基于BIM的鐵路軌道三維數字化設計系統研究

2021/10/11
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作者:網絡
簡要:系統基于BIM技術實現了鐵路軌道三維數字化設計,但仍需在系統成果的基礎上,以協同為核心,深入研究專業之間的協同設計以及三維數字化模型、設計數據模型在全生命周期的運用。

多種BIM軟件均能夠實現路基、橋梁、隧道不同基礎結構下的有砟軌道、無砟軌道BIM模型的構建,滿足各專業模型的協同可視化。但仍存在一些問題難以解決,如手動翻模耗時長、無法實現參數化建模、類似但不同的模型需要重復構建、軌道沿線路的拼裝采用手動方式定位等,不僅效率低,且難以滿足軌道高精度需求。

因此利用商業軟件圖形處理引擎,面向專業進一步開展BIM設計系統的研究是必不可少的。雖然Bentley平臺參數化較弱、專業模塊不夠深入,但考慮平臺運行效率高、具備較高的精度、基礎的圖形功能、線路的工程概念、線路平縱斷面曲線要素的處理功能以及處理長條型線狀構造物的能力強等特點,本文結合Bentley平臺下基礎圖形軟件Microstation(MS)、鐵路工程的專業設計軟件0penRail Designer(OR)以及軌道工程特點,開展基于BIM的鐵路軌道三維數字化設計系統研究。

 

 總體結構

總體設計

鐵路軌道三維數字化設計系統以商業軟件為三維圖形引擎,結合軌道構件庫,以數據模型為核心,形成基于數據驅動的軌道三維數字化設計,主要包含構建構件庫、軌道數據模型與三維數字化模型三部分,數據模型與三維數字化模型相輔相成,構成軌道信息模型,即BIM模型,其中數據模型的創建不依賴于現有的商業軟件,避免形成不同BIM商業軟件之問的孤島及減少軟件更新的影響。

功能設計

鐵路軌道三維數字化設計系統主要面向設計階段,解決專業問信息孤島,提高專業問協調溝通,減少變更,能夠快速生成設計成果文件,為路基、橋梁、隧道各專業以及施工、運維各階段的協同奠定基礎,系統實現的具體功能主要包含以下方面:

 

一是,軌道工程全生命周期中各階段數據接口、軌道與相關專業之間的數據接口的標準化處理。為了實現專業問與階段問的協同設計,避免各專業各階段因使用平臺或軟件不同造成的信息重復輸入、模型重構,以及避免信息與模型在傳遞時發生丟失與出錯,對工程數據庫進行標準化處理,尤其是輸人數據與輸出數據。

 

二是,軌道工程構件庫的創建和管理。軌道結構由鋼軌、扣件、軌枕、軌道板、道床板、自密實混凝土層、道岔、道砟層、軌道加強設備、軌道附屬設備等構件組成,部件產品類型多,為了避免信息與模型在設計過程乃至全生命周期中重復操作,集成軌道零構件三維模型與信息屬性,創建零構件信息模型,形成軌道構件庫。統一創建構件模型的標準格式,如構件分類、命名、材質標準、建模精度等;進行參數化模塊開發,實現同類型但不同尺寸模型的構建,如軌道板、底座等;實現構件模型的統一管理,便于各階段對構件的復用。

 

三是,軌道工程設計數據模型的創建和管理。軌道工程設置在路基、橋梁、隧道等結構物上,并需要與通信、信號等專業對接,為了避免商業平臺與軟件的更新與更換造成的信息丟失,以及線路、橋梁等相關專業信息的變更導致軌道工程的重復建模,創建軌道工程設計數據模型。設計數據模型的創建需充分考慮相關專業與軌道工程之間的關聯和映射規則,以實現根據相關工程接口數據與軌道參數,形成軌道工程設計數據模型,為軌道BIM模型的創建提供依據。

 

四是,軌道三維數字化模型的創建。結合零構件模型與軌道工程設計數據模型,通過設置構件與數據之間的映射關系,實現根據數據自動生成沿線軌道三維數字化模型,并能夠根據相關專業信息的變更實現模型的更新。

 

五是,信息模型管理。實現對軌道BIM設計過程中涉及的相關專業接口數據、軌道設計信息、軌道數據模型、構件庫等信息模型的管理。

 

六是,形成軌道工程專業模塊。采用人機交互的方式,通過系統界面完成軌道零構件創建、數據模型生成、三維數字化模型布置等軌道BIM設計所需的操作;具備明確的軌道信息、相關專業接口信息的輸入與成果輸出操作窗口,以方便操作并提高效率。

 

七是,成果輸出與應用。生成構件庫、數據模型、軌道數字化三維模型,并進行成果應用分析。面向功能主要開發項目管理、項目信息、工程信息、軌道結構設計、軌道數據模型、軌道BIM模型、構件庫管理以及輔助設計等模塊。

鐵路軌道三維數字化設計實現方法

 

 

 

鐵路軌道零構件和構件庫的構建

軌道零構件模型分類與編碼

軌道構件的分類與編碼參照已發布的分解及編碼標準執行,主要參照中國鐵路BIM聯盟頒布的《鐵路工程實體結構分解指南》與《鐵路工程信息模型分類和編碼標準》。將軌道劃分為鋼軌、扣件、軌枕、軌道板、道床板、自密實混凝土層、道岔、道砟層、軌道加強設備、軌道附屬設備等,并進行編碼。

 

除考慮標準中的分類編碼外,在編碼中附加部分尺寸屬性,鋼軌構件中添加長度,如100 m長60軌編碼為“XXX_60_100”;有砟道床添加道床寬度、高度、

 

線間距信息,如路基地段單線軌道編碼為“XXX_3500_766_0”;無砟道床自密實混凝土層添加長度、寬度、厚度信息,如“XXX_5600_2500_90”;固定尺寸如扣件、承軌臺等編碼中不添加屬性信息。

 

通過編碼實現模型與信息的連接,經電子系統對信息的一次輸入,實現各參與方在各個階段中對信息的獲取,如軌枕包含三維幾何信息、型號、材質、物理屬性信息、制造廠商、價格等信息,以支持全過程中信息查詢。

 

軌道零構件模型的創建

采用結合MS軟件與OR軟件二次開發的方式實現軌道構件模型的創建。根據軌道工程特點,將軌道BIM設計中需求的零構件模型劃分為兩種:一種為固定幾何尺寸模型,每一種產品與型號對應固定的幾何尺寸屬性,且模型復雜,如道岔、扣件等;另一種為參數化模型,如軌道板、道床板、自密實混凝土層、底座、有砟道床等道床部分模型,尺寸隨著線路、路基、橋梁、隧道等相關專業接口數據發生變化,尤其是異型軌道板。

 

固定幾何尺寸模型直接通過MS軟件三維功能進行創建,坐標原點設置為模型頂面中心點,如扣件設置在墊板中心、軌枕設置在中部頂面中心,并附加屬性信息。

參數化構件模型的創建主要通過構件庫、軌道結構組成、軌道板、自密實混凝土層、底座、組合模型六個子模塊實現。首先創建構件庫,確定存儲格式、路徑等,用于組合模型的創建以及軌道BIM設計中對零構件模型的調用;其次通過界面輸入軌道結構組成信息,為創建軌道板、自密實混凝土層、底座、組合模型提供數據支撐;根據輸入的尺寸信息自動創建模型并更新模型信息及編碼,如通過輸入軌道板長度、軌道板寬度、承軌臺至板邊問距、承軌臺問距等尺寸信息,調用承軌臺模型實現軌道板模型的快速創建及信息更新;最后輸入組合模型的信息,如構件CRTSⅢ型軌道板結構的長度、板縫、超高、基礎結構類型等,通過調用構件模型,實現組合模型的自動創建。

鐵路軌道設計數據模型

數據模型以軌道設計數據為核心,通過線路、橋梁、隧道等相關接口專業信息分析線路平面參數、縱斷面參數、斷鏈參數、基礎結構段落分段等進行軌道超高設計、配板設計等,進而計算軌道布置所需的里程、鋼軌、扣件、承軌臺等控制點相對坐標與絕對坐標值、坡度、超高等信息,形成軌道數據模型,為軌道BIM模型的創建提供依據。

 

工程信息

通過工程信息的三個子模塊(斷鏈信息、平縱斷面信息、分段表信息)實現相關專業數據的標準化處理與分析。

斷鏈信息:通過導入項目斷鏈信息,實現實際里程與連續里程的轉換。

平面參數:根據起點經緯距、曲線半徑、緩和曲線要素分別計算直線起點、前緩和曲線起點(直緩點)、前緩和曲線終點(緩圓點)、圓曲線終點(圓緩點)、后緩和曲線終點(緩直點)對應的里程、經緯距等,計算直線要素(直線斜角等)、曲線要素(切線長,曲線偏角,緩和曲線C、m、p等參數),實現軌道結構沿線路布置的平面定位。

 

縱斷面參數:根據起點高程、坡度、曲線半徑分別計算直線起點、曲線起點對應的里程、高程等,計算豎曲線轉交、曲線圓心的坐標等,實現軌道結構沿線路布置的縱斷面定位。

 

分段表:根據橋梁、隧道布置信息,實現針對不同線下基礎結構的軌道段分類,為配板設計、軌道結構設計提供基礎數據支撐。

 

數據模型

結合工程信息開展軌道結構設計、超高設計、配板設計,實現全線軌道數據模型的創建。

超高信息:根據行車、線路信息,計算軌道超高設計及沿線路各構件及關鍵點(直緩點、緩圓點、變坡點等)對應的超高值。

配板:根據線下基礎結構信息進行配板設計,同時分析沿線每塊軌道板的里程、軌道板基礎參數等。

軌道坐標計算:根據平面參數、縱斷面參數、路橋隧結構布置,判斷每塊軌道板起點里程所在的平面位置(直線段、曲線段或緩和曲線段)、縱斷面位置(直線段、曲線段)及基礎結構,生成標準化的數據模型,包含軌道板起點位置對應的經緯距、方位角、坡度、超高和軌道板、底座扣件螺栓孔各邊角點經緯距等信息。其中坐標與方向嚴格執行構件標準,如單塊軌道板的平面以板的起點為坐標原點,沿線路縱向為y軸,與之垂直的為x軸。豎向以板的頂面為z軸的坐標原點。

軌道數據模型包含軌道相關專業設計信息、超高信息、配板信息、軌道坐標信息等,并能夠根據相關專業設計信息的變更進行實時更新。

 

軌道三維數字化模型

結合軌道構件庫,根據軌道設計數據模型,以數據驅動的方式,通過構件模型的命名、編碼、構件之問的邏輯關系實現鋼軌、軌道板、自密實混凝土層等軌道模型沿線路的一鍵布置。數據模型和三維數字化模型可根據相關專業變更、施工誤差的影響等實時動態化更新。

結合BIM技術特點和鐵路軌道工程的特點,以商業軟件作為基礎三維圖形引擎,以數據模型為核心,形成了鐵路軌道三維數字化設計系統。根據鐵路BIM聯盟發布的標準實現構件庫的分類與編碼,實現了軌道板、自密實混凝土層、底座等零構件模型的參數化創建;以數據驅動的方式實現了專業問的協同,打通了專業問的信息孤島,實現了根據線路、路基、橋梁、隧道等接口數據的軌道BIM設計,快速生成了設計數據模型與三維數字化模型,大幅度提高了軌道BIM設計效率及精度。

系統基于BIM技術實現了鐵路軌道三維數字化設計,但仍需在系統成果的基礎上,以協同為核心,深入研究專業之間的協同設計以及三維數字化模型、設計數據模型在全生命周期的運用。

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