基于數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)的鐵路站場BIM自動化建模研究

魏方華

(軌道交通工程信息化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院),西安 710043)

引言

鐵路站場設(shè)計是一個極其復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要項(xiàng)目各方在各階段相互銜接，各專業(yè)協(xié)同設(shè)計[1]。然而，現(xiàn)有鐵路站場設(shè)計方法大多基于二維CAD圖紙，以郵件、會議等間接的溝通形式來傳遞圖紙和說明等以期進(jìn)行協(xié)同工作[2]。在信息溝通、進(jìn)度控制、資源調(diào)配、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計等方面的統(tǒng)一管理復(fù)雜而低效，且容易造成各專業(yè)間信息溝通的不及時、不順暢，在設(shè)計意圖的表達(dá)和理解不夠完整和明確時，出現(xiàn)一些偏差，導(dǎo)致設(shè)計成果無法達(dá)到預(yù)期的在鐵路施工運(yùn)營和維護(hù)管理的服務(wù)效果[3]。因此，更新專業(yè)人員的設(shè)計手段，提高鐵路站場設(shè)計工作的效率與質(zhì)量愈發(fā)顯得重要與緊迫。

BIM是“建筑信息模型”(Building Information Model)的簡稱，由美國喬治亞技術(shù)學(xué)院建筑與計算機(jī)專業(yè)的查克·伊斯曼(Chuck Eastman)于20世紀(jì)70年代提出[4-6]。BIM是一個共享的知識資源，可為工程設(shè)施全生命周期(規(guī)劃→設(shè)計→施工→運(yùn)維→拆除)的決策提供可靠信息支持，具有完備性、協(xié)調(diào)性、一致性等特點(diǎn)[7-8]，現(xiàn)在已成功應(yīng)用于建筑行業(yè)[9-10]，并逐漸向整個工程建設(shè)領(lǐng)域拓展[11-12]。BIM技術(shù)為更新設(shè)計手段，提高鐵路站場設(shè)計效率、設(shè)計質(zhì)量提供了可行的解決辦法[13]。

然而，當(dāng)前國內(nèi)鐵路站場BIM的研究尚處于起步階段[14-16]，主要是利用二維設(shè)計圖紙進(jìn)行設(shè)計成果的模型建造，站場內(nèi)幾乎所有設(shè)備的信息模型均是人工構(gòu)建，站場設(shè)備的定位與拼裝也全部依靠手工作業(yè)，存在效率低下和精度不太高的問題，也進(jìn)一步影響對信息模型的傳遞與拓展應(yīng)用[17-18]。

1 鐵路站場數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)

BIM(Building Information Model)最重要的是“I”(information)，如何建立鐵路站場設(shè)計的“information”并將其管理、傳遞以及應(yīng)用起來，是實(shí)現(xiàn)鐵路站場BIM設(shè)計的關(guān)鍵。基于此，筆者參與研究開發(fā)了鐵路站場數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)[19-20]，將鐵路站場所涉及到的設(shè)備對象化、實(shí)體化，鐵路站場專業(yè)所涉及的設(shè)備大類如圖1所示。

圖1 鐵路站場主要設(shè)備對象

通過鐵路站場數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)開展設(shè)計，可將設(shè)計成果保存至數(shù)據(jù)庫中，這樣各設(shè)備的信息便被記錄下來，包括設(shè)備的幾何信息與非幾何屬性，以及各設(shè)備間的空間耦合約束關(guān)系，通過對數(shù)據(jù)庫的讀取與解析，可恢復(fù)圖形并進(jìn)行信息的傳遞，而無需再傳遞圖紙，實(shí)現(xiàn)設(shè)計成果的數(shù)字化。鐵路站場數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 站場數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 鐵路站場BIM參數(shù)化建模

在未實(shí)現(xiàn)設(shè)計成果數(shù)字化之前，設(shè)計人員在創(chuàng)建站場BIM模型時，一般的做法是在完成標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備構(gòu)件模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合二維設(shè)計圖，手工放置每一設(shè)備構(gòu)件，如軌道、信號機(jī)等，最后整合形成整個站場BIM。此過程存在2個缺點(diǎn)。

(1)設(shè)計方案無法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)化存儲。當(dāng)站場方案發(fā)生變動時，方案成果保存在二維圖紙中，設(shè)備變動后的位置需要設(shè)計人員從二維圖中獲取。

(2)建模過程重復(fù)，效率低下，精度不高。同種類型不同位置的設(shè)備，如高柱信號機(jī)和矮柱信號機(jī)，實(shí)質(zhì)上的區(qū)別在于位置、類型的不同，在建立BIM模型的過程中需要手動依次創(chuàng)建多個信號機(jī)對象，將其插入對應(yīng)的位置，此過程中許多操作具有通用性和繁復(fù)性，耗費(fèi)時間長，使設(shè)計人員無法專注于方案本身。

實(shí)質(zhì)上，在標(biāo)準(zhǔn)化單體構(gòu)件模板以及設(shè)計方案數(shù)字化的基礎(chǔ)上，可以利用已有數(shù)字信息進(jìn)一步開發(fā)站場自動建模插件，使程序根據(jù)已有數(shù)字信息自動、快速創(chuàng)建站場BIM模型。

2.1 站場設(shè)備數(shù)字信息

站場數(shù)字化設(shè)計成果數(shù)據(jù)庫中記錄了設(shè)備的各種設(shè)計信息，從數(shù)據(jù)庫中獲取的信息主要包括定位信息、幾何尺寸、非幾何屬性(材質(zhì)、通用圖號等)以及設(shè)備間的關(guān)聯(lián)耦合邏輯關(guān)系，通過程序自動調(diào)用即可實(shí)現(xiàn)自動化成圖與建模。以道岔為例，用戶雙擊某個道岔，通過對話框調(diào)用數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)信息，顯示示例如圖3所示。

通過如圖3所示的對話框可清晰直觀地獲取道岔的編號、類型、圖號、軌型、坐標(biāo)、所屬股道等相關(guān)信息，通過圖號又能從道岔規(guī)范數(shù)據(jù)庫中索引到道岔的結(jié)構(gòu)、幾何尺寸等信息。

2.2 自動化創(chuàng)建站場模型

通過利用鐵路站場數(shù)字化設(shè)計成果，開發(fā)BIM模型設(shè)計插件，可實(shí)現(xiàn)鐵路站場信息模型的高效快速構(gòu)建，該插件的總體架構(gòu)如圖4所示。

圖4 程序總體架構(gòu)

BIM模型設(shè)計插件主要包括以下模塊。

(1)菜單模塊

此模塊有兩個功能，一則提供程序入口，由用戶選擇項(xiàng)目文件，二則提供用戶交互接口，設(shè)計人員可以更改平臺環(huán)境、設(shè)備信息。

(2)鐵路站場標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備構(gòu)件模塊

預(yù)先創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)化的站場設(shè)備構(gòu)件，將其放置在構(gòu)件庫中。通過函數(shù)的調(diào)用進(jìn)行站場標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件的加載。此外還需要定位點(diǎn)或定位線的函數(shù)，定位信息從數(shù)據(jù)庫獲取。

(3)站場數(shù)據(jù)庫模塊

通過數(shù)據(jù)庫獲取所有設(shè)備的相關(guān)信息，并構(gòu)建單體模型與總裝模型，數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)才是BIM設(shè)計的核心，并隨著設(shè)計成果的流轉(zhuǎn)與傳遞，允許不同角色根據(jù)權(quán)限對數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的操作。

(4)自動建模模塊

設(shè)備從形式上分為點(diǎn)、線、面3種類型，其創(chuàng)建過程各異，對于構(gòu)件庫中存在單體標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件的設(shè)備，首先加載構(gòu)件庫中的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件，再結(jié)合設(shè)備信息，賦予坐標(biāo)、長度、材質(zhì)、圖號等信息，根據(jù)點(diǎn)、線屬性創(chuàng)建實(shí)例，對于不存在標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件的設(shè)備(如復(fù)雜路基體)，只能通過數(shù)據(jù)庫中記錄的斷面信息實(shí)時創(chuàng)建路基體實(shí)例，通過二者的結(jié)合即可完成站場BIM實(shí)體信息模型的創(chuàng)建工作。

2.3 實(shí)例應(yīng)用

以銀西高鐵寧縣車站為例，通過鐵路站場數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)對車站各設(shè)備進(jìn)行平縱橫參數(shù)設(shè)計，并將設(shè)計成果保存至數(shù)據(jù)庫，分析該參數(shù)化數(shù)據(jù)庫，解析站場專業(yè)構(gòu)件實(shí)體之間的邏輯關(guān)聯(lián)關(guān)系，結(jié)合在Revit軟件平臺上開發(fā)的數(shù)據(jù)接口插件，導(dǎo)入站場參數(shù)化設(shè)計數(shù)據(jù)成果，可快速生成站場專業(yè)BIM模型，其實(shí)現(xiàn)流程如圖5所示。生成的三維BIM模型局部示例參見圖6。

圖5 參數(shù)化建模流程

圖6 站場BIM模型局部示例

該BIM設(shè)計插件原型系統(tǒng)在局部細(xì)節(jié)的處理上還存在一定的不足，還需補(bǔ)充完善相關(guān)算法，在此不再贅述。

3 結(jié)語

針對鐵路站場BIM設(shè)計目前存在的低效與應(yīng)用質(zhì)量不佳的現(xiàn)狀，對鐵路站場BIM模型高效快速構(gòu)建方法進(jìn)行了研究，提出應(yīng)基于鐵路站場設(shè)計成果的數(shù)字化，構(gòu)建鐵路站場BIM模型，并對鐵路站場數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)總體架構(gòu)與BIM模型設(shè)計插件的程序模塊與流程進(jìn)行了介紹。

本研究成果可擺脫對二維圖紙的人工低效翻模，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化信息對站場三維模型的快速驅(qū)動。所介紹的BIM設(shè)計插件可不僅限于Autodesk平臺，也可在其他三維平臺如Bentley上開發(fā)相應(yīng)數(shù)據(jù)接口插件。