轨道交通工程智能设计方法研究

轨道交通工程智能设计方法研究

栗田

北京市地铁有限公司运营二分公司

摘 要： 由于轨道交通工程具有涉及专业众多、工程地质复杂、建设周期长等工程特点，在建设前期，往往存在各专业协调难度大、方案修改频繁、图纸错误较多、设计图纸与现场施工偏差大等问题，使得数据信息无法有效传递。BIM技术的应用从设计阶段到施工阶段，最终会扩展到整个项目全生命周期的各个阶段，工作人员按照BIM模型对下一步的工作进行筹划，可有效缩短工期、提高工程质量、减少工程所需原材料、降低生产成本。

关键词：轨道交通工程；智能设计；智能运维系统

引 言

随着新兴技术的蓬勃发展，经多方交流与考察分析，结合BIM、大数据、人工智能等技术，提出新型设计模式——智能化设计方法1.0版，即：以BIM正向设计为基础，研究三维可视化场景下的工程设计，以参数化设计为导向，整合行业规范、工程成果，数字化轨道交通工程设施设备物理与功能特性，逐步向多维驱动设计方法过渡，探索基于专业间语义约束的自动设计，最终实现智能化设计。

1、技术方法概述

在新设计方法的整体框架下，以落地应用为原则，进行科学化分解，智能设计总路线分解为“三步走”：BIM正向设计、参数化驱动设计、智能设计。通过3个阶段的逐步实施、积累和总结，建立并形成与之配套的组织架构、软硬件环境，编制建模及出图标准、管理办法，以在建线路为试点，逐步验证、完善智能设计方法。

2、BIM正向设计体系建立

该阶段对后续技术路线的实施和研究至关重要，是基础中的基础。经研究将BIM正向设计体系分为：BIM规范体系、质量管理体系、BIM资源库、BIM应用环境4个体系。

(1) BIM规范体系。为规范设计过程中的行为，使各单位设计成果标准化、规范化、统一化，制定模型创建标准、构件与编码标准和建筑信息模型表达标准。同时，编制设计接口标准和数据信息标准，保证数据信息在各专业间能有效流转、各专业界面划分合理、专业接口明确。

(2）质量管理体系。针对BIM正向设计过程中的提资流程、提资时间、图纸深度等要求，编制过程控制管理办法。对BIM正向设计模型、图纸等成果文件，制定设计成果审核要点，严格把控模型和图纸质量。从过程和成果2个方面做好质量管理工作。

(3) BIM资源库。基于BIM规范体系创建、审核模型样板及各专业精细化构件，将符合要求的样板、构件纳入资源库，设计时可直接调用，提高设计效率和质量。

3、参数化驱动设计

在BIM正向设计研究过程中，设计模型创建和修改占据大量时间，不利于设计质量管控，随着参数化设计的发展，利用Revit预留接口进行二次开发，将设计要求转化为几何约束关系，通过建立数学模型，减少设计人员将设计构思转化为设计模型的工作负担和时间延迟，提升轨道交通工程设计效率。

经过探索研究，目前已研发区间快模、墙面排砖自动化、装修快模等参数化设计插件。

(1）区间快模。通过提取盾构设计曲线数据及预置参数化管片族，快速建立区间模型，包含手孔、螺栓、吊装孔等真实细节，通过剖切断面快速生成区间图纸，做到化繁为简，提升出图效率。

(2）墙面排砖自动化。以快速、省料为目标，基于Dynamo可视化编程平台充分发挥计算机运算能力，快速生成砌体排砖方案的同时，解算构造柱最佳位置，实现砖料最大化利用。

(3）装修快模。通过选择房间分界墙，输入天花、墙面、踢脚、地面相应参数，生成满足要求的设备区装修模型，并可自动开洞，解决设备区装修面层建模工作繁复问题，有效提高设计效率。

3.1 研究内容

盾构区间管片的智能排版主要针对楔形管片，建立数学模型，利用管片旋转角度驱动盾构曲线，提高盾构机姿态控制水平，处理盾构机姿态失准状态下的管片选择，以减少仅凭工人施工经验操作产生的误差。

3.2 盾构设计轴线

盾构设计轴线（DTA）是1条三维空间曲线，目前盾构区间设计二维图纸只有平面图、纵断面图。其中平面图为DTA投影到平面的平面曲线，忽略了高度上的变化，里程同样按照平曲线标注。这就使得DTA实际长度大于里程长度，以济南交轨R2线任家庄—腊山区间为例，长度偏差0.6 m，所以仅以里程长度进行管片排版，始终存在偏差，即使盾构施工处于理想状态，模型也不能与理想状态的施工现场相一致。为此首先需要用平纵曲线要素合成尽可能精确的DTA空间曲线，并制作区间建模插件，此插件在三维空间精度比已有插件精度高，但无法体现转弯环的转动角度驱动和智能排版。

3.3 管片排布模型

环形盾构管片的衬砌形式主要有2种，一种是标准环加转弯环，即在直线段部分采用等宽的标准环，在曲线部分则采用一定楔形量的转弯环。另一种是通用楔形环，即整个隧道都采用具有一定楔形量的通用环，通过楔形环的有序旋转与组合，使其可以拟合设计轴线全部曲率的线段。2种衬砌组合方式，第一种方式标准环和转弯环不能混用，需要先进行管片排版设计，确定标准环和转弯环的数量以供管片生产厂家预制，而且在盾构施工中管片的位置相对固定，灵活性差。第二种通用楔形管片的各环尺寸一致，而且施工中可以及时根据现场施工条件和预估沉降量灵活调整管片旋转角度，有利于减少管片拼装误差。因此，通用楔形管片日益成为盾构隧道的主流衬砌形式。

4、智能设计

基于数据格式和设计计算书文本格式，提取轨道交通工程设计过程中的关键参数信息，建立具有专业性、系统性、可查询性的设计知识数据库，在此基础上，利用数据库中历史项目的设计数据结合算法，为新项目提供参考，减少设计人员重复相似工作，实现轨道交通工程设计、管理、查询智能化应用。

通过建立合理的数学模型，采用区域划分法建立房间排布方案，运用二叉树记录车站房间划分结果、遗传算法筛选最优排布方案，既能通过遗传算子的“突变”来获得更好的排布方案，又能通过遗传算子间的“杂交”避免算法陷入局部优化陷阱。同时制作参数提取插件，从数据库自动提取房间设计参数，通过学习项目案例库和设计规则，完成“最佳”房间布局方案，通过插件在Revit中生成方案模型，基于正向设计样板、构件库进行设计深化，利用参数化插件加快建模速度，保证设计质量的同时，大大缩短方案变更周期。

4.1 研究内容

该项目主要针对2个方面进行研究，一方面是车站运营房间排布的数据模型研究，另一方面是房间的智能排布算法研究。

车站运营房间种类数目通常在20～40，主要设计要求有：房间面积、进深、与某个功能区域相邻。项目最终目标是通过用户输入运营区域长宽，利用遗传算法来寻找若干不同的最优方案提供给用户进行比选，最终生成Revit模型。

4.2 房间智能排布

在早期研究中，Mitchell等的可拓扑的房间布局模型能简单高效地表示除了螺旋布局之外的所有布局方案。在此基础上，Stacey利用二叉树来存储房间模型方案的数据。

4.3 评价排布方案

（1）打分方法

使用遗传算法需要制订一个打分方法来评价排布方案的优劣。针对车站房间排布，选择房间的长、宽、面积占比、连接的房间及房间距离，共5个房间特征。打分方法为生成的房间特征与“最佳”房间特征系数的平方差之和，所以得分越低，则该排布方案越好，得分越高，离最佳排布方案差距越大。

（2）定义“最佳”

定义最佳的房间特征值，可向已有的方案学习，让已有车站排布方案中的同类型房间特征值的平均值为该房间特征值的最佳值。为了减少房间特征值的标准差，选取车站功能区面积和长宽比相对固定的标准车站图纸进行学习。

结束语

智能化设计是集合多种新兴技术的综合设计技术，需要长期研究和探索，如何从搭建基础到技术突破，尚需不断实践、总结、沉淀。下一步，将突破技术壁垒，继续研发高效率、智能化的参数化设计工具，探索规范条目、专业语义检索方法，最终实现针对设计成果自动校验与合规性检查的功能升级。

参考文献

[1]韩鑫，马玉春，林刚.铁路工程三维协同大数据云平台研究与开发[J].铁路技术创新，2020(4):24-29.

[2]马建军，李平，邵赛，等.智能高速铁路关键技术研究及发展路线图探讨[J].中国铁路，2020(7):1-8.