季 峰 黃靖宇 朱 蕾 郭長(zhǎng)弓 顧保南

(1. 同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 201804， 上海;2. 同濟(jì)大學(xué)磁浮交通工程技術(shù)研究中心， 201804， 上海;3. 上海軌道交通十八號(hào)線發(fā)展有限公司， 200135， 上海//第一作者,碩士研究生)

伴隨著BIM(建筑信息模型)技術(shù)的快速發(fā)展，很多學(xué)者對(duì)BIM在城市軌道交通換乘站設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[1]闡述了BIM在城市軌道交通車站設(shè)計(jì)中的應(yīng)用；文獻(xiàn)[2]分析了BIM對(duì)車站施工進(jìn)度的影響；文獻(xiàn)[3]分析了BIM在地鐵施工集成管理中的應(yīng)用前景和價(jià)值。這些研究的實(shí)質(zhì)就是直接使用BIM技術(shù)解決實(shí)際工程中的問題。在車站設(shè)計(jì)中，BIM應(yīng)用的主要流程是：車站選址大致確定后，首先由建筑設(shè)計(jì)師初步確定建筑設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)建筑BIM模型；接著由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師在建筑模型的基礎(chǔ)上，通過計(jì)算和分析，確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸和位置，建立結(jié)構(gòu)BIM模型；最后由機(jī)電設(shè)計(jì)師在建筑模型和結(jié)構(gòu)構(gòu)件基本確定的前提下，進(jìn)行車站暖通、給排水等的設(shè)計(jì)。由于是在同一個(gè)基礎(chǔ)模型上實(shí)現(xiàn)方案的生成，因此不同專業(yè)的設(shè)計(jì)師之間的溝通更加便捷。

1 換乘站行人設(shè)施布局方案快速生成方法

本文基于BIM技術(shù)，提出換乘站行人設(shè)施布局方案快速生成方法，實(shí)現(xiàn)行人設(shè)施布局方案的快速生成。整個(gè)技術(shù)流程(見圖1)分為初始準(zhǔn)備、初始方案生成、方案修改和行人設(shè)施空間數(shù)據(jù)文件更新。

1.1 初始準(zhǔn)備

初始準(zhǔn)備工作指的是方案生成前的基礎(chǔ)準(zhǔn)備工作，主要包括創(chuàng)建背景、構(gòu)建行人設(shè)施單元庫、建立初始布局方案的行人設(shè)施空間數(shù)據(jù)文件。

(1) 創(chuàng)建背景：對(duì)車站的基本信息進(jìn)行設(shè)置，創(chuàng)建當(dāng)前方案的背景。主要指的是車站的設(shè)施層面和車站屬性層面。車站設(shè)施層面包括車站內(nèi)的各類物理性的設(shè)施，即車站出入口、站廳、站臺(tái)等重要的基本設(shè)施；車站屬性層面包括車站的層高、標(biāo)高及分層情況。創(chuàng)建背景的意義在于：在已知車站的層高、位置、標(biāo)高等信息的情況下，構(gòu)建行人設(shè)施方案生成的基本約束條件，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)行人設(shè)施布局方案生成。

圖1 換乘站行人設(shè)施布局方案快速生成技術(shù)流程圖

(2) 構(gòu)建行人設(shè)施單元庫：將車站行人設(shè)施布局方案中所需要的行人設(shè)施族文件保存到一個(gè)特定的文件下，其主要包括安檢機(jī)、閘機(jī)、欄桿、自動(dòng)扶梯、樓梯、電梯和通道等設(shè)施的文件。Revit軟件中族文件按照布置實(shí)現(xiàn)方法可分為點(diǎn)狀設(shè)施單元和線狀設(shè)施單元。點(diǎn)狀設(shè)施是通過一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)(Location Point)來完成位置的確定，這樣的設(shè)施主要有安檢機(jī)、閘機(jī)、自動(dòng)扶梯等。線狀設(shè)施是根據(jù)線段兩端的端點(diǎn)坐標(biāo)來完成位置的確定，這樣的設(shè)施主要有通道、欄桿、樓梯等。線段兩端端點(diǎn)不僅可以確定此類設(shè)施的方位，同時(shí)也能決定設(shè)施邊界的尺寸以及部分設(shè)施尺寸大小。當(dāng)單元族庫中沒有所需尺寸的行人設(shè)施單元時(shí)，用戶可以按照自己的需求另外加工處理。

(3) 建立初始布局方案的行人設(shè)施空間數(shù)據(jù)文件。根據(jù)行人設(shè)施初始布局方案中各設(shè)施單元位置及方位要求，建立相關(guān)的行人設(shè)施數(shù)據(jù)庫文件。數(shù)據(jù)庫文件包含初始方案中各行人設(shè)施的名稱、設(shè)施單元存放地址、空間坐標(biāo)、方位等信息。名稱即該設(shè)施單元的名字；地址指的是該設(shè)施單元族文件當(dāng)前存放的絕對(duì)地址；ID指的是該設(shè)施單元的ID號(hào)，用以識(shí)別該設(shè)施；結(jié)構(gòu)類型表示設(shè)施結(jié)構(gòu)物的屬性值；類別表示該設(shè)施的類型；角度即需要旋轉(zhuǎn)的方位角；坐標(biāo)即目標(biāo)坐標(biāo)。

1.2 初始方案生成

初始方案生成是指在完成了數(shù)據(jù)輸入之后，系統(tǒng)會(huì)先去判別所輸入的行人設(shè)施數(shù)據(jù)是否滿足當(dāng)前方案生成所需的基本要求，然后再將合格的數(shù)據(jù)作為方案生成的基本參數(shù)導(dǎo)入生成函數(shù)中，依次完成每一個(gè)行人設(shè)施的布置，從而最終實(shí)現(xiàn)行人設(shè)施初始布局方案的生成。

1.2.1 行人設(shè)施坐標(biāo)數(shù)據(jù)合理性判斷

行人設(shè)施坐標(biāo)數(shù)據(jù)合理性判斷是為了保證行人設(shè)施空間數(shù)據(jù)文件中所輸入的行人設(shè)施方位數(shù)據(jù)能夠滿足當(dāng)前車站設(shè)計(jì)要求。這樣不僅加快了方案生成的速度，也提高了方案生成的效率。

行人設(shè)施方位數(shù)據(jù)合理性的判別主要從3個(gè)方面來考慮：行人設(shè)施是否在當(dāng)前車站邊界條件以內(nèi)，行人設(shè)施之間的相對(duì)位置關(guān)系是否滿足GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]的要求，行人設(shè)施之間是否會(huì)發(fā)生碰撞或者存在相互沖突的現(xiàn)象?；谝陨?方面考慮，本文做了以下3個(gè)判斷：

判斷1：行人設(shè)施是否在當(dāng)前車站邊界范圍內(nèi)。

(1)z軸坐標(biāo)值判斷。任何一個(gè)行人設(shè)施，不管它是點(diǎn)狀設(shè)施還是線狀設(shè)施，都有一個(gè)基本的共性：其方位參數(shù)的z值坐標(biāo)一定是布置在所在層樓板上的，即滿足如下要求：

Zpresent-floor≤z≤Zup-floor

(1)

式中：

Zpresent-floor——車站當(dāng)前樓層樓板的z軸值；

Zup-floor——車站上層樓板的z軸值；

z——設(shè)施單元目標(biāo)z軸值。

(2)oxy平面內(nèi)各設(shè)施的坐標(biāo)點(diǎn)對(duì)判斷。對(duì)z值的判別只是保證了z軸滿足基本的要求。如果其x、y值超過了車站樓板邊界范圍，則表示該設(shè)施不在車站內(nèi)，則這樣的行人設(shè)施單元目標(biāo)坐標(biāo)也是不滿足要求的。在處理該問題時(shí)，首先將其簡(jiǎn)化為“判斷平面內(nèi)某一點(diǎn)是否在多邊形內(nèi)部”的問題，即“在一個(gè)二維坐標(biāo)系中，給定一個(gè)定點(diǎn)，再依次給出一個(gè)任意多邊形的所有頂點(diǎn)，討論頂點(diǎn)是否在多邊形內(nèi)部”的問題，然后利用射線法進(jìn)行判斷，具體算法參見文獻(xiàn)[5]。

判斷2：行人設(shè)施之間的相對(duì)位置關(guān)系是否滿足GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求。

要求部分行人設(shè)施有一些基本的間距。輸入行人設(shè)施坐標(biāo)，對(duì)相應(yīng)的行人設(shè)施的空間位置關(guān)系進(jìn)行判斷，只有滿足《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》中行人設(shè)施基本間距條件的才符合要求。

判斷3：行人設(shè)施之間是否會(huì)發(fā)生碰撞或者存在相互沖突的現(xiàn)象。

如圖2所示，欄桿穿過了閘機(jī)，兩種行人設(shè)施之間實(shí)際上發(fā)生了碰撞，但是Revit軟件并沒有報(bào)錯(cuò)。因此需要對(duì)行人設(shè)施坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行碰撞判斷。

圖2 閘機(jī)和欄桿碰撞圖

碰撞存在2種情況，一是同種類型設(shè)施之間發(fā)生碰撞，即點(diǎn)狀設(shè)施單元間的碰撞；二是不同類型設(shè)施之間的碰撞，即點(diǎn)狀設(shè)施和線狀設(shè)施之間的碰撞。

針對(duì)以上2種碰撞情況，本文提出的解決方案包括以下2步。

第一步，對(duì)于同種類型的設(shè)施單元，對(duì)其目標(biāo)坐標(biāo)進(jìn)行一一判斷。通過判斷點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離來解決。當(dāng)2個(gè)設(shè)施基點(diǎn)間的距離大于各自設(shè)施單元的最大半徑和，即認(rèn)為兩者不會(huì)發(fā)生碰撞，公式如下：

ri+rj

(2)

式中：

d——第i點(diǎn)設(shè)施單元到第j點(diǎn)設(shè)施單元距離；

xi、yi、zi——分別為第i點(diǎn)設(shè)施單元目標(biāo)坐標(biāo)x、y、z值；

xj、yj、zj——分別為第j點(diǎn)設(shè)施單元目標(biāo)坐標(biāo)x、y、z值；

ri、rj——分別為第i點(diǎn)和第j點(diǎn)的各自設(shè)施基點(diǎn)到設(shè)施邊緣的最大半徑值。

第二步，對(duì)于不同類型的設(shè)施單元之間的碰撞問題，將設(shè)施單元的目標(biāo)坐標(biāo)投影到oxy平面上。把點(diǎn)設(shè)施單元基點(diǎn)坐標(biāo)簡(jiǎn)化成點(diǎn)P，將線狀單元設(shè)施起終點(diǎn)坐標(biāo)值簡(jiǎn)化成線段li，此時(shí)將上述碰撞問題簡(jiǎn)化成點(diǎn)到直線的距離,即滿足P到li的距離大于點(diǎn)設(shè)施單元自身的最大直徑值：

(3)

式中：

d——P到直線li的距離；

x0、y0——分別為點(diǎn)設(shè)施單元目標(biāo)坐標(biāo)x、y值；

A——li所在直線的x軸的系數(shù)；

B——li所在直線的y軸的系數(shù)；

C——li所在直線的常數(shù)項(xiàng)；

ri——設(shè)施單元自身的最大直徑值。

綜上所述，只要滿足上述3個(gè)判斷條件，所輸入的方位數(shù)據(jù)才是可行的，只要有一個(gè)沒有滿足要求，系統(tǒng)即報(bào)錯(cuò)，并顯示具體的錯(cuò)誤點(diǎn)，提醒設(shè)計(jì)者重新輸入基本參數(shù)信息。

1.2.2 行人設(shè)施初步布置

當(dāng)所有行人設(shè)施的方位數(shù)據(jù)滿足判別條件之后，所輸入的方位參數(shù)才能被Revit軟件讀取，接下來才能實(shí)現(xiàn)每一個(gè)行人設(shè)施的布置。按照以下4個(gè)步驟完成行人設(shè)施布置方案生成：

(1) 找到需要布置的行人設(shè)施的名稱、ID及族文件保存的地址信息；

(2) 利用地址和ID等信息，將所需要的行人設(shè)施加載到Revit軟件中；

(3) 調(diào)用布置行人設(shè)施所需要的函數(shù)，并且對(duì)函數(shù)中所需的參數(shù)進(jìn)行賦值；

(4) 運(yùn)行函數(shù)，完成單個(gè)行人設(shè)施布置，最終實(shí)現(xiàn)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，系統(tǒng)會(huì)給予設(shè)計(jì)者手動(dòng)修改方案的機(jī)會(huì)。設(shè)計(jì)人員在生成的初始方案基礎(chǔ)上，利用Revit軟件相關(guān)功能，手動(dòng)修改行人設(shè)施布置方案中存在的問題。這樣生成的方案即為最終的行人設(shè)施布局方案。

1.4 行人設(shè)施空間數(shù)據(jù)文件更新

當(dāng)設(shè)計(jì)者確定了最終的行人設(shè)施方案之后，系統(tǒng)會(huì)將所生成的方案以Excel表格、Revit文檔、圖片的形式保存在特定的文件夾下。

Revit文檔的特點(diǎn)是便于以后的調(diào)閱，便于整理不同的行人設(shè)施布局方案差異，同時(shí)也便于進(jìn)行方案比較。圖片包含CAD文檔和Revit三維模型圖片，前者使所生成的方案能更好地服務(wù)于工程設(shè)計(jì)，后者則能從不同的角度展示當(dāng)前方案下行人設(shè)施布局方案的特點(diǎn)，從而能夠更好地服務(wù)于設(shè)計(jì)者。Excel表格中記錄的是當(dāng)前方案中所生成的行人設(shè)施的ID、坐標(biāo)等信息數(shù)據(jù)。由于最終生成的行人設(shè)施布局方案和初步生成的方案不一定完全一致，因此當(dāng)前生成的數(shù)據(jù)與輸入端的數(shù)據(jù)也不一定完全一致，但是Excel記錄了所形成的最終方案不同設(shè)施的屬性以及彼此的相對(duì)位置關(guān)系等信息，這讓設(shè)計(jì)者可以從定量的角度去分析、比較不同的備選方案之間的差異。

2 案例研究

以某城市軌道交通換乘站為例，簡(jiǎn)述行人設(shè)施布局方案快速生成的實(shí)現(xiàn)過程。初始準(zhǔn)備階段主要工作是先手動(dòng)生成車站的基本設(shè)施(如圖3所示)，然后建立行人設(shè)施數(shù)據(jù)庫和Excel空間數(shù)據(jù)文件(如表1所示)。

圖3 創(chuàng)建的車站背景圖例表1 行人設(shè)施數(shù)據(jù)庫和Excel空間數(shù)據(jù)文件示例

序列名稱地址ID結(jié)構(gòu)類型類別角度/(°)目標(biāo)坐標(biāo)/mxyz1橋式直角三輥閘C:UsersBluestorkDesktop行人設(shè)施庫橋式直角三輥閘.rfa36e4e7cd-9798-419b-bc9c-a4a30e6a9f61-0004c301NonStructuralOST_SpecialityEquipment90134.2421.506.002橋式直角三輥閘C:UsersBluestorkDesktop行人設(shè)施庫橋式直角三輥閘.rfa36e4e7cd-9798-419b-bc9c-a4a30e6a9f61-0004c301NonStructuralOST_SpecialityEquipment90134.24-6.006.00

將Excel文件導(dǎo)入Revit軟件中，系統(tǒng)會(huì)對(duì)所輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，當(dāng)不符合判斷條件時(shí)，系統(tǒng)會(huì)提示設(shè)計(jì)人員(如圖4所示)。直到所有的數(shù)據(jù)都滿足判斷條件，判斷通過后，初步方案生成。初步方案如圖5所示。

圖4 方位數(shù)據(jù)判斷圖

圖5 站廳層初步方案圖

初步方案中部分行人設(shè)施有誤，這時(shí)可以選擇手動(dòng)操作閘機(jī)、樓扶梯的設(shè)施位置的修正，手動(dòng)修改，形成最終方案。最終方案如圖6所示。

圖6 站廳層最終方案圖

最后將最終方案以rvt格式保存，并將方案導(dǎo)出成CAD文件，供工程設(shè)計(jì)人員參考，同時(shí)導(dǎo)出記錄當(dāng)前方案行人設(shè)施空間位置數(shù)據(jù)的Excel文件，完成行人設(shè)施布局方案生成。表2為空間數(shù)據(jù)更新文件示例。

3 結(jié)語

本文論述了BIM技術(shù)條件下行人設(shè)施布局方案快速生成方法，介紹了其工作流程和工作內(nèi)容。

表2 空間數(shù)據(jù)更新文件示例

通過軟件二次開發(fā)得到了方案快速生成插件，并且通過具體實(shí)例驗(yàn)證了方案快速生成方法的有效性。采用這種方法，不僅提高了方案生成的質(zhì)量，也大大減輕了設(shè)計(jì)人員的工作量。