基于Revit,平台的地铁车辆段工艺正向设计基础研究
尹 燊
（中铁华铁工程设计集团有限公司 轨道交通设计院，北京 100071）
我国城市轨道交通发展至今，地铁车辆段的设计工作日趋成熟。在全自动无人驾驶、上盖开发等新技术、新思路的应用背景下，多元化及精细化的地铁车辆基地建设对设计工作提出了新的挑战。地铁系统的设计需要通信、信号、车辆、线路、供电等不同专业协同配合，而建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）技术在专业协同方面具有先天优势，可为各专业技术人员提供可靠的技术支撑。区别于正线设计，地铁车辆基地的设计必须以实现车辆运用与检修工艺为首要目标，车辆段工艺专业的设计成果是各土建设计专业工作的基础。因此，在车辆段工艺设计中应用BIM 技术是实现全专业BIM 正向设计的先决条件。
现阶段我国地铁BIM 正向设计的研究方向主要以建筑设计专业为核心，站场、机电等设计专业为主要应用点[1-2]，而对于地铁车辆段工艺设计专业的BIM 技术应用尚不多见。本文通过总结地铁车辆段工艺BIM 的特点和要求，结合相关设计经验，提出了基于Revit 平台进行工艺正向设计的优化方案，提升了工艺设计的协作效率。
1.1 车辆段工艺BIM 的特点
区别于民用建筑项目，工艺设计专业的工作内容是通过对人员、机器、物料、方法、环境等元素的计算与布置，实现工业项目的使用功能，而其他因素则以工艺设备为核心来实现。因此，工艺BIM的建模重点为在空间内对工艺设备模型进行布置，建筑主体结构作为工艺布置的附属存在可以进行一定程度的弱化。
相比于给排水、暖通、电气等其他设备专业，车辆段工艺设计面对的工艺设备存在数量大、种类多且非标准设备占多数的特点，因此利用Revit 平台正向设计面临着严重缺少基础构件库的问题。本文将车辆段工艺设备分为2 类，其中，同质化工艺设备主要包括检修平台、防护网、登车梯、车辆等；
差异化工艺设备主要包括洗车机、车轮车床、架车机等。除常规样板的基本内容外，正向设计实施过程中需要用到的族构件较多[3]，为了提高工艺设备BIM 建模的效率，可定制企业级工艺样板，同时为同质化主要工艺设备预置Revit 族库、材质库等，以便方案布置时省去大量的设备建模时间。
1.2 车辆段工艺BIM 的精细程度要求
建筑信息领域的精细程度（LOD，Level of Development）指模型组件在营建生命周期的不同阶段中所预期的完整度，也是用于说明BIM 内容与细节的标准。根据《建筑工程设计信息模型交付标准》的建议[4]，项目可行性研究阶段的建模精细度为LOD100；
方案设计阶段的建模精细度为LOD200；
初步设计、施工图设计阶段的建模精细度达到LOD300；
其他建筑构配件可按需求以简单几何体替代建筑设备，但应表示出其最大占位尺寸。
由于标准中并未对工艺设备类别进行规定，因此可参照“其他”项中的建议，在工艺方案设计阶段建立控制工艺设备长、宽、高尺寸的立方体参数化族进行方案布置。有时在某些项目施工图设计阶段采用此参数化族模型进行工艺设备布置也可满足工艺施工图出图要求。
但工艺BIM 建模更重视过程应用而非交付，模型仅仅满足方案排布与出图要求是远远不够的。为了实现一模多用，在完成工艺方案模型搭建后需在工艺设备体块族的基础上添加设备的名称、编号、耗电功率、电压及动力接口需求等信息，生成工艺设备信息表并完成方案布置，而后利用Revit 平台的明细表功能生成提资资料。如此，工艺设备体块族的精细度在几何外形层面仍为LOD100，但在信息层面已达到LOD400 以上。由此可见，在工艺设备BIM 领域中，LOD 与设计阶段的关系并不严格对应，需根据设备类型与应用情况具体划分。
过去，工艺方案的调整需要设计人员耗费大量的时间成本用于各方沟通。将BIM 技术应用于工艺设计的全生命周期可为各参与方在不同阶段实现协同工作提供有效支撑。
2.1 传统车辆段工艺设计流程分析
类似于工厂类工程建设项目的工艺设计，车辆段工艺设计需要根据规划、行车组织、检修修程、业主需求等基础资料，对车辆停放规模、检修规模的计算及软硬件系统的应用进行规划，再根据计算规模进行工艺设备配置、人员配置及工艺方案布置。传统的车辆段工艺设计过程中，工艺设计资料为建筑、站场总图及机电设备等专业的设计提供基础资料，并根据各专业反提资料进行方案调整及深化，设计流程如图1 所示。
图1 传统车辆段工艺设计流程
传统的车辆段设计工艺流程存在着信息流线长、信息反馈延迟的问题。作为整个项目信息网络的核心节点，工艺设计专业需在将上游输入信息融入设计方案的同时将信息整合梳理后分发至下游专业。因此，工艺设计专业的信息流转效率与设计成果产生速度影响着整个项目的设计工作效率。
2.2 车辆段工艺BIM 正向设计流程分析
采用BIM 正向设计进行车辆段工艺设计工作，改变了原有的信息传递方式与协作模式，外部信息输入后由工艺设计专业将其转化为信息模型，再由各设计专业通过同一模型中心文件进行协同设计。采用平台化协同设计方式，可使各专业设计进度实时同步更新，极大地提高了设计工作效率。协同平台将项目建设方、运营方和施工方同时纳入协同体系中，共同参与设计工作，避免了建设项目迭代优化过程中信息不同步导致的设计返工情况，车辆段工艺BIM 正向设计流程如图2 所示。
图2 车辆段工艺BIM 正向设计流程
协同平台中的工艺设备构件库作为工艺设计专业BIM 正向设计的基础，在设计过程中提供基础资料的同时不断迭代更新，将传统工艺设计中的经验化知识转化为数字知识库，并在后续的工程设计项目中进行复用。
为搭建工艺设备模型基础构件库，满足模型多方面应用的具体要求，需采用不同方式进行建模工作，主要包括Revit 平台的族建模、产品设计软件的三维模型转换、倾斜摄影建模等。
3.1 基于Revit 平台的族建模
使用Revit 平台进行工艺设备族建模时统一使用“公制常规模型”族样板，并采用共享参数的方式将设备的耗电功率、电压、动力接口需求等需要汇总计算的信息传递至项目模型。对于组成相对复杂的机械设备，应分析其组成部分并对各部件分别建族后进行嵌套组合，各部件材质及其他属性应分别定义为族参数层层传递以便在项目中调整使用。建模时应把设备外形的最大尺寸作为主要控制点，对外形尺寸无明显影响的细部构件可视情况弱化或忽略，并在必要时制作供平面视图显示的图例。
族模型文件建成后，需根据规范的工艺设备编码体系将其分类存放，以便在设计工艺方案时通过引用存放路径作为其信息编码进行管理。以车辆段设计项目为例，根据工艺方案目标需求，配置车辆段各检修工序所需工艺设备、车辆及其部件等模型族文件并对空间进行优化。完成方案建模后，统计各工艺设备的参数信息并汇总为接口需求资料向下游专业传递。
3.2 三维模型转换
大部分工艺设备属于非标机械设备，其三维设计主流软件为达索平台的SolidWorks。工艺设备供应商提供的设备三维模型大多为SolidWorks 软件制作，精细度一般可达LOD 400 以上。若在项目前期使用如此高精细度的模型会大大加重计算机硬件负荷，在一定程度上影响工艺设计人员的工作效率。因此，在模型转换前设计人员应根据实际设计阶段需求适当进行模型轻量化处理，并将模型转换成可导入Revit 平台的格式。
软件间的模型转换方法主要有：（1）将SolidWorks 软件制作的三维模型输出为sat 格式后，在CAD 软件中进行图层处理，输出dwg 格式文件并嵌套在Revit 族文件中使用；
（2）用Inventor 软件打开SolidWorks 输出的STEP 格式文件，转换为rfa 族文件并添加族参数完成工艺设备族的建模。转换后的工艺设备模型示例如图3 所示。
图3 转换生成的工艺设备模型
3.3 实景建模的小尺度应用
实景建模技术是采用倾斜摄影等方法采集光学信息，并通过专业软件处理生成实景三维模型的图像技术[5]。现阶段使用无人机倾斜摄影进行的实景建模主要应用于地形测绘及城市规划等领域，应用尺度一般为公里级。针对某些构造复杂、难以直接建模的工艺设备，也可采用实景建模技术生成设备三维模型，应用尺度为米级。对于尺度在2 m 以内的工艺设备，采用手持微型摄影机进行拍摄即可满足建模需求；
对于尺度尤其是高度较大的工艺设备，在条件允许的情况下可在厂房室内使用小型无人机进行拍摄。
将实景生成模型的具体步骤如下：（1）将摄影图像或视频导入Context Capture 等软件中进行生产，输出obj 等通用格式的三维模型文件及其贴图；
（2）将输出的模型文件导入Blender 等三维软件中进行修模，删除非必要的模型点；
（3）导出为FBX 等格式的文件供工艺设计人员测量使用。
导出后的文件可作为构件置入Revit 项目模型中进行渲染，使得展示模型中的工艺设备效果更加真实，渲染后的模型示例如图4 所示。
图4 实景建模生成的设备模型
对于前文所述各途径建模形成的工艺设备三维模型，由于其信息层面内容的缺失，不能满足工艺设计专业资料输出的需求。若在工艺设备单独建模的过程中，通过添加共享参数的手段实现信息注入会增加建模工作量，因此可先根据已有的工艺设备模型完成BIM 的搭建，再通过Dynamo 可视化编程手段实现工艺设备信息的批量注入及修改[6-7]，进而快速完成工艺设备资料的统计与输出。
4.1 批量添加族参数
对族文件批量添加族参数的流程如图5 所示。（1）将族参数与参数值写入规范化Excel 表格，并将需要添加族参数的Revit 族文件放置于统一文件夹路径下，采用“Directorypath（选择路径）”节点分别读取族文件与表格文件中的参数与参数值；
（2）对表格文件中的数据列分别作提取转置处理，为向族文件中添加参数与写入参数值做好准备；
（3）通过“Parameter.Create（生成参数）”节点为读取的族文件添加从表格中读取的参数；
（4）在添加族参数完毕后通过“Parameter Set Value（设定参数值）”节点在族参数中写入相应参数值。
图5 对族文件批量添加族参数流程
4.2 工艺设备自动编号
工艺设备自动编号流程如图6 所示。（1）选择项目中的图元，通过“Element.Get ParameterValueBy-Name（通过名称获取图元参数值）”节点对图元标记进行筛选，通过布尔运算提取其中被标记为“工艺设备”的图元；
（2）在项目模型中绘制并选择一条通过需编号工艺设备模型的模型线来定义编号顺序，并生成族文件列表；
（3）通过“Element.SetParameter-ByName（通过名称设定图元参数）”节点对列表中的族文件按定义的顺序进行编号，添加相应字符串前缀后的编号值写入“注释”或其他参数中。
图6 自动生成工艺设备编号流程
4.3 生成工艺设备表
在Revit 平台中通过“明细表”功能可在工艺方案模型搭建完成后便捷生成工艺设备表。在工艺设计样板文件中，按工艺设备表的显示需求，对工艺设备添加相应的共享参数字段[8]，利用添加的“工艺设备”标记在过滤器中筛选出工艺设备模型，并根据设备编号进行排序。设备表可与模型实时联动、同步更新，进而将工艺设备接口信息提供给相关设计专业或显示在施工图纸中。
本文通过分析地铁车辆段工艺BIM 的特点和LOD 要求，对车辆段工艺正向设计的工作流程进行了优化，同时给出了工艺设备的多途径建模和批量添加模型信息的方法，提升了工艺设计协作效率。将基于Revit 平台的BIM 正向设计手段应用于车辆段工艺设计中，能够将设计模型与图纸、数据等设计信息有机结合。下一步，将以批量构建的工艺设备模型库为项目设计基础，快速建设工艺BIM 设计方案，并通过实时渲染、轻量化平台、VR 等可视化手段进行方案推演与交互，使设计方案在设计、论证、修改的循环迭代过程中不断优化。
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