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铁路工程BIM协同设计平台——中国铁设

admin 2024-2-9 14:15:33 107058
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1.  项  目  背  景 


铁路工程设计涉及测绘、地质、路基、线路、站场、桥梁、隧道、轨道、工经、牵引变、电力、接触网、通信、信号、信息、环保、给排水、机辆等多个专业领域,设计工作既有固定顺序的跨专业信息传递,也有复杂的多专业联合迭代趋优。综合考虑设计中结构化和非结构化数据无障碍交换、可视化环境下跨专业参考和结构间约束驱动、基于铁路BIM标准的数据存储与交付等设计需求,中国铁路设计集团有限公司基于达索3DE平台研发了铁路工程BIM协同设计平台,内置铁路BIM标准,扩展铁路工程通用及专业设计功能,实现数据同源、骨架驱动的多专业协同的BIM设计。

2.  平  台  架  构 


铁路工程BIM协同设计平台以达索3DE平台为基础,面向铁路工程设计业务,构建物理架构和功能架构,扩展统一数据环境和异构系统集成应用,具有对标准、功能、性能的可扩展能力。

图1 铁路工程BIM协同设计平台软件架构

应用客户端:图形重客户端负责工程设计,WEB轻客户端负责管理,VR/MR(Virtual Reality/Mixed Reality,虚拟现实/混合现实)负责虚拟现实应用。

3DE平台应用服务:负责用户通行证、看板、搜索、协作空间和许可服务器。

3DE平台数据服务:负责数据库服务、全文检索服务、3D索引服务、模型文件服务等。

应用集成服务:负责基于统一数据环境的BIM+GIS、虚拟现实、数字化施工应用服务等。

统一数据环境:负责构件资源服务、标准资源服务、流程资源服务、信息数据集成服务、数据和项目管理服务等。


(1)物理架构

铁路工程BIM协同设计平台物理架构分为服务器端和客户端。服务器端由许可服务器、应用服务器、数据库服务器、文件服务器、全文检索服务器、3D索引服务器和资源服务器组成。其中,应用服务器为主服务器,连接客户端与其它服务器。

 

图2 铁路工程BIM协同设计平台物理架构

(2)功能架构

铁路工程BIM协同设计平台功能架构分为四层,如下图所示。

第一层为标准层。以铁路BIM标准体系框架内各标准为基础,并根据自身设计流程需要定义相应的实施标准,为平台提供标准支持。


第二层为服务层。基础软件采用达索系统,利用其构件化设计、标准扩展接口、多专业协同设计的特点,实现对铁路工程BIM协同设计的底层支持,同时为功能层提供各项基础服务。


第三层为通用功能层。提供通用功能、算法扩展,并包装成可供Visual Basic宏语言(Visual Basic for Applications,VBA)、知识工程语言(Enterprise Knowledge Language,EKL)、C#、Python、C++等调用的通用接口,供专业设计软件工具调用。


第四层为专业功能层。由专业设计功能组件构成,按照专业设计逻辑开发专业设计工具。


图3 铁路工程BIM协同设计平台功能架构

 

3.  标  准  支  持 


平台采用客户化定制方法支持《铁路工程信息模型数据存储标准》(简称“铁路IFC标准”),通过建立数据库并开发客户端的方法支持《铁路工程信息模型分类和编码标准》(简称“铁路IFD标准”)。


图4 平台支持铁路BIM标准的技术方法

采用3DE平台提供的Specialization和Customization元数据管理方法,通过建立IFC元数据至平台元数据的映射,扩展铁路IFC标准元数据定义,提供对铁路IFC标准的支持,并驱动软件行为。平台共扩展了铁路工程信息模型数据存储标准中180项实体定义和国际标准IFC4中的37项实体定义,部署属性集446项,实现对铁路工程空间结构、构件、组合件与零件的全覆盖。


建立分类编码数据库和全文检索服务,将《铁路工程信息模型分类和编码标准》、《地理信息分类及编码标准》(GB/T 25529-2010)、《建筑信息模型分类和编码标准》(GB/T 51269-2017)输入数据库,基于全文检索服务开发赋码客户端,通过人机交互为模型统一赋码,实现系统对信息模型分类与编码的全部支持。


4. 专 业 设 计 功 能


一、设计方法

在模型设计过程中,一般遵循骨架设计->模型设计->模型交付的作业流程。根据项目阶段和应用目标,应采用不同的精度设计模型,以达到在满足应用前提下花费最小工作量的目的。不同模型精度等级(LOD)对应的内容,参考铁路BIM联盟《铁路工程信息模型交付精度标准》执行。不同设计阶段对应不同的LOD等级。整个项目设计周期内各阶段的骨架设计层层加深,在预可行性研究阶段骨架设计达到LOD1.0即可,在可行性研究阶段需达到LOD2.0,初步设计阶段为LOD3.0,而施工图阶段为LOD3.5。设计模型和交付模型与骨架精度相适应,应用工具软件调用相应精度模板资源创建模型。


图5 模型设计过程及LOD等级

基于上述模型设计过程,为从源头上保证铁路工程设计的系统性,铁路工程BIM协同设计平台采用“三棵树”结构来组织BIM模型,并制定相应BIM实施标准。一是骨架结构树,用于工程结构的框架性设计和信息传递。二是设计结构树,用于设计和组织设计阶段BIM模型。三是交付结构树,用于组织从设计模型转换为交付模型。


图6 工程设计标准化的“三棵树”

二、地形系统

地形采用Nurbs和PolyHydroMesh两种格式,提供与设计实体的高程提取、布尔运算功能。地形也可作为模板的实例参数输入,在模板实例化阶段自动完成相关运算。

(1)地形曲面

用Terrain Preparation模块将分块的地面点云导入,制作地形Mesh对象,再生成专业可参考的地形曲面对象。

 

图7 地面点云

(2)地形贴图

将DOM裁剪成和地形等大小的影像,使用Material Definiton模块制作成材质。再根据对应的贴图中心和贴图比例,将材质赋给三维地形,制作成三维影像地形图。

 

图8 三维影像地形图


(3)地形挖孔

在特征树中,原来的地形面下新增加了一surface(面),图形中按照所选SelectCloseCurves(选择闭合曲线)数量,竖直方向裁剪,保留裁剪结果surface。 

 

图9 根据排水沟外边界开挖地形

三、线路中心线

线路中心线功能以标准的IFC格式接收中心线成果,为BIM设计提供统一线性定位。线性定位系统持有线路平面、纵断面、空间曲线和里程系统,提供从平面到空间曲线正、逆向投影计算。

 

图10 线路中心线

(1)里程测量。根据骨架线的起始里程,自动测量并在窗口视图中跟随鼠标移动标识出里程数或当前骨架线的x,y,z坐标值,并可将当前测量值保存为测量特征。


(2)单工点骨架线截取。根据用户输入截取一段线路中心线实体,作为工点设计的主骨架。

 

图11 骨架线截取


(3)多工程骨架线截取。根据外部文件给定的里程范围,批量截取多个工点骨架线。

 

图12 批量骨架线截取

(4)空间坐标计算。根据用户输出,计算一段区间内的空间坐标,并以xls表格输出。


(5)沿中心线坐标系陈列。参考线路中心线,按照里程、偏距、高程列表阵列设备坐标系。


四、路基骨架

自动提取路桥隧缺口里程范围,生成路基工点,并自线路中心线截取一级骨架,再根据一级骨架,按照设计原则进行水平、高程上的偏移,得到二级骨架路肩线。如下图所示。

 

图13 路基骨架
图14 二级骨架线功能和加宽配置

五、边坡建模

以路肩线、地形曲面和边坡参数为输入,由软件直接生成路基边坡。在特征树中,新增加了一OGS,名称为SideSlopes(边坡),其下为全部的边坡面。考虑工程材料不同,将边坡与平台分开组织。

 

图15 平台与边坡分几何集组织

六、轨道底座板建模

按照不同断面的超高设置轨顶横断面线,以多截面扫掠方式扫掠出轨顶面。以轨顶面为输入,构建轨道底座板模型。

 

图16 轨道底座板建模

利用无约束阵列功能轨道沿线路中心线放置底座板开槽模板,利用开槽功能对轨道板开槽,再利用切割工具切成单块底座板。

 

图17 底座板开槽

图18 底座板切割

七、设备库

(1)模型入库及出库

标准设备入库。打开一个设备文件或新建一个产品,点击命令“标准设备入库”,通过目录下拉选择想要的标准设备库,选择标准设备库下想要的章节,在弹出搜索设备的对话框中选择要入库的设备。选择“引用”或“复制”方式入库,引用方式为引用所选设备;复制方式根据所选设备复制出新的设备。


项目设备入库。打开一个设备文件或新建一个产品,点击命令“项目设备入库”,设备来源默认为“标准设备库”方式,通过目录下拉选择标准设备库及章节。设备入库方式分为 “引用”或“复制”两种,引用方式为引用所选设备;复制方式根据所选设备复制出新的设备。


(2)库的浏览及更新

选择需浏览目录和章节,通过名称、标题、版本等条件输入筛选设备,也可通过点击搜索在筛选结果中浏览、查找设备,选中筛选结果打开设备后即可修改,修改后点击“刷新Mysql数据”对模型进行更新。

 

图19 设备入库

八、轴网定位与安装

(1)创建总集合。创建特征元素均需位于总集合节点下。点击“创建总集合”命令,在总集合父节点选择输入3DShape节点,在总集合数量中输入要创建集合的数量,点击确定完成总集合创建,每个总集合下挂一个轴网集合。

 

图20 创建总集合

(2)创建路径特征集合。点击命令“路径特征集合”,在路径集合父节点选择总集合节点,在路径集合数量中输入创建路径的数量,点击确定完成路径特征集合的创建。


(3)创建布置点集合。点击命令“创建设备布置点集合”,在布置点集合父节点选择总集合节点,在布置点集合数量中输入数量,点击确定完成布置点集合的创建。


(4)创建路径特征。点击命令“创建路径特征”,在路径集合中,选择路径集合节点。过滤点的方式可选择轴网焦点、一般几何点、设备布置点、路径点或曲线,当点选其中某种类型后,选择对应类型的对象列到“选择参考点或曲线”区域内。在“选择参考点或曲线”区域内选择编辑U,V,W的偏移值,点击确定,完成路径的创建。

 

图21 创建路径特征

(5)创建路径分支特征。对已有的一根路径通过比率或距离方式断开成两根路径分支。点击命令“创建路径分支”,在路径分支后选择要断开的路径特征。选择断点距离的方式:比率或长度。比率输入在路径上的比例。长度输入端点的距离值。点击确定完成路径分支的创建。

 

图22 创建路径分支特征

(6)创建布置特征。布置特征拥有点定位、姿态信息,具体信息为名称、参考点、偏移参考轴、U向V向W向偏移值、姿态X轴Y轴Z轴旋转值、目标轴系等数据信息,通过在结构树上双击该特征进入修改状态。布置特征与设备之间存在关联。

 

图23 设备偏移与设备姿态调整


(7)批量创建布置特征。批量创建布置特征的方式有“通过路径分支创建”和“通过轴网轴创建”两种。在“通过路径分支创建”时,首先选择目标布置点集合,然后在路径段中选择路径分支,然后点击“添加布置点”,添加布置点并修改布置点属性,预览、确定即生成对应的布置点。在“通过轴网轴创建”时,首先选择目标布置点集合,然后导入外部参考文件,添加后,可以删除不必要的布置点。


(8)创建矩形轴网。点击命令“创建矩形轴网”,选择轴网集合节点,选择参考轴系,选择轮廓,输入轴间距,完成矩形轴网的创建。

 

图24 创建矩形轴网

(9)创建雷达轴网。点击命令“创建雷达轴网”,选择轴网集合节点,选择参考轴系,输入轴间距,完成雷达轴网的创建。

 

图25 创建雷达轴网

(10)创建曲线正交轴网。点击命令“创建曲线正交轴网”,选择轴网集合节点,选择参考偏移的曲线作为轨迹线,选择轨迹线上一点作为轴网创建轴的参考起始点,选择平面作为曲线的偏移参考平面,在垂直于参考平面的视角上摆正反映出曲线的偏移,输入轴间距,完成曲线正交轴网的创建。

 

图26 创建曲线正交轴网

(11)创建立体轴网。点击命令“创建立体轴网”,选择轴网集合节点,选择参考平面轴网或通过自定义方式完成立体轴网的创建。


图27 创建立体轴网

(12)批量安装、更新、删除设备。点击命令“批量安装设备”,先选取目标布置点集合和目标产品节点。点击“选择设备”,然后选择章节,选定设备所在章节后,选取目标设备。选择设备后,点击“修改安装状态”,将设备的安装状态改成“Y”,载入布置点配置文件,配置文件中记录了非标设备的各个参数值。然后点击“安装设备”,所选设备就会参数化批量安装在布置点上。当布置点位置有更新时,点击“更新设备”,完成设备模型的更新。点击“删除设备”,可以删除所选设备模型实例。

 

图28 批量安装、更新、删除设备

(13)批量修改布置点

点击命令“批量修改布置点”。选择要修改的布置点所在布置点集合,并选取参考轴系。在布置点参数列表中,修改目标布置点的参数,完成修改。


九、工程数量计算

利用BIM模型进行工程数量计算,包括两种方案:一是基于《铁路工程信息模型分类和编码标准》;二是基于《铁路工程信息模型数据存储标准》。


第一种方案基于《铁路工程信息模型分类和编码标准》,主要过程如下:

(1)在模板中通过增加IFD_CODE属性,用于定义元素的类型,其值引用IFD编码;增加O_IFDCODE组合码=f(几何特征)来描述工程数量,IFD_CODE可以引用铁路IFD标准中表40 +表54 +表58相应编码或组合。

 

图29 应用铁路IFD分类编码的工程量计算方案

(2)在模板实例化时程序自动根据几何定义计算实例化后构件的工程量。

 

图30 IFD分类码的构件工程量计算结果


(3)采用CAA二次开发,遍历工程结构树,将全部工程数量输出至excel文件,输出的工程量中包含了完整的工程结构树信息。


(4)将工程数量计算结果汇总成专册文件附表和概算编制格式。

铁路IFD分类编码采用分面分类法,通过将22个不同方面的信息进行组合来描述一件事物,表达能力强,同时信息满足结构化,计算机容易处理。


第二种方案基于《铁路工程信息模型数据存储标准》,主要过程如下:

(1)在BIM模型上添加工程数量属性集;

(2)从Enovia平台将BIM模型导出为XML文档;

(3)各专业编写工程数量汇总脚本文件;

(4)通过汇总程序对XML文件进行解析,并结合汇总规则,生成工程数量表。

应用第二个方案,计算得到桥梁、轨道部分工程数量。


十、信息检查

通过开发扩展平台功能,将模型结构与分类信息导出为XML文件;开发模型审核程序,负责解读信息文件、调用专业规则和成果报表输出;各专业依照建模标准编写检查规则,并应用软件检查模型。


将模型结构及分类与属性信息交付标准转换为MVD,以rul规则表达,规则定义。每个实体类型下均定义必须包含的类型、可包含的类型(子节点)、必须包含的属性集、可包含的属性集和例外(具体类型不可包括的子节点、属性集),通过解析Schema,获取类型继承树,从而实现规则定义的继承关系。


对IFC文件进行解析,构建起实体关系树和属性聚合关系,将每个节点送入规则检查器,自动分析出模型结构树装配是否正确,属性集是否挂接,属性是否填写等,并即时输出检查结果。用户根据提供的错误信息修改原始模型信息,直至正确。模型信息检查软件界面。

 

图31 信息检查软件界面

十一、模型轻量化

为减小BIM模型体量,实现BIM设计成果快速向后传递,同时保护模型生产者的知识产权,在模型交付之前需对BIM模型进行轻量化操作。模型轻量化过程将过滤掉中间建模过程、知识工程(如Rules、KP、Action等)等内容,仅保留分类、属性、几何特征、颜色等信息,大幅减小数据量。


模型轻量化功能位于装配设计模块下。通过点击软件左上角罗盘,在其中选择装配设计的APP,即可进入装配设计环境。首先选择BIMAssemblyAddin选项卡下的Convert Datum Mode命令,然后在结构树上选择要进行轻量化的装配节点,最后勾选是否要移除隐藏的节点和是否要移除发布特征的勾选框,即可执行模型轻量化命令。


该命令将自动清除选中结构树下所有的建模过程,仅保留分类、属性、几何结果、模型颜色等信息。围墙模型经过轻量化之后,模型的几何结果和颜色均与原始模型一致,而建模过程已被简化到只剩Body(体)节点,所有的建模过程及参数均被剔除。

 

图32 轻量化前后模型结构


5 . 平   台   总   结


铁路工程BIM协同设计平台以达索3DE平台为基础,面向铁路工程设计业务,内置铁路BIM标准,扩展铁路工程通用及专业设计功能,实现数据同源、骨架驱动的多专业协同的BIM设计。平台支持铁路BIM标准,具备协同设计、虚拟仿真、数字化交付能力,在京沈、牡佳、京雄、雅万、广湛、沪渝蓉等15个铁路项目开展BIM应用。其中,京沈客专首次成段落多专业协同完成BIM设计,牡佳高铁首个全线BIM应用实现多单位间跨地域协作;京雄高铁设计、建设全过程、全专业采用BIM技术迭代优化工程,实现基于信息模型的设计成果交付;广湛高铁推行总包主导的设计施工一体化BIM应用获2022年度buildingSMART国际BIM大赛基础设施设计组大奖。

(铁路BIM联盟文章,转发请注明出处)

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917 回复

束典雅
2024-2-8 20:04:02
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2024-2-8 21:12:47
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2024-2-8 22:07:49
不错不错,楼主您辛苦了。。。
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2024-2-8 22:39:12
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2024-2-8 22:57:08
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支持作者!
梁世韵
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不错,支持下楼主
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妳唤
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