地铁车站出入口数字协同设计研究与应用

本文发布已获得《都市快轨交通》授权

原文发表于《都市快轨交通》

2025年 第4期

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郑广亮1，王竞超1，芦睿泉2，刘扬2

随着计算机技术的发展，数字设计逐渐成为推动城市轨道交通工程建设变革的重要方向[1]。研究人员将其与建筑、结构等专业设计结合，从而将设计经验进行数字化封装，减少设计人员的重复工作，提高设计效率。在数字设计背景下，传统二维图纸不能满足其对设计成果的需求，以建筑信息模型(buildinginformationmodel，BIM)为基础的数字设计近年来得到快速发展，为数字化设计提供新思路，目前数字化设计研究主要集中在BIM协同设计理论与智能设计平台及工具两方面。在BIM协同设计理论研究方面，董福文[2]结合BIM思想和流程再造方法，提出了基于BIM的地铁工程协同设计流程再造理论；袁明昕等[3]提出基于协同设计理念的设计流程体系及方法，并在某污水处理厂得到应用；张世基等[4]通过研究协同设计平台应用及基于信息模型的协同信息传递方式，构建了桥梁结构设计的协同平台及设计方法。在建筑智能设计工具方面，相关学者[5-7]利用生成对抗网络智能算法，研究了建筑布局智能生成方法。

在结构智能设计工具方面，ZHAO等[8-9]基于图神经网络(graphneuralnetwork，GNN)方法对剪力墙结构的梁、墙结构构件进行自动设计，拓展了智能设计在结构工程中的应用。其他学者也针对土木工程不同设计对象研发了相应的设计工具与方法[10-12]。车站出入口作为地铁车站的主要组成部分，实现其协同智能设计非常重要。针对出入口设计，艾万民等[13]通过总结与出入口斜坡段相关的设计规则、修正法则和触发条件，建立斜坡段模型，并通过程序开发进行封装。张海佳等[14]基于Revit软件，提出了采用建立参数化族的设计方法，对地铁出入口爬升段正向设计方法进行了研究；张维锦等[15]针对整个出入口BIM模型的建立进行研究，提出地铁出入口快速建模方法，将RevitAPI与C#编程结合对Revit进行二次开发；李亚杰[16]通过将不同出入口类型选项与地铁车站智能辅助设计功能模块的标准模型库中对应的出入口模型关联，调用标准模型库中的出入口Revit族文件，并根据不同的设计参数生成出入口模型。上述研究在协同设计理论、地铁车站出入口快速建模工具以及正向BIM设计工具上进行了相关探索，但针对地铁出入口的各专业间数字协同设计的研究较少，缺乏相应理论方法研究与智能协同设计工具研发。基于此，本文针对车站出入口各专业数字协同设计中存在设计流程不明确，缺乏融合专业设计知识的设计工具问题，提出城市轨道交通数字协同设计方法，并在此基础上研发了车站出入口智能协同设计工具，通过在青岛地铁车站出入口的工程应用，验证了该方法及工具的可实施性与优越性。

1地铁出入口数字协同设计方法

本文提出的数字协同设计方法包含时间与人员维度，系统阐述了时间维度与人员维度包含的要素并通过各个要素之间的融合形成出入口协同设计流程，从而为出入口开发工具的研发提供新思路和框架。

1.1时间与人员维度

针对城市轨道交通出入口设计过程涉及人员较多特点，建立数字协同设计方法，将城市轨道交通出入口设计在宏观上分为两个维度，即时间维度与人员维度。时间维度表示整个设计过程的时间域，该维度的层级符合城市轨道交通行业设计过程的划分，设时间维度Tn={Ts，Tp，Tc}，其中Ts表示方案设计阶段、Tp表示初步设计阶段、Tc表示施工图设计阶段。数字设计时间维度如图1所示，以BIM技术为基础对时间维度各阶段进行详细阐述。

在方案设计阶段时，根据地理信息系统(geographicalinformationsystem，GIS)、规划资料等进行出入口方案模型设计，根据征地拆迁、景观效果、噪声影响、地质适宜性、规划符合性等，进行多个数字设计方案比选，形成方案阶段的数字设计成果。初步设计过程中，各相关专业人员根据方案设计阶段成果及初步勘察专业模型，并结合专项风险工程、管线影响范围、迁改方案、交通影响范围和疏解方案，进而形成初步设计数字成果。施工图设计阶段，根据初步设计成果及详细勘察专业模型，深化设计各专业模型，包括结构力学性能智能分析与设计、预留预埋检查、管线碰撞自动检查、工程量统计等，通过成果评审之后，进行数字成果归档，完成数字设计。人员维度包含城市轨道交通工程地铁出入口各设计参与人员，设人员维度Si={Su，Sa，Ss，So}，其中，Su为勘察专业人员、Sa为建筑设计专业人员、Ss为结构设计人员、So为其他专业设计人员。在出入口整个设计过程中，勘察专业工作内容为项目前期开展的工作，工作内容相对独立，勘察结果为后续建筑、结构设计提供基础资料，并且勘察结果的变化会引起建筑、结构设计方案的改变。考虑到勘察专业的独立性与重要性，本文把勘察专业单独列出。

城市轨道交通地铁车站出入口设计参与人众多，为此以通用BIM设计软件Revit为基础实现多专业、跨时空协同设计。数字协同设计人员维度如图2所示，在进行城市轨道交通工程项目协同设计时，各个专业设计人员根据接口条件模型进行本专业设计，同时也需要提供本专业的设计模型，做到设计信息流通顺畅。在人员维度中，城市轨道交通出入口设计中相同专业内的协同设计工作采用工作集模式，在此模式下，可以将城市轨道交通本专业内的设计数据集成到同一个中心文件中，进行实时数据交互并及时发现设计工作中的问题。专业间的协同采用链接模式，链接模式是指在一个BIM模型的基础上，将一个或多个BIM模型的映射关系链接起来的工作模式。当链接其他专业模型后，选择本专业关注的模型构件元素，通过Revit中的复制监视功能，使得本专业项目模型中的元素与其他专业模型中的元素保持同步，当其他专业人员对其项目模型构件元素进行修改时，本项目模型构件元素也会进行实时更新，从而实现同一BIM模型各构件具有不同的设计修改权限。

1.2时间与人员维度融合下出入口协同设计流程

将时间与人员维度进行融合从而建立地铁出入口数字协同设计流程，其中建筑与结构专业为车站出入口的主要设计专业，本文中地铁出入口数字协同设计流程主要考虑这两种专业人员的设计需求。数字协同设计下出入口设计流程如图3所示，其中在方案设计阶段，建筑设计专业人员根据车站主体接口信息、周边初步信息进行建筑初步方案模型设计，同时与结构专业人员协调修改从而完成初步方案模型；随后建筑专业人员根据建筑初步方案模型、车站主体接口信息、详细周边信息(勘察/管线调查)进行建筑稳定方案模型深化设计；结构专业人员根据车站主体接口信息、详细周边信息(勘察/管线调查)、结构初步方案模型进行结构稳定方案模型深化设计，在此期间建筑与结构专业设计人员相互提资与修改方案，从而完成稳定方案模型。在初步设计阶段，建筑、结构专业人员根据稳定方案模型进行深化并相互协调修改。在施工图设计阶段，当发生设计变更时，建筑与结构专业设计人员通过协调修改可形成变更模型并继续深化形成施工图模型，当不发生设计变更时，建筑与结构专业设计人员通过协调修改与深化直接形成施工图模型。

2地铁出入口协同智能设计工具研发

2.1业务逻辑架构

根据数字协同设计方法建立出入口协同智能设计工具业务逻辑架构，该业务逻辑架构分为出入口各段体量划分、BIM模型中构件要素、设计成果生成三方面。设计工具业务逻辑如图4所示，建筑专业将出入口各段以体量的形式划分为直线段、转折段、人防段、提升段、垂直电梯，从而建立出入口设计方案并为建筑、结构专业BIM模型设计提供基准，同时建筑专业可根据上述体量进行快速的方案调整并建立建筑BIM模型，其设计构件要素包括面层、吊顶、离壁墙、建筑砌筑墙及各设计元素对应的材质信息。建筑专业将体量、建筑BIM模型传递给结构专业，结构专业在此基础上建立结构BIM模型，其设计构件要素分为底板、顶板、腋角、侧墙、离壁沟等并包含各设计元素对应的材质信息。对于楼梯、台阶、出入口屋顶等其他构件，可根据标准化后参数化的构件库来实现。在出入口协同智能设计工具业务逻辑架构中，建筑、结构专业可相互传递并修改模型实现协同交互，完成最终设计BIM模型，根据模型生成相关图纸并添加相关文档，形成设计成果。

2.2设计工具开发

根据上述的业务逻辑制定出入口设计工具的功能模块并进行开发，出入口协同智能设计工具主要功能包括方案设计、创建模型、模型修改刷新、结构开槽、设计出图模块。协同智能设计工具开发时通过对通用设计软件Revit进行二次开发实现相关功能，程序编译工具选用VisualStudio，开发语言采用C#。开发流程如图5所示，在具体开发实现中，首先通过创建类库工程并引用RevitAPI命令空间与接口定义文件RevitAPI.dll和RevitAPIUI.DLL，其次新建IExternalCommand派生类，重载Execute()方法，并添加相关代码，同时新建派生类，重载OnStartup()方法与OnShutdown方法，并添加OnStartup与OnShutdown相关代码。将代码编写完成后，进行注册与测试，在设计工具测试中，相关专业设计人员对设计工具进行应用测试，测试内容主要包括业务架构以及建筑、结构协同设计过程应用，若不满足设计功能可进行开发修改，最终完成出入口设计工具开发。

2.3数据驱动的建筑与结构设计方案协同设计

本文提出的设计工具核心能力为建立建筑与结构设计模型间的动态数据交互机制，通过标准化数据关联与增量式模型更新实现跨专业的数据协同。建筑、结构设计数据关联与模型更新如图6所示。

2.3.1基于扩展数据的动态关联

在体量方案建模阶段，每个建筑方案体量被赋予结构化的扩展元数据容器—MassInfo对象，该对象包含体量几何参数、材料属性及关联模型标识。通过MassInfo对象序列化为JSON格式并以扩展数据(ExtendedData)形式嵌入BIM数据库，实现建筑方案体量与模型的拓扑关联。当基于体量生成建筑或结构专业模型时，系统自动分配全局唯一的UniqueID，并将其双向写入扩展数据，通过UniqueID建立跨层级数据索引，支持逆向追溯体量源头及横向关联建筑、结构模型。

2.3.2基于增量继承的模型更新策略

当体量方案发生变更时，设计工具通过数据重建联动机理实现模型无损迭代，实现方式为增量提取、数据继承、动态重构3种。对于增量提取，通过解析变更体量的扩展数据，反序列化MassInfo对象并获取原始模型的UniqueID；基于UniqueID检索既有建筑、结构模型数据，保留非几何属性(如材料规格属性信息)，实现数据继承；将继承属性与新体量几何属性进行参数化匹配，生成更新后的专业模型，并刷新扩展数据链，进行动态重构。此模型更新方法遵循“数据连续性”原则，在几何拓扑变化时最大化复用非几何数据，减少人工干预频率，同时满足建筑、结构模型版本一致性要求。

2.4出入口协同智能设计工具功能模块

出入口设计工具功能模块包括方案设计、模型创建、模型修改刷新、结构开槽、出图设计模块。功能模块用户界面面板采用WindowsPresentationFoundation(WPF)用户界面框架，选择添加Windows窗体，并在其中添加所需控件。本文中出入口设计工具功能模块汇总栏如图7所示。

创建体量功能界面如图8所示，体量模型包括直线段、转折段、人防段、提升段、垂直电梯，该划分及设计逻辑符合地铁车站设计人员设计习惯，便于进行车站出入口方案设计与修改。建筑与结构专业BIM模型生成功能页面如图9所示，建筑BIM模型生成以体量模型为基准，创建面层、吊顶、离壁墙、建筑砌筑墙体模型数据，创建完成之后保留体量模型。结构BIM模型创建时，链接建筑BIM模型，链接后通过Revit软件中的复制监视功能识别建筑模型和体量模型，并选择体量模型进行结构模型数据生成。结构模型按直线段、转折段、人防段、提升段、垂直电梯体量模型依次选择生成，模型数据包括底板、顶板、腋角、侧墙、离壁沟以及其相应材质信息。端墙生成界面如图10所示，该功能具有按段生成和全部生成两种方式，其中按段生成是根据对应体量连接处进行选择实现单个端墙生成，全部生成是将所有体量交接位置一键统一生成端墙，端墙厚度及材质按设计要求添加。结构开槽界面如图11所示，结构开槽为在结构模型墙体上进行开槽，开槽信息包括高度、宽度、深度、距面层底高度、平面距离起始面、出站方向。针对模型改动更新模块，当设计方案发生改变时通过更改体量模型进而联动更改建筑、结构BIM模型，模型改动更新功能模块中的更新对象为体量模型、建筑BIM模型与结构BIM模型。当模型设计完成后进行设计出图模块，设计出图模块包括建筑、结构专业的平面和剖切视角图纸生成同时自动标注尺寸，图纸还包括图名、图框、图纸编号、图幅信息，具体界面如图12所示。

3工程实例应用

出入口协同智能设计工具在青岛地铁车站出入口设计中得到广泛应用，本文以青岛地铁5号线重庆路站A1出入口为例对智能设计工具的应用流程进行阐述。重庆路站A1出入口总长近52.8m，净宽10.9m，位于车站西侧，采用明挖施工，覆土3.2～4.9m，结构形式为单拱直墙。在对本出入口进行设计时，建筑专业设计人员可根据车站主体接口情况、地质条件等信息，利用协同设计工具建立不同功能段体量从而快速得到设计方案，并根据不同设计需求对直线段、转折段、人防段、提升段的尺寸及功能空间布局进行快速调整，从而输出不同的方案设计模型以供选择；当设计方案稳定后，可利用研发的设计工具选择不同体量段模型，并输入建筑专业的设计数据如建筑面层、吊顶、离壁墙、建筑砌筑墙等构件尺寸信息，从而自动输出生成建筑模型，并为构件赋予材质信息；建筑设计人员将方案稳定后的建筑模型开放给结构设计人员，结构设计人员可在此基础上利用研发的设计工具选择建筑体量模型并输入结构专业的设计数据如底板、顶板、结构柱、腋角、离壁沟等结构构件设计尺寸及位置参数，从而自动生成结构模型并赋予其材质信息。方案设计阶段完成后，在初步设计及施工图设计阶段，建筑和结构设计人员仍然可将设计模型相互转递并利用出入口协同智能设计工具进行协同修改深化，最终完成设计模型，专业间协同交互过程如下图13所示。

在进行出图时，可利用智能设计工具的设计出图功能模块进行自动出图，并在此基础上进行修改完善，部分图纸成果如图14所示。

本出入口协同智能设计工具的运用，对数字化BIM设计产生了显著的优化效果，特别是在建筑与结构专业的协同正向设计模式及流程方面，有效解决了建筑专业人员在快速产出多样化设计方案时所面临的难题，并极大地便利了建筑与结构专业设计人员在协同深化设计以及设计成果生成方面的操作。目前，该智能设计工具已在青岛地铁三期工程的近30个新建地铁出入口项目中得到应用。经详细统计与对比分析，对于单个出入口项目，若采用传统设计方式，即“二维设计图纸配合单独建模”，每人所需时间约为33h以上；而若采用普通的BIM正向设计方式，所需时间则更为漫长。然而，借助本智能设计工具，每人实现“设计建模与出图”的全过程仅需约12h，设计效率提升超过2.7倍。

4结论

本研究提出了面向地铁车站出入口的数字协同设计方法，研发了地铁车站出入口协同智能设计工具并进行工程应用，得到的主要结论如下。1)研发的出入口协同智能设计工具实现了建筑或结构专业设计人员进行出入口三维正向设计时所需的各构件BIM模型协同建立与修改、二维图纸生成等功能。2)出入口协同智能设计工具对出入口设计经验进行了数字化封装，经工程实际应用与统计分析，设计效率较传统设计方式提升2.7倍。在后期研究中，可在该协同智能设计工具功能中考虑出入口设计的其他专业如人防、设备、管线综合专业的协同与智能设计，使得该数字协同设计方法与工具能服务于地铁车站出入口全专业设计人员，同时完善相关设计成果信息，使生成的数字设计成果可以较好地传递到施工与运营阶段，实现全生命期应用。