基于BIM技术的接触网三维数字化设计软件研究.pdf

收稿日期:20230531;修回日期:20230721基金项目:中铁工程设计咨询集团有限公司科技研究计划重大课题(研2023-数字-1)作者简介:伊金浩(1996),男,助理工程师,2021 年毕业于北京交通大学电气工程专业,工学硕士,主要从事铁道电气化研究工作,E-mail:zxdtyjh 。第 67 卷 第 10 期2023 年 10 月铁 道 标 准 设 计RAILWAY STANDARD DESIGNVol.67 No.10Oct.2023文章编号:10042954(2023)10017108基于 BIM 技术的接触网三维数字化设计软件研究伊金浩,张 毅,陈善乐,张 鹏(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)摘 要:为满足铁路接触网设计 BIM 建模要求,解决当前接触网三维建模速度慢、软件参数化程度低等正向设计过程实施困难的问题,根据接触网专业的建模流程和设计人员的工作内容,提出以数据为依托的参数化建模解决方案。采用 Openrail Designer 软件进行接触网三维数字化设计软件开发,实现了协同设计平台路桥隧等专业接口资料获取,接触网构件参数化设计管理,支柱布置,腕臂、悬挂自动装配,二三维图纸同步和工程数量清单输出等功能,详细介绍了接触网支柱、腕臂、补偿装置等构件参数化建模的关键技术,专业间数据协同、接触网三维模型的自动创建以及二三维模型绑定等方法,促进了专业间数据的协同交互,提高了 BIM 模型的创建效率,为接触网 BIM 正向设计提供有效工具支撑。关键词:电气化铁路;接触网;BIM;三维模型;正向设计;协同设计中图分类号:U225;TP391 文献标识码:A DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.202305310018Research on the OCS 3D Digital Design Software Based on BIM YI Jinhao,ZHANG Yi,CHEN Shanle,ZHANG Peng(China Railway Engineering Design and Consulting Group Co.,Ltd.,Beijing 100055,China)Abstract:In order to meet the BIM modeling requirements for railway overhead contact system design and solve the current difficulties in implementing the forward design process such as slow 3D modeling speed and low parameterization degree of OCS,a data-based parameterized modeling solution is proposed based on the modeling process of the OCS and the work content of the designers.With Openrail Designer software,the OCS 3D digital design software is developed.The developed program fulfills the functions such as obtaining professional interface data for collaborative platforms including roads,bridges and tunnels,parameterized design and management of OCS components,pillar layout,automatic assembly of cantilevers and suspensions,synchronization of 2D and 3D drawings,and output of engineering quantity lists.A detailed introduction is given to the key technologies of parameterized modeling of components such as pillars,cantilevers and compensation devices,and the methods for specialty data collaboration,automatic creation of 3D models of OCS,and binding of 2D and 3D models,which promotes the specialty collaborative interaction of data,improves the efficiency of BIM modeling and provide effective tool support for forward BIM design of OCS.Key words:electrified railway;OCS;BIM;3D model;forward design;collaborative design引言随着我国建筑、铁路工程领域数字转型的稳步推进1,BIM 技术已经普遍运用到铁路勘察设计中2,铁路工程模型的数字化已然成为行业的发展趋势3。BIM 技术凭借其在建筑工程全生命周期中具备的优势,在工程管理4、模型审查5、协同设计6、接口优化7等方面对铁路工程数字化发挥着重要作用。接触网工程目前数字化程度相对较低且软件功能不完善8,为解决这一问题,学者们开展了相关研究。梁崇亮等通过对接触网设计内容进行分解,发挥 BIM 技术在接触网各设计部分中的优势,实现了区间、车站的自动布置,提高了三维设计的精度9。韩志伟等针对接触网二维模型涵盖信息少,开展协同设计困难,模型审查校验效率低等问题,结合 BIM 技术对接触网三维设计目标、实施方案及关键技术进行了梳理10。安蕾等通过分析 BIM 技术在腕臂工厂化预制方面的应用前景,将腕臂预配加工方面的数据与接触网 BIM 模型数据建立对应关系,实现了基于 BIM 技术的腕臂工厂化预制,提高了腕臂预配水平11。董凤翔等探讨了BIM 技术在开展协同设计方面的优势,分析了协同设计的工作内容,提出了协同设计的实施流程,促进了专业间的数据共享12。李俊松等以隧道专业为例深入分析,从标准、协同、效率、共享等角度阐述了正向设计的方法,提出了正向设计的工作内容13。张振海等以铁路四电工程为研究对象,探索了统一 BIM 标准体系下项目全阶段的协同管理平台,通过对设备、接口、施工进度等过程的把控,实现了施工过程的智能化14。尽管在工程各阶段都开展了 BIM 研究,但在实际运用过程中,仍有平面图向三维图转化翻模时间长、零部件建模参数化程度低等问题15。专业之间缺乏协同设计16,专业之间的互提、协同设计仍然依托网上流程以文件形式发送,效率有待提升,亟需构建点对点的数据接口17。BIM 正向设计能够实现多专业协同、多阶段模型管理等功能18。当前市面上也有多款 BIM 设计软件19,通过对 Revit、OpenRail Designer、ArchiCAD、Cat-ia 软件的优缺点进行分析20,最终选用 Bentley 平台下的 OpenRail Designer 软件作为 BIM 模型的软件开发平台,该软件在各专业协同设计、复杂曲面建模、软件生态丰富性等方面具备优势21。通过对接触网正向设计进行研究,探索铁路接触网 BIM 正向设计流程、多专业协同平台、构件库参数化设计、支柱自动布置、二三维图纸生成、安装图生成、工程量统计、三维模型应用,满足项目 BIM 成果汇报、设计优化及方案比选等应用需求,为 BIM 设计深化和可视化应用提供参考。1 软件总体架构1.1 BIM 设计流程与接触网二维设计类似,接触网三维设计流程如图 1 所示,项目负责人的主要工作内容是在协同设计平台完成资料互提、有关设计原则制定、各级校审人员分配、项目工点划分和工作任务配置。设计人员需要根据设计原则以及在协同设计平台获取的站前数据,完成接触网三维设计,最终形成包括二三维图纸文件、工程数量报表的接触网设计成果。图 1 接触网设计流程Fig.1 OCS design process为了软件数据结构具备通用性,便于开展接触网与相关专业,设计、施工和运维的数据交互22,软件开发采用数据库的方式实现对接触网构件的管理。如图2 所示,软件基本框架的数据库组成分为工程信息、构件库信息和设计信息 3 部分,工程信息用于存储项目数据和站前专业数据,构件库信息用于存储构件的参数化数据和管理数据,设计信息用于存储设计原则、接触网布置结果和工程数量等内容。随着项目的开展,不断完善数据库。图 2 软件基本框架Fig.2 Software basic framework1.2 软件主要功能针对 BIM 设计实施目标要求和接触网三维设计流程,软件的主要功能体现在以下几个方面。(1)数据接口标准化为了确保各专业开展协同设计时数据交换遵循相同的格式,减少专业间信息量重复,数据格式混乱,需要对输入输出数据进行标准化和结构化处理。271铁 道 标 准 设 计第 67 卷(2)接触网构件库根据接触网的设计原则和构件分类,对数据内容进行分类和优化,通过对接触网系统的各部分进行分解,完成基本构件的管理。接触网主要由支柱、腕臂、附加悬挂、线索、下锚、设备等构件组成,为了在设计过程中对不同种类的构件进行统一管理调用,根据零件几何信息和非几何信息创建接触网构件模型,按照构件编码、构件材质、建模精度进行标准化分类管理。(3)接触网设计数据接触网设计需要与众多专业配合,以线路、站场、路基、桥梁、隧道、轨道等站前数据为基础,结合变电、通信、信号等站后专业信息开展设计工作23。为确保设计输入数据变更引起接触网三维设计模型的快速更新,创建接触网输入数据模型。该模型应符合开展接触网设计工作时与设计输入数据的对应关系,从而创建出接触网设计输入数据模型,作为开展接触网 BIM设计的依据。(4)接触网 BIM 模型的创建通过创建的接触网构件模型,结合设计输入数据模型,参考线位模型,生成沿线路布置的接触网模型,能够根据设计输入数据的变化,完成构件和设计输入数据之间的对应关系,更新设计模型。(5)模型的成果输出与应用根据完成的 BIM 模型,生成构件库、各设计单元接触网模型及工程数量,并对设计成果进行三维效果展示和设计方案对比。如图 3 所示,软件的主要功能包括项目管理、设计单元信息、工点信息、输入数据、构件库管理、接触网辅助设计、接触网模型信息、输出数据等模块。图 3 软件模块组成Fig.3 Software module composition2 软件实现方法在开展三维绘图前,项目负责人完成互提资料、设计原则的编写,在协同设计平台上完成设计和校审人员分配、图纸进度管理、文件目录的划分,然后开展项目接触网构件库的参数化设计,随后设计人员在此基础上开展接触网三维设计。2.1 多专业协同设计根据以上对接触网设计内容的分析,对 Project-Wise 软件进行二次开发搭建多专业协同设计平台。如图 4 所示,将平台结构分为项目管理、互提资料管理、设计文件管理、文件校审管理等功能。设计人员能够根据平台构件库和校审意见,更新设计输入,及时修改发布,完成图纸逐级校审。平台具备操作过程可追溯、文件版本留痕、多专业模型拼装等功能,实现多专业协同设计工作。图 4 协同设计平台Fig.4 Collaborative design platform2.2 构件库参数化设计根据构件的形体结构实现参数化建模,再结合设计流程、设计接口和设计规范,对软件进行二次开发,完成接触网设计的结构化管理和数据交互,实现基于数字驱动的接触网信息模型设计理念的表达。通过对支柱、腕臂、附加悬挂、线索、下锚、设备等接触网基本组成部分进行分解,在程序中分别对应支柱类、腕臂类、附加悬挂类、线索类、下锚类、设备类等。每个类包括该类的构成数据和构造方法。构成数据包括零部件的几何信息和非几何信息。非几何信息包括里程信息、锚段信息、安装图号信息等工程信息。通过Access 数据库进行存储,零部件存储在单元库中,进行统一管理。下文针对支柱、腕臂、补偿装置、软索式硬横跨等构件的管理进行研究。(1)支柱管理支柱构件由支柱类型、几何参数、工程数量、模型指向的 DGN 文件名和共享单元名称等内容构成。支柱类型包括横腹杆柱、格构式钢柱、H 型钢柱等。支柱管理界面如图 5 所示,以 H 型钢柱为例,根据指定的支柱横截面和支柱高度,法兰类型,构造拉伸体实现支柱模型的创建。H 型钢柱、隧道内吊柱、硬横梁吊柱、横腹杆柱、格构式钢柱创建的共享单元模型如图 6所示。(2)腕臂管理腕臂构件由管件、连接件的几何参数、计算结果以及相应的 DGN 文件和共享单元模型构成。根据安装图号、侧面限界、外轨超高、结构高度等参数生成腕臂模型,这些参数可以根据站前资料自动获取,也可手动371第 10 期伊金浩,张 毅,陈善乐,等基于 BIM 技术的接触网三维数字化设计软件研究图 5 支柱构件库管理界面Fig.5 Pillar component library management interface图 6 支柱共享单元库模型Fig.6 Pillar shared cell library model输入。腕臂构件库管理的界面如图 7 所示,按照铝合金腕臂、钢腕臂、简统化腕臂和弓形腕臂等进行分类,在右侧输入不同腕臂管件的零部件尺寸和装配尺寸规定,下方为实现腕臂预配计算所需的关键坐标和尺寸。如图 8 所示,为了实现腕臂计算结果设计和施工两个阶段的数据交互,以通用图 1302-I-04 腕臂为例,对腕臂管件尺寸和零部件安装位置进行尺寸标注,为工厂可视化加工提供条件。图 7 腕臂构件库管理界面Fig.7 Cantilever component library management interface(3)补偿装置管理根据下锚装置的外形,分为棘轮补偿、滑轮补偿和弹簧补偿下锚。下锚构件模型的创建需要考虑支柱下锚安装孔位置、腕臂定位装置坐标、下锚构件相应内部零件尺寸等几何参数。以棘轮补偿下锚为例,如图图 8 腕臂共享单元模型(单位:mm)Fig.8 Cantilever shared cell model(unit:mm)9 所示,将构件建模分为坠砣及限制架安装和下锚偏转角度计算,首先根据 H 型钢柱开孔确定坠砣绳和棘轮的连接点、坠砣的安装点、限制架及导管的安装位置,然后根据承锚框架的安装坐标及尺寸确定棘轮的安装点,再结合承力索悬挂点坐标运用旋转矩阵法计算棘轮偏转角度和下锚绳安装点及方向。如图 10 所示,在软件中按照补偿装置类型对下锚补偿装置进行管理,通过选择钢柱开孔文件,实现棘轮下锚的创建。添加到线路中的棘轮下锚补偿装置模型如图 11 所示。图 9 下锚构件建模流程Fig.9 Modeling process of anchoring components图 10 补偿装置构件库管理界面Fig.10Compensation device component library manage-ment interface(4)软索式硬横跨管理按照股道数对软索式硬横跨进行分类管理,如图12 所示,通过指定左右两侧支柱确定上下部定位绳的471铁 道 标 准 设 计第 67 卷图 11 棘轮补偿下锚共享单元模型Fig.11 Ratchet compensation anchor shared cell model悬挂点,选择梁确定吊索的悬挂点,选择轨顶高度确定定位装置的高度,指定节点类型确定软索式硬横跨节点。按照横跨的股道数量对软索式硬横跨模型进行管理,生成的 4 股道软索式硬横跨模型如图 13 所示。图 12 软索式硬横跨构件库管理界面Fig.12Portal structure with soft rope component library management interface图 13 软索式硬横跨共享单元模型Fig.13 Portal structure with soft rope shared cell model2.3 设计边界条件和专业数据协同接触网三维设计需要在站前资料的基础上进行24,比如线路专业平纵断面信息、站场专业股道信息、桥梁专业墩台里程信息、隧道专业隧道断面信息等。为了快速开展 BIM 设计,需要批量获取这些信息,以线路平纵断面信息和桥梁墩台里程信息获取为例,在软件中实现设计边界条件的获取。(1)线路平纵断面信息获取线路平纵断面信息通过读取线路专业提供的线位文件中包含的特征信息,如曲线起止里程、外轨超高、线路高程等信息,加载到软件的数据库文件中,如图14 所示。图 14 线路平纵断面信息获取Fig.14Obtaining of horizontal and vertical section informa-tion of the line(2)桥梁墩台里程信息获取桥梁墩台信息的获取采用链接桥梁文件的方式,通过对桥梁墩台的里程信息进行读取,得到支柱里程的参考值,如图 15 所示。图 15 桥梁墩台里程信息获取Fig.15 Obtaining of bridge pier mileage information2.4 接触网设计工点模型的创建(1)支柱布置根据跨距的布置规则,同时需要考虑线路、轨道、桥梁、隧道等各方面因素确定支柱的安装里程;根据线路走向及外轨超高,快速计算出支柱安装位置和基础位置的三维坐标。支柱安装位置三维坐标的计算过程如图 16 所示,首先将三维线路中心线向水平面投影,得到二维曲线,根据起点坐标和设计里程求出支柱在二维曲线上的安装点 p,然后从 p 垂直向上投影得到三维线路中心线上的点 p,计算曲线 p处的线路切线方向向量 T,进一步求出支柱绕 z 轴旋转的角度,则旋转变换为xyz=cos-sin0sincos0001 xyz =Mxyz (1)从而得到旋转矩阵 M,用旋转矩阵 M 对支柱进行三维变换,得到某个里程支柱安装位置及旋转角,最终完成全线支柱布置,如图 17 所示。(2)腕臂定位装置安装软件通过获取支柱里程,根据线路走向,外轨超高,程序自动计算出腕臂安装位置的三维坐标,完成全571第 10 期伊金浩,张 毅,陈善乐,等基于 BIM 技术的接触网三维数字化设计软件研究图 16 支柱安装位置计算过程Fig.16 Calculation process of pillar installation position图 17 支柱安装计算结果Fig.17 Calculation results of pillar installation线的腕臂定位装置安装,如图 18 所示。图 18 腕臂安装计算结果Fig.18 Calculation results of cantilever installation(3)接触悬挂和附加悬挂导线创建软件通过获取安装完成的腕臂和定位装置上承力索和接触线安装位置点的三维坐标,结合每个悬挂点所属的锚段信息,调用线索截面创建线索的沿路径拉伸体,得到接触悬挂模型,如图 19 所示。附加悬挂导线的创建方法与接触悬挂导线的创建方法相同,如图20 所示。图 19 接触悬挂导线模型Fig.19 Contact suspension wire model(4)二三维模型绑定在开展接触网三维设计时,为了同时设计接触网平面布置图,或者确保输入数据变更后二三维图的同步,需要将二维模型和三维模型进行关联。具体方法图 20 附加悬挂导线模型Fig.20 Additional suspension wire model为:开展设计时在 OpenRail Designer 软件中建立 De-fault-2D 和 Default-3D 两个视图,其中平面图在 2D视图中开展,三维模型在 3D 视图中开展;程序计算出三维模型支柱安装坐标,再向俯视方向投影得到每个二维支柱符号的基点坐标,以此为基准得到二维图中跨距、锚段信息标注点坐标和底栏信息插入点坐标;通过将支柱、支持装置、附加悬挂等工程内容(EC)属性信息和二维图的底栏信息进行绑定,更改 EC 属性信息即可实现二三维的同步修改,如图 21 所示。图 21 二三维模型绑定Fig.21 Binding of 2D and 3D models(5)构件属性挂接为了实现对工程信息的统一管理,对接触网各组成构件的非几何信息进行统一整理归类,最终将构件属性划分为参数信息、编码信息和工程信息三大类,如图 22 所示。2.5 成果输出(1)三维模型应用接触网模型建立完成后,进行模型数据格式转换,发布到基于 GIS 的三维协同设计平台沙盒中,如图23 所示,协同设计平台可以对数据进行轻量化处理、数字孪生功能预览、各专业模型信息查看、方案比选、场景漫游、构件属性查询、关键位置距离测量、碰撞检查等功能。与传统的二维平面图相比,更容易表达出各构件的空间位置关系25。发布的三维模型可以在今后进行设计辅助决策、设计方案比选、设计成果优化671铁 道 标 准 设 计第 67 卷图 22 构件属性Fig.22 Component properties等方面发挥 BIM 可视化、信息化的优势,为后续 BIM成果的进一步推广打下基础26。图 23 接触网 BIM 成果展示Fig.23 Display of OCS BIM design results(2)工程数量统计接触网 BIM 工程数量包括统计工程量的基本数据,例如锚段长度、基础数量、装配数量、支柱数量、接触网设备数量等。通过 Access 文件或者 Excel 文件录入统计工程数量所需的基本模型构件,程序通过解析构件模型,自动统计模型包含的全部子零件数量。工程数量采用编码加数量的方式进行输出,每一项工程数量对应唯一编码,实现工程数量与模型模板的关联,达到信息交付要求。利用工程数量窗口对统计有误的数据进行手动修改,对于没有具体实物的工程数量可以进行手动填写。工程数量填写完毕后,导出为工经专业标准格式的工程数量表格,以便下一步通过数据接口上传至工经投资计算系统软件中。(3)二维图纸生成根据支柱的里程信息以及支柱中心到线路中心距离,读取接触网二维图形符号库,在二维视图中自动绘制接触网平面图,并对跨距锚段信息、支柱编号、拉出值进行标注。读取三维建模计算出的接触网安装数据库对二维平面图底栏信息进行填充,接着加载图框单元,选取合适图框进行放置,加载工程信息对图框底栏进行填充,完成二维平面图的绘制。3 结论根据接触网专业设计流程,总结当前 BIM 设计中存在的问题,基于 OpenRail Designer 软件平台,利用接触网平面信息,结合相关接口专业信息,分析接触网BIM 设计流程,设计软件基本框架及主要功能,并开发相关软件。基于协同设计平台,分析接触网实现协同设计的方法,明确本专业对各专业协同工作的内容。采用参数化建模的方式,完成了接触网构件的参数化设计,并在软件中实现了构件的集中管理,避免了构件的重复建模,完善了接触网构件库。基于坐标和旋转矩阵方法,实现了支柱、支持装置、附加悬挂、下锚等接触网构件的安装,提高了接触网三维绘图效率。软件还实现了构件的属性挂接、工程数量和编码的对应、工程数量的格式化输出、二维图纸的生成以及 BIM 成果的数字化应用,有助于提升接触网专业的 BIM 建模质量和水平。接触网三维数字化设计软件提高了本专业 BIM建模的效率,但仍需在此基础上丰富完善专业接口功能,对接相关专业设计成果,实现全专业设计成果的联动修改,进一步提高设计效率,促进接触网专业模型在BIM 全生命周期中的应用。参考文献:1刘红良,王万齐,王辉麟,等.BIM 技术在高速铁路接触网工程中的应用研究J.铁路计算机应用,2019,28(6):54-58.LIU Hongliang,WANG Wanqi,WANG Huilin,et al.BIM Technolo-gy Applied to Catenary Engineering of High Speed RailwayJ.Rail-way Computer Application,2019,28(6):54-58.2 黄鑫,鲁小兵.BIM 技术在 400 km/h 高速铁路接触网工程中的应用J.高速铁路技术,2021,12(5):102-106.HUANG Xin,LU Xiaobing.Application of BIM Technology to Over-head Contact System of 400 km/h High-speed RailwayJ.High Speed Railway Technology,2021,12(5):102-106.3张永庆,秦阳,马健,等.BIM 技术在高铁站房施工中的综合应用J.铁路技术创新,2021(2):74-79.ZHANG Yongqing,QIN Yang,MA Jian,et al.Comprehensive Ap-plication of BIM Technology in Construction of High Speed 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