线空间排布、施工单位无法进行准确管线敷设带来的安全、质量、返工等问题。

图16 机电BIM正向设计Fig.16 Forward design of electromechanical BIM

3.4 模型组装

由于各软件平台数据格式不统一，目前BIM正向设计需要提交基于同一平台的数据格式，本项目将各专业Revit 模型通过与Bentley 的接口imodel云技术导出为*.i.dgn数据格式，即可快速实现A 平台向B 平台的数据传输。利用Navigator 强大的数据支持性特点，实现了BIM 数据的无损传递，并解决了多专业、多平台数据的整合。并基于Navigator进行碰撞检测，生成碰撞检测报告，反馈给设计者，及时调整方案，尤其对BIM机电管线综合提供碰撞点的位置及碰撞构件信息，通过管线综合解决设计中存在的碰撞问题，发挥BIM 正向设计技术的优势，如图17所示。

图17 模型整合与碰撞检测Fig.17 Model integration and collision detection

4 BIM应用研究

4.1 工程量统计

基于BIM正向设计BIM模型数据的承载性及三维图形物理参数获取的便捷性，直接提取构件工程量参数并根据我院工程量计算表格生成满足要求的工程量数据。如图18 所示，解决传统二维设计人员需要基于二维图形计算工程量浪费重复的生产力。

4.2 轻量化协同设计审核

图18 机电BIM设备材料表Fig.18 Mechanical and electrical BIM equipment materials list

基于铁路工程房建BIM正向设计文件审核平台是利用BIM 技术，通过三维模型数据化、可视化，将审核界面分为左右两部分，分别展示三维模型以及依据模型生成的二维图形的方式，可以使审核人员对于被审核的房建设计文件从方案布置、空间尺寸等宏观层面得到较为直观的感知。如图19 所示，也可快速准确并且全面地检查出细节设计问题，较大地提高工程设计文件质量。

图19 基于BIM轻量化平台的文件审核Fig.19 Document review based on BIM lightweight platform

5 技术经济效益分析

现行国内各大设计院都在进行BIM正向设计的研究，但主要研究都在基于Revit 解决全专业、全过程设计BIM 模型的创建及出图的问题，但忽视了BIM 发展过程中各软件平台的专业性、独特性、无法替代性。

Revit 广泛应用于传统混凝土结构、机电的BIM 正向设计；staad 适合大型复杂钢结构直接基于BIM 模型的计算与分析，并与国际接轨，无需BIM 数据与钢结构计算数据的重复建模；Tekla 适合解决复杂钢结构节点的深化，并具有强大的开放性、开发性、与钢结构加工厂数据对接性应用；Bentley Navigator 软件具有强大的数据包容性、模型轻量化、便捷的操作性，从而实现BIM模型的数据整合与碰撞检测。Lumion 软件可快速完成景观模型创建，避免传统二维设计重新制作效果带来的资源浪费。某站房工程综合采用国际化的主流BIM 软件进行BIM 正向设计。实现了Revit、Staad、Bentley Navigator、Tekla、Lumion 等BIM 软件的综合应用，无须花费大量的精力基于Revit二次开发插件即可解决站房多专业、多建筑形式的BIM正向设计问题。

通过此次站房BIM 正向设计，通过各软件的专业性并实现了数据的无损整合，说明要进行站房各专业BIM 正向设计，不必执着于单一的软件的问题，取长补短，综合应用各软件的优势，然后解决数据的整合及数据传递。此次站房BIM正向设计探索取得了良好的经济效益及可操作性，不失为一条思路清晰、技术可行的技术路线。

6 结 论

基于BIM设计通过构建参数化三维模型并与构件几何关系相关联，只需对三维模型剖切进行标注后，其相关的图纸大样即可联动生成，大大提高了设计效率，且生成的图纸在三维模型发生变化会进行联动变化，有效避免了二维设计的重复修改带来的错漏碰缺等问题，真正实现了通过构件参数来驱动模型的变化，达到一处变、处处同步修改的目的，从而提高建模效率，缩短建模工期。

某 站 房 工 程 依 托 于Revit、Staad、Bentley Navigator、Tekla、Lumion 等软件进行了全专业、全过程的站房BIM 正向设计，解决了多平台的数据交互，多专业的协同设计，多结构形式的计算分析，多数据的无损整合。施工和运维阶段的BIM应用还有待开展。研究结果表明，综合采用多平台的BIM正向设计技术进行站房各专业BIM正向设计是切实可行、符合工程设计的，输出的工程量满足实际需求，采用多平台进行协同上设计，并完成在统一平台的数据整合，基于同一套数据进行碰撞检测、景观表现、漫游可视化、VR虚拟现实模拟，提升了设计质量，解决了传统设计过程存在的错漏碰撞，提高了BIM 模型资源利用率。为以后复杂建筑形式的站房的BIM正向设计应用与推广打下良好的基础。