楊勇，石繼斌，許健，李穎，李龍生

（中鐵一院集團(tuán)山東建筑設(shè)計(jì)院有限公司 數(shù)據(jù)研發(fā)中心，山東 青島 266031）

0 引言

由于軌道交通工程具有涉及專業(yè)眾多、工程地質(zhì)復(fù)雜、建設(shè)周期長(zhǎng)等工程特點(diǎn)，在建設(shè)前期，往往存在各專業(yè)協(xié)調(diào)難度大、方案修改頻繁、圖紙錯(cuò)誤較多、設(shè)計(jì)圖紙與現(xiàn)場(chǎng)施工偏差大等問(wèn)題，使得數(shù)據(jù)信息無(wú)法有效傳遞。BIM技術(shù)的應(yīng)用從設(shè)計(jì)階段到施工階段，最終會(huì)擴(kuò)展到整個(gè)項(xiàng)目全生命周期的各個(gè)階段，工作人員按照BIM模型對(duì)下一步的工作進(jìn)行籌劃，可有效縮短工期、提高工程質(zhì)量、減少工程所需原材料、降低生產(chǎn)成本［1］。

隨著新興技術(shù)的蓬勃發(fā)展，經(jīng)多方交流與考察分析，結(jié)合BIM、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，提出新型設(shè)計(jì)模式——智能化設(shè)計(jì)方法1.0版，即：以BIM正向設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，研究三維可視化場(chǎng)景下的工程設(shè)計(jì)，以參數(shù)化設(shè)計(jì)為導(dǎo)向，整合行業(yè)規(guī)范、工程成果，數(shù)字化軌道交通工程設(shè)施設(shè)備物理與功能特性，逐步向多維驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方法過(guò)渡，探索基于專業(yè)間語(yǔ)義約束的自動(dòng)設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)智能化設(shè)計(jì)。

1 技術(shù)方法概述

在新設(shè)計(jì)方法的整體框架下，以落地應(yīng)用為原則，進(jìn)行科學(xué)化分解，智能設(shè)計(jì)總路線分解為“三步走”：BIM正向設(shè)計(jì)、參數(shù)化驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)、智能設(shè)計(jì)［2］。通過(guò)3個(gè)階段的逐步實(shí)施、積累和總結(jié)，建立并形成與之配套的組織架構(gòu)、軟硬件環(huán)境，編制建模及出圖標(biāo)準(zhǔn)、管理辦法，以在建線路為試點(diǎn)，逐步驗(yàn)證、完善智能設(shè)計(jì)方法。

2 BIM正向設(shè)計(jì)體系建立

該階段對(duì)后續(xù)技術(shù)路線的實(shí)施和研究至關(guān)重要，是基礎(chǔ)中的基礎(chǔ)。經(jīng)研究將BIM正向設(shè)計(jì)體系分為：BIM規(guī)范體系、質(zhì)量管理體系、BIM資源庫(kù)、BIM應(yīng)用環(huán)境4個(gè)體系。

（1）BIM規(guī)范體系。為規(guī)范設(shè)計(jì)過(guò)程中的行為，使各單位設(shè)計(jì)成果標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、統(tǒng)一化，制定模型創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)、構(gòu)件與編碼標(biāo)準(zhǔn)和建筑信息模型表達(dá)標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，編制設(shè)計(jì)接口標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)信息標(biāo)準(zhǔn)，保證數(shù)據(jù)信息在各專業(yè)間能有效流轉(zhuǎn)、各專業(yè)界面劃分合理、專業(yè)接口明確。

（2）質(zhì)量管理體系。針對(duì)BIM正向設(shè)計(jì)過(guò)程中的提資流程、提資時(shí)間、圖紙深度等要求，編制過(guò)程控制管理辦法。對(duì)BIM正向設(shè)計(jì)模型、圖紙等成果文件，制定設(shè)計(jì)成果審核要點(diǎn)，嚴(yán)格把控模型和圖紙質(zhì)量。從過(guò)程和成果2個(gè)方面做好質(zhì)量管理工作。

（3）BIM資源庫(kù)?；贐IM規(guī)范體系創(chuàng)建、審核模型樣板及各專業(yè)精細(xì)化構(gòu)件，將符合要求的樣板、構(gòu)件納入資源庫(kù)，設(shè)計(jì)時(shí)可直接調(diào)用，提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。正向設(shè)計(jì)樣板文件示意見圖1。

（4）BIM應(yīng)用環(huán)境。在探索BIM正向設(shè)計(jì)體系過(guò)程中，經(jīng)過(guò)多方軟件試用，選擇Autodesk Revit作為設(shè)計(jì)工具，Dynamo作為二次開發(fā)軟件輔助設(shè)計(jì)，并配套部署協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，為各專業(yè)創(chuàng)造協(xié)同管理環(huán)境，通過(guò)收納多元數(shù)據(jù)，解決各專業(yè)間數(shù)據(jù)孤島問(wèn)題。

3 參數(shù)化驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

在BIM正向設(shè)計(jì)研究過(guò)程中，設(shè)計(jì)模型創(chuàng)建和修改占據(jù)大量時(shí)間，不利于設(shè)計(jì)質(zhì)量管控，隨著參數(shù)化設(shè)計(jì)的發(fā)展，利用Revit預(yù)留接口進(jìn)行二次開發(fā)，將設(shè)計(jì)要求轉(zhuǎn)化為幾何約束關(guān)系，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，減少設(shè)計(jì)人員將設(shè)計(jì)構(gòu)思轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)模型的工作負(fù)擔(dān)和時(shí)間延遲，提升軌道交通工程設(shè)計(jì)效率。

經(jīng)過(guò)探索研究，目前已研發(fā)區(qū)間快模、墻面排磚自動(dòng)化、裝修快模等參數(shù)化設(shè)計(jì)插件。

（1）區(qū)間快模。通過(guò)提取盾構(gòu)設(shè)計(jì)曲線數(shù)據(jù)及預(yù)置參數(shù)化管片族，快速建立區(qū)間模型，包含手孔、螺栓、吊裝孔等真實(shí)細(xì)節(jié)，通過(guò)剖切斷面快速生成區(qū)間圖紙，做到化繁為簡(jiǎn)，提升出圖效率。Dynamo參數(shù)建模程序示意見圖2。

圖2 Dynamo參數(shù)建模程序示意圖

（2）墻面排磚自動(dòng)化。以快速、省料為目標(biāo)，基于Dynamo可視化編程平臺(tái)充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力，快速生成砌體排磚方案的同時(shí)，解算構(gòu)造柱最佳位置，實(shí)現(xiàn)磚料最大化利用。

（3）裝修快模。通過(guò)選擇房間分界墻，輸入天花、墻面、踢腳、地面相應(yīng)參數(shù)，生成滿足要求的設(shè)備區(qū)裝修模型，并可自動(dòng)開洞，解決設(shè)備區(qū)裝修面層建模工作繁復(fù)問(wèn)題，有效提高設(shè)計(jì)效率。

3.1 研究?jī)?nèi)容

盾構(gòu)區(qū)間管片的智能排版主要針對(duì)楔形管片，建立數(shù)學(xué)模型，利用管片旋轉(zhuǎn)角度驅(qū)動(dòng)盾構(gòu)曲線，提高盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制水平，處理盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)失準(zhǔn)狀態(tài)下的管片選擇，以減少僅憑工人施工經(jīng)驗(yàn)操作產(chǎn)生的誤差。

3.2 盾構(gòu)設(shè)計(jì)軸線

盾構(gòu)設(shè)計(jì)軸線（DTA）是1條三維空間曲線，目前盾構(gòu)區(qū)間設(shè)計(jì)二維圖紙只有平面圖、縱斷面圖。其中平面圖為DTA投影到平面的平面曲線，忽略了高度上的變化，里程同樣按照平曲線標(biāo)注。這就使得DTA實(shí)際長(zhǎng)度大于里程長(zhǎng)度，以R2線任家莊—臘山區(qū)間為例，長(zhǎng)度偏差0.6 m，所以僅以里程長(zhǎng)度進(jìn)行管片排版，始終存在偏差，即使盾構(gòu)施工處于理想狀態(tài)，模型也不能與理想狀態(tài)的施工現(xiàn)場(chǎng)相一致。為此首先需要用平縱曲線要素合成盡可能精確的DTA空間曲線，并制作區(qū)間建模插件，此插件在三維空間精度比已有插件精度高，但無(wú)法體現(xiàn)轉(zhuǎn)彎環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度驅(qū)動(dòng)和智能排版（見圖3）。

圖3 區(qū)間建模插件生成的模型

3.3 管片排布模型

環(huán)形盾構(gòu)管片的襯砌形式主要有2種，一種是標(biāo)準(zhǔn)環(huán)加轉(zhuǎn)彎環(huán)，即在直線段部分采用等寬的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)，在曲線部分則采用一定楔形量的轉(zhuǎn)彎環(huán)。另一種是通用楔形環(huán)，即整個(gè)隧道都采用具有一定楔形量的通用環(huán)，通過(guò)楔形環(huán)的有序旋轉(zhuǎn)與組合，使其可以擬合設(shè)計(jì)軸線全部曲率的線段［3］。2種襯砌組合方式，第一種方式標(biāo)準(zhǔn)環(huán)和轉(zhuǎn)彎環(huán)不能混用，需要先進(jìn)行管片排版設(shè)計(jì)，確定標(biāo)準(zhǔn)環(huán)和轉(zhuǎn)彎環(huán)的數(shù)量以供管片生產(chǎn)廠家預(yù)制，而且在盾構(gòu)施工中管片的位置相對(duì)固定，靈活性差。第二種通用楔形管片的各環(huán)尺寸一致，而且施工中可以及時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工條件和預(yù)估沉降量靈活調(diào)整管片旋轉(zhuǎn)角度，有利于減少管片拼裝誤差。因此，通用楔形管片日益成為盾構(gòu)隧道的主流襯砌形式。楔形環(huán)構(gòu)造見圖4。

圖4 楔形環(huán)詳圖

以首環(huán)前端面中心O為坐標(biāo)圓心，前端面垂直向量為Z軸，OK1為X軸，按右手坐標(biāo)系確定Y軸，得到起始坐標(biāo)系COR1，平移管片寬度，然后首環(huán)尾端面坐標(biāo)系為COR1繞Y軸旋轉(zhuǎn)arctan（楔形量）度，即得到次環(huán)坐標(biāo)系COR2。重復(fù)此過(guò)程即可得到全部的管片坐標(biāo)系。經(jīng)過(guò)以上分析，發(fā)現(xiàn)此過(guò)程符合計(jì)算機(jī)擅長(zhǎng)的迭代運(yùn)算過(guò)程，將楔形量帶入以上過(guò)程即可得到旋轉(zhuǎn)矩陣（見圖5）。

圖5 迭代運(yùn)算過(guò)程

此程序有2個(gè)變量，一個(gè)是楔形量，另一個(gè)是管片旋轉(zhuǎn)角度，其中楔形量對(duì)于同一項(xiàng)目來(lái)說(shuō)是常量，管片的旋轉(zhuǎn)角度為螺栓圓心角的倍數(shù)。由此可以建立數(shù)學(xué)模型，并用可視化編程Dynamo做了一個(gè)管片中心線由管片旋轉(zhuǎn)角度驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的demo以驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的正確性，當(dāng)每個(gè)管片的旋轉(zhuǎn)角度都是0°時(shí)，中心線為一平面上的圓，當(dāng)每個(gè)管片旋轉(zhuǎn)180°時(shí)，中心線為一條直線。Dynamo運(yùn)行截圖見圖6。

圖6 Dynamo運(yùn)行截圖

4 智能設(shè)計(jì)

基于數(shù)據(jù)格式和設(shè)計(jì)計(jì)算書文本格式，提取軌道交通工程設(shè)計(jì)過(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù)信息，建立具有專業(yè)性、系統(tǒng)性、可查詢性的設(shè)計(jì)知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，在此基礎(chǔ)上，利用數(shù)據(jù)庫(kù)中歷史項(xiàng)目的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)合算法，為新項(xiàng)目提供參考，減少設(shè)計(jì)人員重復(fù)相似工作，實(shí)現(xiàn)軌道交通工程設(shè)計(jì)、管理、查詢智能化應(yīng)用。

通過(guò)建立合理的數(shù)學(xué)模型，采用區(qū)域劃分法建立房間排布方案，運(yùn)用二叉樹記錄車站房間劃分結(jié)果、遺傳算法篩選最優(yōu)排布方案，既能通過(guò)遺傳算子的“突變”來(lái)獲得更好的排布方案，又能通過(guò)遺傳算子間的“雜交”避免算法陷入局部?jī)?yōu)化陷阱［4］。同時(shí)制作參數(shù)提取插件，從數(shù)據(jù)庫(kù)自動(dòng)提取房間設(shè)計(jì)參數(shù)，通過(guò)學(xué)習(xí)項(xiàng)目案例庫(kù)和設(shè)計(jì)規(guī)則，完成“最佳”房間布局方案［5］，通過(guò)插件在Revit中生成方案模型，基于正向設(shè)計(jì)樣板、構(gòu)件庫(kù)進(jìn)行設(shè)計(jì)深化，利用參數(shù)化插件加快建模速度，保證設(shè)計(jì)質(zhì)量的同時(shí)，大大縮短方案變更周期。

4.1 研究?jī)?nèi)容

該項(xiàng)目主要針對(duì)2個(gè)方面進(jìn)行研究，一方面是車站運(yùn)營(yíng)房間排布的數(shù)據(jù)模型研究，另一方面是房間的智能排布算法研究。

車站運(yùn)營(yíng)房間種類數(shù)目通常在20～40，主要設(shè)計(jì)要求有：房間面積、進(jìn)深、與某個(gè)功能區(qū)域相鄰。項(xiàng)目最終目標(biāo)是通過(guò)用戶輸入運(yùn)營(yíng)區(qū)域長(zhǎng)寬，利用遺傳算法來(lái)尋找若干不同的最優(yōu)方案提供給用戶進(jìn)行比選，最終生成Revit模型。

4.2 房間智能排布

在早期研究中，Mitchell等［6］的可拓?fù)涞姆块g布局模型能簡(jiǎn)單高效地表示除了螺旋布局之外的所有布局方案（見圖7）。在此基礎(chǔ)上，Stacey利用二叉樹來(lái)存儲(chǔ)房間模型方案的數(shù)據(jù)。

圖7 利用二叉樹表示房間

但Stacey的方法僅能應(yīng)對(duì)房間數(shù)目比較少的情況，對(duì)于車站，假設(shè)房間數(shù)目為n=30，則有（2×30）！/（30+1）！30！≈8×10^33，是無(wú)法運(yùn)行出結(jié)果的。

車站房間種類相對(duì)固定，房間順序上存在一定聯(lián)系，比如綜合監(jiān)控設(shè)備室一般與UPS電源整合室相鄰或相近，綜合監(jiān)控設(shè)備室又距離車控室較近，所以可在二叉樹模型上砍掉不必要的分支，并增加左右子節(jié)點(diǎn)互換的功能，讓房間可以在空間上移動(dòng)，使二叉樹模型在減少分支的同時(shí)，仍能包括較多的可能性，產(chǎn)出較好的排布方案。但目前二叉樹修剪依靠的是經(jīng)驗(yàn)，后期會(huì)考慮開發(fā)二叉樹修剪的功能，進(jìn)一步提升房間排布方法的健壯性［7］。

4.3 評(píng)價(jià)排布方案

4.3.1 打分方法

使用遺傳算法需要制訂一個(gè)打分方法來(lái)評(píng)價(jià)排布方案的優(yōu)劣。針對(duì)車站房間排布，選擇房間的長(zhǎng)、寬、面積占比、連接的房間及房間距離，共5個(gè)房間特征。打分方法為生成的房間特征與“最佳”房間特征系數(shù)的平方差之和，所以得分越低，則該排布方案越好，得分越高，離最佳排布方案差距越大［8］。

4.3.2 定義“最佳”

定義最佳的房間特征值，可向已有的方案學(xué)習(xí)，讓已有車站排布方案中的同類型房間特征值的平均值為該房間特征值的最佳值。為了減少房間特征值的標(biāo)準(zhǔn)差，選取車站功能區(qū)面積和長(zhǎng)寬比相對(duì)固定的標(biāo)準(zhǔn)車站圖紙進(jìn)行學(xué)習(xí)。

4.4 工作流程

制作房間特征值提取插件、車站排布方案數(shù)據(jù)處理程序、可視化房間排布程序，具體工作流程見圖8。

圖8 工作流程

5 結(jié)束語(yǔ)

智能化設(shè)計(jì)是集合多種新興技術(shù)的綜合設(shè)計(jì)技術(shù)，需要長(zhǎng)期研究和探索，如何從搭建基礎(chǔ)到技術(shù)突破，尚需不斷實(shí)踐、總結(jié)、沉淀。下一步，將突破技術(shù)壁壘，繼續(xù)研發(fā)高效率、智能化的參數(shù)化設(shè)計(jì)工具，探索規(guī)范條目、專業(yè)語(yǔ)義檢索方法，最終實(shí)現(xiàn)針對(duì)設(shè)計(jì)成果自動(dòng)校驗(yàn)與合規(guī)性檢查的功能升級(jí)。