藺玉璞 張翼凡 孫夢(mèng)雅 董慧芳

（山東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 山東濟(jì)南 250001）

高鐵中間站是鐵路運(yùn)輸?shù)幕締挝?。為降低成本，減少耕地占用，必須高度重視規(guī)劃和設(shè)計(jì)高鐵站。近幾年，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）為鐵路設(shè)計(jì)提供了先進(jìn)的幾何建模和捕捉技術(shù)，使設(shè)計(jì)師和工程師免于繪圖的繁瑣任務(wù)，同時(shí)提高了準(zhǔn)確性，高效性。隨著軟件技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，數(shù)字高鐵站設(shè)計(jì)技術(shù)現(xiàn)已成為可能。建筑信息模型（BIM）是建筑工程和建筑（AEC）行業(yè)內(nèi)新興的技術(shù)和程序轉(zhuǎn)變。根據(jù)國家建筑信息模型標(biāo)準(zhǔn)，BIM是建筑全生命周期信息的數(shù)字表示，旨在成為設(shè)施所有者的信息庫。高鐵站的設(shè)計(jì)者長(zhǎng)期以來一直在尋求降低車站項(xiàng)目成本，提高生產(chǎn)率和質(zhì)量以及縮短交貨時(shí)間的技術(shù)，BIM提供了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的潛力。BIM代表計(jì)算機(jī)生成三維模型的開發(fā)和使用，來模擬設(shè)施的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)維。

雖然BIM應(yīng)用僅限于建筑物的建造，但它并不全面涉及運(yùn)輸領(lǐng)域。基于這種情況，提出了將BIM概念融入高鐵站的新思路，為有效規(guī)劃和設(shè)計(jì)高鐵中間站提供解決方案。本文主要通過分析基于BIM技術(shù)和BIM的常用建模軟件Revit的中間高鐵站設(shè)計(jì)過程。使設(shè)計(jì)人員能夠通過更少的時(shí)間和精力完成工作，也實(shí)現(xiàn)車站實(shí)時(shí)管理。

1 BIM理念

BIM，一種讓項(xiàng)目、構(gòu)件、族庫參數(shù)和項(xiàng)目管理及BIM三維模型組合到一起的數(shù)據(jù)庫載體。在項(xiàng)目實(shí)施過程中，BIM技術(shù)能夠?qū)⒔ㄖ┕脑O(shè)計(jì)到運(yùn)營管理進(jìn)行數(shù)據(jù)化處理，與此同時(shí)，將建筑項(xiàng)目中的不同時(shí)期的節(jié)點(diǎn)融合到模型之中，讓各方能夠獲得更為精確的數(shù)據(jù)，迅速提高決策的合理度。此外，BIM平臺(tái)能夠提供給項(xiàng)目各方一些修整、增減及共享項(xiàng)目的有關(guān)信息，提高溝通效率，避免信息的隔離和數(shù)據(jù)的流失，從而實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的高效管理。目前，BIM技術(shù)廣泛應(yīng)用于建筑、橋梁、道路和隧道工程等項(xiàng)目。

2 中間鐵路站Revit建模

由于高鐵中間站數(shù)量占中國鐵路系統(tǒng)的大多數(shù)站點(diǎn)，因此設(shè)計(jì)中間站對(duì)于完成鐵路運(yùn)輸任務(wù)和加強(qiáng)城鄉(xiāng)聯(lián)系具有重要意義。

2.1 車站建模的操作步驟

主軌道首先使用羅馬數(shù)字編號(hào)，然后電臺(tái)軌道按照阿拉伯?dāng)?shù)字的相同順序編號(hào)。軌道編號(hào)標(biāo)記在軌道布局上。軌道中心線之間的距離應(yīng)設(shè)計(jì)成確保交通安全，并保證車站工作人員相關(guān)安全和方便的操作。在平臺(tái)布置在兩個(gè)軌道之間的情況下，軌道中心線之間的距離取決于平臺(tái)的寬度以及從軌道中心線到平臺(tái)邊緣的距離。

第二步是以車站建筑物的中心為邊界計(jì)數(shù)所有車站道岔，并連續(xù)計(jì)算從車站兩端向內(nèi)到車站中心的道岔，從主要路線到次要路線。偶數(shù)列車用于上行方向列車到達(dá)終點(diǎn)，而下行方向列車到達(dá)終點(diǎn)則為奇數(shù)。計(jì)算道岔應(yīng)在車站布局上標(biāo)明。每個(gè)道岔號(hào)的選擇通常根據(jù)鐵路軌道中列車的運(yùn)行模式和設(shè)計(jì)運(yùn)行速度來確定。

第三步是確定污垢柱和信號(hào)的位置。污垢崗位設(shè)置在兩條軌道的交界處，它的位置由污垢柱與道岔中心之間的距離表示，該距離與道岔數(shù)量、軌道中心線之間的距離和連接曲線半徑等因素有關(guān)。中間站還配備有通信信號(hào)，左側(cè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，因此信號(hào)設(shè)置在每個(gè)軌道的行進(jìn)方向的左側(cè)。信號(hào)位置由信號(hào)與道岔中心之間的距離表示，該距離與確定污垢柱位置的相同因素有關(guān)。

最后一步是計(jì)算站中所有主要點(diǎn)的坐標(biāo)。有必要計(jì)算道岔、信號(hào)、污垢柱、平臺(tái)和各種房屋和建筑物的坐標(biāo)，以確定它們的位置。通過將主軌道的中心線作為基準(zhǔn)線（X軸），站點(diǎn)中心（通常是乘客建筑的中心線）作為邊界，并且兩個(gè)站點(diǎn)的主軌道中最外側(cè)道岔的中心作為坐標(biāo)原點(diǎn)來進(jìn)行計(jì)算。站內(nèi)方向被認(rèn)為是正方向，而出站方向是X軸的負(fù)方向。在Y軸上指示垂直距離，例如軌道中心線之間的距離、平臺(tái)邊緣和軌道中心線之間的距離以及各種建筑物的寬度。然后根據(jù)X軸坐標(biāo)計(jì)算軌道的有效長(zhǎng)度和全長(zhǎng)以及軌道鋪設(shè)的長(zhǎng)度。

2.2 車站元素的三維建模

使用Autodesk Revit分別對(duì)中間高鐵站的所有元素進(jìn)行建模，并將其存儲(chǔ)為Revit系列。在Revit中，每個(gè)元素都與預(yù)定義的參數(shù)相關(guān)聯(lián)，并將這些參數(shù)分類為類型參數(shù)和實(shí)例參數(shù)。類型參數(shù)控制該類型元素的屬性，而實(shí)例參數(shù)控制實(shí)例屬性，類型和實(shí)例參數(shù)進(jìn)一步分為不同的組。存儲(chǔ)在每個(gè)參數(shù)中的數(shù)據(jù)格式類型為：文本、整數(shù)、數(shù)字、長(zhǎng)度、面積、體積、角度、URL、材質(zhì)等。高鐵中間站的要素是道岔、鐵路、污損站、信號(hào)、臥鋪、緊固裝置、客運(yùn)平臺(tái)、通道、雨棚、客運(yùn)大樓和貨場(chǎng)。

（1）道岔：通常它分為三種形狀：線接頭道岔、線交叉道岔和線接頭穿越道岔。每個(gè)道岔都有標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)，如6、7、9、12、18、38、42等。圖1顯示了線接頭的Revit模型。

（2）導(dǎo)軌：導(dǎo)軌類型和強(qiáng)度用儀表單位的重量（kg/m）表示。目前，中國鐵路的主要類型為75 kg/m，60 kg/m，50 kg/m，43 kg/m和UIC60 kg/m。該研究模擬了60 kg/m的類型，如圖1所示。

（3）污垢樁：當(dāng)車輛停在軌道的污垢柱內(nèi)時(shí)，其他列車可以安全地在相鄰軌道上行駛。圖1顯示了污染后模型。

（4）通信信號(hào)：主要是指沿鐵路線協(xié)助列車運(yùn)行的各設(shè)備。根據(jù)信號(hào)功能將它們分為不同類型。本文已經(jīng)建模了警告信號(hào)，如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)彎裝置的Revit模型

（5）枕木：它們通常安裝在一般路段、道岔和無碴橋上。枕木有兩種：木枕和混凝土軌枕。每種都有不同的分類。一個(gè)混凝土軌枕已經(jīng)建模為Revit系列，如圖1所示。

（6）緊固裝置：中國緊固裝置根據(jù)使用的材料分為不同類型：木質(zhì)枕木緊固件、混凝土軌枕緊固件和無碴軌道緊固件。本文已經(jīng)模擬了兩種混凝土軌枕緊固件，如圖1所示。

（7）乘客平臺(tái)：通常分為基礎(chǔ)平臺(tái)和中間平臺(tái)，并分別建模，如圖2所示。

圖2 組裝乘客平臺(tái)，通道，頂篷和乘客建筑的Revit模型

（8）通道：在基礎(chǔ)平臺(tái)和中間平臺(tái)之間，應(yīng)設(shè)置一個(gè)或兩個(gè)寬度不小于2.5 m的通道。圖2顯示了通道的Revit模型。

（9）冠層：每個(gè)站需要仔細(xì)考慮平臺(tái)需要覆蓋的程度。顯然，應(yīng)該為等候的乘客提供一些保護(hù)。如果天篷不需要走平臺(tái)的整個(gè)長(zhǎng)度，則應(yīng)覆蓋最靠近接入點(diǎn)和車站建筑物的長(zhǎng)度。本文已經(jīng)建模了一種類型的檐篷，如圖2所示。

（10）乘客大樓：乘客大樓的位置應(yīng)與城市協(xié)調(diào)，方便游客進(jìn)出車站，并結(jié)合城市規(guī)劃和車站總體布局。圖2顯示了乘客建筑的Revit模型。

2.3 程序設(shè)計(jì)

在訪問數(shù)據(jù)庫中準(zhǔn)備標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)規(guī)則并將中間站的元素建模為單獨(dú)的Revit系列之后，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展工具的最后一步是編碼所有設(shè)計(jì)過程。

為此，本文使用了C＃編程語言。圖3是由基于Revit的擴(kuò)展工具執(zhí)行設(shè)計(jì)過程的流程圖。作為執(zhí)行該程序的結(jié)果，站設(shè)計(jì)者將以三種格式獲得計(jì)劃的站布局：3D模型、2D視圖和輸出數(shù)據(jù)表。

圖3 設(shè)計(jì)過程流程圖

3 案例效益分析

通過對(duì)某高鐵站實(shí)際案例研究的中間高鐵站進(jìn)行建模，對(duì)擬議的擴(kuò)展工具進(jìn)行了驗(yàn)證。軌道由Revit擴(kuò)展工具建模。車站模型以快速靈活的方式實(shí)現(xiàn)。圖4顯示了中間高鐵站模型的不同視圖。

圖4 高鐵中間站基于Revit的模型

高鐵中間站項(xiàng)目是非常龐大且十分繁瑣建模的工程，從實(shí)踐意義上講具有一定的代表性。BIM的應(yīng)用解決了部分二維圖紙?jiān)O(shè)計(jì)難以理解和空間想象的問題，完成了深化設(shè)計(jì)分析。BIM技術(shù)在高鐵中間站工程經(jīng)濟(jì)性方面具有實(shí)際可操作的功能和現(xiàn)實(shí)意義，隨著系統(tǒng)功能逐步完善，獲取效益的渠道也越來越多。

（1）提高方案效益。BIM技術(shù)的能夠有效增加項(xiàng)目各參與者間的深入溝通，為各個(gè)專業(yè)提供模型視圖。另外，利用模型數(shù)據(jù)各參與者對(duì)方案的實(shí)施與設(shè)計(jì)提供反饋意見，從而提高了各方參與分析方案的效率。

（2）提高設(shè)計(jì)和安全性效益。通過BIM車站中間站的Revit自動(dòng)建模，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的不足，解決土建施工的安全問題，避免了因建筑布置不當(dāng)與結(jié)構(gòu)沖突而導(dǎo)致安全事故的發(fā)生，有效地提高了工程設(shè)計(jì)效率、安全性和施工質(zhì)量。

（3）降低資源消耗效益。BIM技術(shù)符合綠色建筑的發(fā)展。在復(fù)雜的工程設(shè)計(jì)中，工程技術(shù)人員無法通過CAD平面圖紙來確定管線的碰撞位置。實(shí)踐中發(fā)生綜合管線的碰撞情況，幾乎所有項(xiàng)目都要進(jìn)行局部重新設(shè)計(jì)和再建設(shè)、返工造成材料損失，引起現(xiàn)場(chǎng)施工機(jī)械變化造成設(shè)備損失。利用BIM車站中間站的Revit自動(dòng)建模，從根本上消除資源浪費(fèi)、能源消耗和延誤工期造成的損失。

4 結(jié)論

在本文中提出了三維數(shù)字高鐵站的新思路，為高鐵中間站建立了一個(gè)信息豐富的模型。BIM建?？梢灾С终驹氐脑敿?xì)語義，項(xiàng)目分散在不同工程師設(shè)計(jì)導(dǎo)致許多問題，僅依靠二維平面數(shù)據(jù)難以解決。因此，高鐵站模型的發(fā)展勢(shì)在必行。通過獲得中間高鐵站的整個(gè)三維模型，可以得出以下結(jié)論：

（1）在建模方面，設(shè)計(jì)階段得到妥善處理。使用BIM有助于消除傳統(tǒng)上與二維工程相關(guān)的大量重復(fù)和平凡任務(wù)，從而有更多時(shí)間協(xié)調(diào)和可視化工作站模型。

（2）當(dāng)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)處理熟悉的圖紙視圖或三維視圖時(shí)，采用BIM的新技術(shù)將其設(shè)計(jì)信息與車站項(xiàng)目的所有其他表示進(jìn)行協(xié)調(diào)，并進(jìn)行碰撞檢測(cè)。

（3）在繁瑣、冗余、耗時(shí)且容易出錯(cuò)的CAD繪圖后，具有自動(dòng)文檔生成和協(xié)調(diào)能力的參數(shù)化建模技術(shù)，將重振中間高鐵站的布局過程。

展望未來會(huì)導(dǎo)致BIM虛擬高鐵站的設(shè)計(jì)和建造方法，高鐵站項(xiàng)目在真實(shí)進(jìn)行之前將被完全模擬。BIM將提供潛在的有益站項(xiàng)目通過快速分析與站點(diǎn)生命周期性能相關(guān)的不同場(chǎng)景，可以獲得成果。