基于多导线的路基BIM模型联动更新方法.pdf

JOURNALOFRAILWAYENGINEERINGSOCIETY第8 期（总2 99）Aug3.2023NO.8(Ser.299)程道铁2023年8 月报学文章编号：1 0 0 6-2 1 0 6(2 0 2 3)0 8-0 0 40-0 4基于多导线的路基BIM模型联动更新方法张协崇米米（中铁第四勘察设计院集团有限公司，立武汉 43 0 0 6 3)摘要：研究目的：针对路基工程与地形地质强相关，构件多样化、离散化且空间关系复杂等特点，导致路基模型联动更新难，复杂工点BIM设计效率低、精度欠佳等难题，因此本文旨在研究一种适用于路基模型联动更新的方法。研究结论：（1）建立了路基BIM设计软件技术框架，提出了“基于多导线的路基BIM模型联动更新方法”，通过三维空间中多根有序的导线建立路基线构件间的联动更新机制；（2）基于MicroStation平台二次开发验证，该方法契合路基工程特点，实现了路基模型自动化的联动更新，极大提高了复杂工点BIM设计效率和精度；（3）本研究成果在长赣铁路项目中进行了验证与应用，满足BIM正向设计要求，可在铁路路基BIM设计中进行推广应用关键词：路基设计；多导线；联动更新；BIM中图分类号：U213.1文献标识码：ALinkage Update Method of Subgrade BIM Models Based on Multiple GuideLinesZHANG Xiechong(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.Ltd,Wuhan,Hubei 430063,China)Abstract:Research purposes:Subgrade engineering has the characteristics of strong correlation with topographic andgeologic conditions,various and discrete components and complex spatial relationships,which result in the difficulties ofhard linkage update of subgrade models,low efficiency and poor accuracy of BIM design for complex work points.Therefore,this paper aims to study a method suitable for subgrade model linkage update.Research conclusions:(1)Technology architecture of subgrade BIM design system is built,the linkage update methodof subgrade BIM models based on multiple guide lines is proposed,which builds linkage update mechanism with multipleordered guide lines in three-dimensional space.(2)Based on the secondary development and verification ofMicroStation plaform,the method fits the features of subgrade engineering,realizes automatic linkage update ofsubgrade models,and greatly improves efficiency and accuracy of complex work points BIM design.(3)The researchresults have been verified and applied on the Changsha-Ganzhou Railway,which meet the request of BIM forwarddesign,and can be promoted and applied in the BIM design of railway subgrade.Key words:subgrade design;multiple guide lines;linkage update;BIM1研究背景在高速铁路和数字化技术快速发展的推动下，我国已全面启动数字化、智能化高铁建设。受益于三维地理信息、人工智能、物联网等新技术的发展，铁路工程逐渐由传统二维设计向二三维一体化设计转变，这米收稿日期：2 0 2 3-0 4-2 1基金项目：国家重点研发计划资助（2 0 2 1 YFB2600404）；中国铁建股份有限公司科技重大专项（2 0 2 2 A02）*作者简介：张协崇，1 98 5年出生，男，高级工程师。张协崇：基于多导线的路基BIM模型联动更新方法第8 期41也是数字化设计的一个重要发展方向。铁路行业、公路行业多采用Civil3D或OpenRoadDesign等软件开展路基工程三维建模1-3 ，这些软件多采用“特征断面放样法”创建路基工程模型，先建立具备逻辑关系的横断面模板，再将其沿线路放样扫掠创建出路基填挖体、边坡防护、支挡结构、排水沟等路基工程模型。此方法无法满足路基三维正向设计的需要，体现在：第一,无法创建锚杆锚索、桩板墙等离散型模型;第二,复杂的路基工程，需要构建非常多的横断面模板,建模效率极低；第三，设计过程需要频繁交互修改并联动更新，此方法难以满足。针对路基工程与地形地质条件强相关，构件多样化、离散化，构件间关系复杂特点，引起路基数字化模型联动更新难的问题，本文建立了路基BIM设计软件技术框架，提出了“基于多导线的路基BIM模型联动更新方法”，通过三维空间中多根有序的导线建立路基构件间的联动更新机制，突破了复杂工点设计效率低、精度欠佳等技术瓶颈，实现精细化的路基三维设计。2路基BIM设计软件技术框架路基研发项目组结合历年来路基设计工程实例和经验积累，深人研究路基设计的需求，建立了由数据层、技术层、功能层组成的三维路基设计软件的技术框架（图1）。基于铁路BIM联盟系列标准，研究编制企业BIM数据标准，建立一套标准化的设计数据。基于Bentley的几何建模、扩展属性等基本技术,研究工程措施实体定义方法4 及路基工程参数化BIM正向设计技术；深入分析历年来铁路项目所积累的路基设计原则，研究基于地形、地质模型的路基方案自动确定和智能建模技术；研究路基各种构件间空间关系与联动更新机制,探索复杂路基的精细化设计技术。以数据层、技术层为支撑，研发路基结构检算、三维建模与设计、数量计算与二维出图等功能,实现便捷的三维路基正向设计。路基BIM设计软件功能层路基结构路基本体设计地基处理设计数量计算其他成果检算分析边坡设计支挡设计排水设计二维图纸生成技术层工程措施实体设计原则基于多导线定义方法驱动建模联动更新数据层铁路BIM联盟标准化的路基企业BIM数据标准系列标准构件数据图1路基BIM设计软件技术框架本文将重点介绍技术框架的关键技术之一基于多导线的路基BIM模型联动更新方法（以下简称“多导线方法”）。3定义与性质多导线方法中涉及线路（路线）、点构件、线构件、导线、多导线等概念。线路（路线）：指铁路线路、公路路线等线性工程的路线。它是路基工程的里程系统，也是路基工程构件的里程定位系统。单体构件：以局部直角坐标系为基准构建自身三维模型的构件，简称为点构件。线分布构件：以一根导线为基准线，构建自身三维模型的构件，简称为线构件。这根导线称之为该线构件的父导线。线构件关键属性：一是是否输出控制点，是则会影响下一根导线，否则不影响；二是里程范围，是按线路（路线）里程系统表达的构件形体范围，比如：DK1+510 DK1+830。线构件可分为两种类型：一种是通过断面轮廓的放样扫掠构建几何体，如图2 所示重力式挡墙，是通过一系列的挡墙截面（示例中为四边形），放样扫掠构建成重力式挡墙；另一种线构件是由一组点构件组成,这组点构件沿导线按序分布，这些点构件称为该线构件的子构件，如图3 中桩基挡墙（线构件），由8 节单节桩基挡墙（点构件，图中编号）组成。(a)线框视图(b）实体视图图2重力式挡墙6图3桩基挡墙2023年8 月程报道铁学42导线：空间多段线，可为线构件的三维模型构建提供基准。导线可以包含零至多个构件。导线序号为i，称为第i根导线，第i根导线所包含的线构件称为第i组线构件。第i组线构件间可以是非连续的。第i组线构件中输出控制点的线构件里程范围不可重叠。多导线：由多根有序的、动态变化的导线组成，是构件的定位与控制系统，为路基工程一侧空间内的一系列构件提供建模的基准和联动更新机制。有序是指多根导线间存在着前后的驱动关系。动态变化是指各导线的根数与形态会随着系统中的构件而动态变化。4联动更新机制路基工程两侧分别具备一套多导线，左侧多导线由左1、左2、左1 0 组成，右侧多导线由右1,右2，右1 0 组成，如图4所示。多导线联动更新机制：第一，首根导线为路基的路肩线，由线路专业提供的路基面数据确定。第二，第i根导线作为第i组线构件的建模基准线，每个线构件建模完成时可输出控制点。第三,第i组含有输出控制点的线构件,第i+1根导线的几何形态，在第i组输出控制点的线构件里程范围内，按其控制点控制，在线构件里程范围外与第i根导线形态相同。第四，第i组不含输出控制点的线构件，第i+1根导线暂无意义称之为虚拟状态，可在第i组导线基础上向外侧平移一段距离，以示意表达。第五，以此类推，从内至外逐根导线完成定线和所含线构件的建模。不管是新建、编辑、删除构件，都将按照上述的联动更新机制控制导线与线构件的建模。左左左左左左左左左左左左左左左左左左左左098765432-左2-2左3-1左2-3左2-3左2 一2左2左左1-1左1-2左1-3左左1-2左1-42左1-31右右右右右右右右右右12m4567890右右右右右右右右右右右1-1右1-1右2-1右2-1右3-1右3-1(a）编辑、删除构件前（b）编辑、删除构件并联动更新后图4多导线及构件平面示意图下面以编辑和删除构件举例说明。当前多导线及构件的形态及平面位置如图4(a)所示，在此基础上，设计人员删除左1-1 构件，并修改左1-2 构件。经此编辑操作后,将引起联动更新：第一步,左1 1 构件的删除与左1 2 构件的修改引起左2 导线的更新变化;第二步,左2 导线的更新变化，将引起左2 1、左2-2、左2-3、左2-4、左2-5的更新,此例中左2 导线变化的范围，涉及左2-1、左2-2、左2-3,故这三个构件有更新变化，而左2-4、左2 5未变化；第三步,左2-1、左2-2、左2-3 的更新变化，继续引起左3 导线的更新变化；第四步，左3 导线的更新变化，继续引起左3 1 的更新变化；第五步，左3-1 的更新变化，继续引起左4导线的更新变化；第六步，以此类推，左5 左1 0 导线也随着更新变化。5配套方法以多导线方法为核心，可外延形成构件衔接、数量计算和二维出图等相关的配套方法。构件衔接是指路基工程两侧的排水、边坡、支挡等构件之间进行过渡衔接的建模和设计。在传统的路基二维设计中，很少涉及该问题，多是在配施阶段解决。BIM设计成果比二维设计更精细化，势必需要解决构件衔接的问题。基于多导线，构件衔接的处理方法大体可以分为两类：一是第i根导线与第i+1根导线足以为衔接构件提供足够的定位功能，那么可定义不同类型的衔接零件用于不同构件间的衔接；二是需要在第i根导线上引出分支子导线，子导线由设计师交互绘制形成，线构件可选择性的由第i根导线及其分支子导线共同控制构建模型完成衔接。图5所示即为分支子导线用于侧沟、天沟、排水沟衔接。路基建模现有模式常是从二维图纸翻模，常存在模型与图纸、数量不一致的问题，即使由模型剖切生成二维图纸与路基工程数量，也难以满足需求，比如当横断面剖切至桩板墙、锚杆锚索等离散型构件的空档位置时，无法正确生成横断面，再比如支挡结构的正面图梅志山）（编辑张协崇：基于多导线的路基BIM模型联动更新方法第8 期43排水未衔接好按第2 根子导线更新侧沟图5排水衔接是沿线路的投影图，现有软件更是无法生成。基于多导线的路基模型，各构件模型中都存有标准化的设计数据（以扩展数据形式存储5），保证了数模一致。数量计算时，通过多导线遍历各构件，以构件为单位获取数据进行数量计算，再根据标准的数量清单模板，生成路基工程数量表。生成二维图纸时，也通过多导线遍历各构件，以构件为单位获取数据计算构件二维形状，再由多导线组织，串联各构件二维形状，从而形成路基横断面图等。6研发实践项目组基于分层的软件技术框架，使用多导线方法，在BentleyMicroStation平台二次开发，历经2 年研发实践，形成路基BIM正向设计软件，设计流程如图6所示。软件可用于常规、复杂路基工程的BIM设计以及工程数量计算与生成横断面图，大大提高了路基BIM设计的效率与质量。智能详细建模设计横断面图地形、地质、线路模型设计原则路基方案模型数量详细设计模型路基结构检算图6路基BIM正向设计流程图（截图）以某路桥接口工程举例（图7）：采用Autodesk的Civil3D或Bentley的OpenRoadDesign等商业软件的方法创建该模型，需要6 8 h，再次修改模型非常耗时；采用本文方法研发的软件创建该模型仅需1 h，并支持快速地编辑修改。图7复杂的路桥接口工程7结论针对路基工程与地形地质强相关，构件多样化、离散化且空间关系复杂等特点，导致路基模型联动更新难，复杂工点BIM设计效率低、精度欠佳等难题，提出了“基于多导线的路基BIM模型联动更新方法”，通过三维空间中多根有序的导线建立路基构件间的联动更新机制。基于MicroStation平台二次开发验证，该方法契合路基工程特点，突破了复杂工点设计效率低、精度欠佳等技术瓶颈，实现了精细化的路基BIM正向设计。该研发成果在长赣铁路项目中进行了验证与应用，满足BIM正向设计要求，可在铁路路基BIM设计中进行推广应用。参考文献：1靳猛.基于BIM技术的铁路路基设计应用研究J.铁路技术创新,2 0 2 0(4）：3 9-42.Jin Meng.Research on Application of RailwaySubgrade Design Based on BIM Technology J.Railway Technical Innovation,2020(4):39-42.2薛宇腾，黄新文.基于BIM的铁路路基三维建模方法研究J.铁道勘察,2 0 2 0(1)：1 2 3-1 2 6.Xue Yuteng,Huang Xinwen.Research on Three-Dimensional Modeling Methods of Railway SubgradeBased on BIM J.Railway Investigation and Surveying,2020(1):123 126.3卡友艳.BIM技术在沪通铁路站场路基设计中的应用研究J.铁道标准设计，2 0 2 0（9）：6-9.Bian Youyan.Research on BIM Technology for StationSubgrade Project of Shanghai-Nantong Railway J.Railway Standard Design,2020(9):6-9.4张协崇.基于MicroStation的工程措施实体定义及管理方法J.铁路技术创新,2 0 2 1（5）：1 0-1 5.Zhang Xiechong.MicroStation-based Definition andManagement of Engineering Objects and Methods J.Railway Technical Innovation,2021(5):10-15.