基于Bentley平台的铁路桥台参数化BIM协同建模与二次开发应用.pdf

收稿日期:20230527;修回日期:20230608基金项目:中国中铁股份有限公司科技开发计划项目(实用技术-2021-重点-01);中铁工程设计咨询集团有限公司科技开发课题(BIM-研 2021-1,数字-研 2022-2)作者简介:段盟君(1993),男,工程师,2021 年毕业于西南交通大学土木工程专业,工学硕士,主要从事桥梁设计研究工作,E-mail:mengjun_duan 。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)10014107基于 Bentley 平台的铁路桥台参数化 BIM 协同建模与二次开发应用段盟君1,罗天靖1,李 辉1,金 令1,李 伟2,韩广晖1(1.中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055;2.高速铁路建造技术国家工程研究中心,长沙 410075)摘 要:BIM 技术的研究应用在铁路工程领域快速发展,但目前主流的 BIM 软件平台无法为各个铁路相关专业提供专业化、定制化的应用,大量 BIM 模型需要设计者手动创建,模型精度和建模效率难以保证。为解决 BIM 软件中桥台构造复杂、手工建模困难繁琐问题,针对铁路桥台参数化 BIM 设计与快速精准建模开展研究。基于 Bentley 软件平台,从铁路桥梁专业的角度,针对桥台 BIM 建模功能进行了二次开发,研发了一款创建铁路桥台参数化 BIM 模型的程序,取得如下主要成果。(1)实现了桥台参数化截面模板、桥台实体结构的参数化设计和 BIM 模型的快速创建,包括:矩形桥台、T 形桥台、空心桥台、桥台两侧锥坡、桥台基础等结构。(2)实现了符合常规设计习惯的软件操作界面,包括:桥台库设计界面、桥台工点设计界面,搭建了桥台构件库,方便模型成果分类管理,提高模型复用率。(3)基于多专业协同设计平台生成 BIM 模型,实现了多专业模型设计信息的高效传递和利用,可导入三维实景平台,直观展示周边环境与工程模型之间的关系,对设计方案进行三维可视化检查分析。该研发成果已在多个铁路项目中进行了实际应用,完成了成达万铁路中 9 座中桥、15 座大桥、4 座特大桥的高效 BIM 建模和便捷协同设计,辅助桥梁工点 BIM 模型的快速创建,解决多个桥梁工点与其他专业的衔接问题,有效减少了差错漏碰,降低了工程风险。关键词:铁路桥台;信息模型;设计软件;二次开发;BIM 协同设计;Bentley 平台中图分类号:U24;U448.13;U443.21 文献标识码:A DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.202305270001Parametric BIM Modeling and Secondary Development and Application of Railway Abutment Based on Bentley PlatformDUAN Mengjun1,LUO Tianjing1,LI Hui1,JIN Ling1,LI Wei2,HAN Guanghui1(1.China Railway Engineering Design and Consulting Group Co.,Ltd.,Beijing 100055,China;2.National Engineering Research Center of High-speed Railway Construction Technology,Changsha 410075,China)Abstract:The research and application of BIM technology are developing rapidly in the field of railroad engineering,but the current mainstream BIM software platform cannot provide specialized and customized applications for each railway-related profession,and a large number of BIM models need to be created manually by designers,which makes it difficult to guarantee the model accuracy and modeling efficiency.In order to solve the problem of complicated structure of bridge abutment in BIM software and difficult and tedious manual modeling,researches are carried out for parametric BIM design and fast and accurate modeling of railroad bridge abutment.Based on Bentley software platform,a program for creating parametric BIM models of railroad bridge abutments is developed from the perspective of railroad bridge professionals for the secondary development of the abutment BIM modeling function.It is concluded that(1)The parametric section template of the abutment,the parametric design of the solid structure of the abutment and the rapid creation of the BIM model are realized,including rectangular abutment,T-shaped abutment,hollow abutment,tapered slope on both sides of the abutment,abutment foundation and other structures.(2)The software operation interface in line with the conventional design habits is implemented,including the design interface of bridge abutment library and the design interface of abutment project.The abutment component library is built to facilitate the classification management of the model results and improve models reuse rate.(3)The BIM model generated based on multi-professional collaborative design platform realizes efficient transfer and utilization of multi-professional model design information,which can be imported into the 3D real-world platform to visually display the relationship between the surrounding environment and the engineering model,and conduct 3D visual inspection and analysis of the design scheme.Key words:railway abutment;information model;design software;secondary development;BIM collaborative design;Bentley Platform引言BIM 技术基于三维智能数字化模型,能够搭建完整的项目数据库,促进各专业间的协同工作,优化项目总体规划进度,加深对项目全生命周期经济数据的掌握1。目前,国内诸多干线铁路如:京沈、京张2-3、京雄高铁等线路作为试点项目,在 BIM 技术设计和施工领域取得了一定进展4。中国铁路 BIM 联盟成立后,在铁路 BIM 基础标准的制定方面开展了大量研究,先后制定和颁布了铁路工程信息模型分类与编码标准铁路工程信息模型交付精度标准等 13 项铁路行业 BIM 标准,使铁路工程信息模型在建设、传递和使用过程中有据可依5。铁路工程设计成果将逐步由传统的纸质文档向信息化的模型文件过渡,BIM 技术在铁路工程设计中所占比例将越来越高6。铁路工程是一个庞大的系统性工程,相较于传统的建筑工程,铁路工程具有体量大、线路长、专业多、地形地质复杂的特点7,对 BIM 技术的要求也更高8。目前的主流 BIM 软件平台无论是 Autodesk、Bentley 还是达索系统,均只提供一个基础的软件平台,如同二维设计时的 AutoCAD 软件,大量 BIM 模型需要设计者手动进行创建,模型精度和建模效率难以保证9。如要在 BIM 软件平台上准确、高效、便捷地进行专业设计,还需对平台软件进行大量有针对性的二次开发10。由于 Bentley 平台在大体量、长带状模型的支持能力强、协同管理能力强、对铁路各专业设计支持较好,符合铁路设计习惯11-12,本次研究选用 Bentley 平台的 OpenRail Designer 软件进行二次开发,详细介绍一种铁路桥台的参数化建模方法,可为铁路工程的相关领域研究提供参考。1 参数化研发框架参数化设计是 BIM 建模的重要手段,主要包括结构尺寸的参数化和模型定位的参数化。参数化构件的基本原理是:首先实现二维轮廓的参数化,即创建参数化截面模板,再通过扫描、放样、拉伸模板等方法形成参数化构件,最后由构件通过组合、并交差、排列、变换等操作形成复杂构件集合或组件13。参数化将工程特征化信息和三维模型绑定,既可通过三维模型迅速找到工程对象的所有信息14,又可根据其特征信息实时修改三维模型,并通过三维模型在工程全生命周期中传递相关信息15。相较于传统二维辅助设计,BIM 设计体现了从以图纸为中心转移到以信息模型为核心的设计理念16-17,同时 BIM 设计也应符合传统的设计习惯和设计流程,更好地体现出 BIM 设计过程中的可视化、关联化,从而提高设计质量与效率18。基于 OpenRail Designer 提供的二次开发环境,通过在创建的自定义实体模型上,附加层次链接关系的方法,建立不同构件之间的隶属关系,智能感知关联对象的改变,并对此改变做出响应等功能。桥台参数化BIM 建模二次开发的整体研发框架如图 1 所示。OpenRail Designer 软件中自定义实体的参数可以通过 EC 属性来定义。EC Schema 可以理解为自定义实体数据库系统的表结构集合,实体每项参数都以对应 EC 属性的形式储存在实体元素的数据库中,设计者通过构件的信息面板修改某项参数,使对应的 EC属性发生变化,刷新实体模型,如图 2 所示。2 创建参数化桥台桥台参数主要包含基本信息、位置信息、台尾尺寸信息、前墙尺寸信息以及锥坡尺寸信息等。参数化桥台包括:参数化截面、桥台实体、桥台基础等。2.1 桥台参数化截面设计创建参数化截面基于 CIM TEMPLATE 功能,它是一个模板库管理工具,允许通过编程和可视化的方式来管理预置模板库。创建参数化的模板,主要通过设置约束和参数绑定实现,基本约束有:水平、竖直、坡241铁 道 标 准 设 计第 67 卷图 1 铁路桥台参数化 BIM 建模研发框架Fig.1 Railway abutment parametric BIM modeling development framework图 2 参数化桥台建模Fig.2 Parametric abutment modeling度、偏移、角度、距离、倒角等。参考“通桥(2018)4321”“专桥(2016)4131”等桥台通用参考图,在满足常见桥台设计思路和设计习惯的基础上,总结出以下桥台的参数化截面模板,如图3 所示。图 3 桥台参数化截面模板Fig.3 Parametric section template of abutment与梁和墩实体可采用单截面拉伸建模不同,桥台在台尾和前墙交接处有明显的截面变化,无法通过单一截面拉伸进行建模,所以需要分别建立台尾和前墙的参数化截面模板。以上述参数化截面为模板,桥台建模可以实现台高、台底宽、顶板、翼缘、前墙、托盘、顶帽等结构尺寸的多种变化形式,满足不同类型桥台的设计需求。2.2 创建桥台实体常见铁路桥台的共性结构包括:台尾、前墙、锥体,不同类型的桥台具有各自的特性结构,如空心台具有挖空部分、T 形台具有底部拓宽等。2.2.1 创建台尾实体台尾实体可以通过沿线路拉伸参数化模板的方式直接创建。根据设计习惯,设计台高一般指台背处路肩线至地面线的距离,但台尾的实际高度为台顶至台底的距离,所以在创建台尾实体时,模板的起始高度应为台顶至路肩距离+设计台高+入土深,终止高度为起始高度+线路高程差。设计者在操作界面输入设计台高和入土深两个参数,即可自动计算得出台尾的起始高度,终点高度通过读取线路高程差自动计算得出,在保留设计习惯的同时,保证建模的精度。桥台主体建模流程如图 4 所示。图 4 桥台主体建模流程Fig.4 Abutments body modeling process2.2.2 创建前墙实体前墙实体建模同样采用参数化模板拉伸的方法,但由于前墙存在托盘和顶帽等构造,不能直接通过沿线路方向直接拉伸的方法创建。所以前墙建模采用底面为模板拉伸,再通过平移和旋转到设计位置的方法创建,如图 5 所示。2.2.3 创建桥台锥坡根据锥坡和桥台的相对关系,以及锥坡尺寸计算得出控制点的三维坐标,由控制点生成控制面,再通过控制面之间放样创建锥坡,如果有多级锥坡,则根据各级锥坡的参数重复上述步骤。341第 10 期段盟君,罗天靖,李 辉,等基于 Bentley 平台的铁路桥台参数化 BIM 协同建模与二次开发应用图 5 前墙建模流程Fig.5 Abutments front wall modeling process锥坡的参数分别考虑了左、右侧锥坡的顶长、顶宽、各级锥坡的纵向坡率、横向坡率、高度、检查平台宽度等,设计者通过属性面板调整是否存在锥坡、单侧锥坡、双侧锥坡、一级或二级锥坡以及各项尺寸信息,实现锥坡的多样化、精准化建模,如图 6 所示。图 6 桥台锥坡建模Fig.6 Abutments cone slope modeling需要注意的是,台前锥坡(两侧锥坡之间的填充形状)不是固定的,需要根据锥坡纵向的底长和桥台长度的相对关系确定。(1)若只有一级锥坡,且锥坡底长小于桥台长,则不存在台前锥坡。(2)若只有一级锥坡,且锥坡底长大于桥台长,则存在三棱柱型台前锥坡。(3)若有二级锥坡,且锥坡底长大于桥台长,则存在五棱柱型台前锥坡。以上台前锥坡的形状判断和尺寸计算,都包含在锥坡建模的算法内,只需输入锥坡的结构参数,即可自动计算坐标,生成模型。在实际项目中,与桥台对接的路基模型可能存在两侧放坡不对称的情况,即左、右侧坡率不同。基于此项需求,对桥台锥坡建模代码进行优化,实现了左、右侧锥坡非对称建模,适应多种路基坡度变化情况,如图7 所示。图 7 不对称锥坡建模Fig.7 Asymmetry cone slope modeling锥坡建模不依赖于模板拉伸,而是靠坐标计算创建,且每个参数都预留了 EC 属性与之对应。锥坡的参数可通过构件的属性信息面板进行实时调整,程序会根据输入的尺寸信息刷新模型,对修改结果进行及时反馈,设计者根据模型显示的结果决定是否需要进一步调整。当桥台背靠复杂地形,对放坡有较高要求时,这种可视化程度高,反馈及时的建模方式可以提高生产效率,减少差错漏碰,如图 8 所示。图 8 锥坡参数及模型显示Fig.8 Cone slopes parameters and model display2.2.4 创建空心桥台空心桥台是一种常见的桥台类型,在台尾中部、前墙上部存在挖空部分。若为空心桥台,在台尾创建完成后,程序会根据空心尺寸计算控制点坐标,进行挖空部分的实体创建,再通过调用布尔运算求差集的方式,将挖空部分从台尾实体中扣除,即可得到空心桥台。设计者只需将桥台类型设置为空心桥台,填入空心部分的尺寸,即可生成对应的空心桥台模型,如图 9所示。图 9 空心桥台建模Fig.9 Hollow abutment modeling2.2.5 创建 T 形桥台T 形桥台是一种常见的桥台类型,构造特点在于台尾窄、前墙宽,整体为 T 形,且当 T 形桥台土设计高度大于 6 m 时,台尾底部需进行 1 m 高的底部拓宽,拓宽大小与前墙底部宽度相同。若为 T 形桥台,在台尾创建完成后,程序会根据台尾的高度和宽度,判断是否需要进行底部拓宽,拓宽坐标为自动计算,无需额外输入参数。两侧拓宽部分创建完成后,通过布尔运算求并集的方法,使其与桥台主体形成一个整体。设计者只需将桥台类型设置为 T 形桥台,填入台高和入土441铁 道 标 准 设 计第 67 卷深,即可生成对应的 T 形桥台模型,如图 10 所示。图 10 T 形桥建模Fig.10 T-shaped abutment modeling2.2.6 创建桥台基础桥台基础建模采用参数化模板拉伸的方法。由于桥台基础的中心里程和桥台的布跨里程之间存在偏距,需要对基础建模的基准点进行偏移。偏移分为水平偏移和竖向偏移,水平偏移由承台尺寸和边襟宽共同决定,竖向偏移为基础中心处对应的桥台高度。经过偏移修正后,桥台基础建模能够达到实际设计需求,具有较高的建模精度,如图 11 所示。图 11 桥台基础建模Fig.11 Abutments foundation modeling2.3 桥台库和桥台工点界面设计操作界面的主要作用是实现数据的可视化输入,使设计者能够通过符合设计习惯的操作流程,进行桥台建模,降低软件的使用难度。在保证输入数据和实现功能的完整性基础上,桥台库和桥台工点界面应符合常规的设计习惯,尽量追求简洁和高效。2.3.1 桥台库界面桥台 BIM 模型储存在桥台库文件中,桥台库根据桥台设计的适用条件和基本信息,对模型进行分类,以规范的格式对所有模型进行归类和管理,方便模型维护,提高模型的复用率。桥台库界面包括:总界面、基本信息界面、主体参数界面和锥坡参数界面。桥台库总界面具备的功能包括:模型的增、删、改、查,模型预览,库文件的导入和导出,模型的分类管理等,如图 12 所示。图 12 桥台库总界面Fig.12 UI of abutment library桥台的基本信息界面包括:线路种类、线路数量、设计时速、地震等级、桥台类型、桥台高度范围、模型名称等适用条件,以及参数化截面预览,分别对应桥台库总界面中的分类信息,如图 13 所示。图 13 桥台基本信息界面Fig.13 UI of abutments information桥台主体参数界面包含了台尾和前墙建模所需的各项参数,设计者可通过示意图,方便快捷地进行桥台设计。新建模型时,系统会根据通用图的数据,自动初始化各项参数并显示,便于参考;修改桥台库中已有的模型时,系统会读取该模型的各项参数并显示,便于修改,如图 14 所示。图 14 桥台主体参数界面Fig.14 UI of abutments body parameters桥台的锥体参数界面列出了部分锥体参数,利于桥台库的标准化。更多锥体的特殊构造,可通过构件属性面板进行细节调整,如图 15 所示。图 15 锥坡参数界面Fig.15 UI of cone slopes parameters541第 10 期段盟君,罗天靖,李 辉,等基于 Bentley 平台的铁路桥台参数化 BIM 协同建模与二次开发应用2.3.2 桥台工点界面在实际的桥梁工点建模中,设计者可通过三维协同设计平台,获取其他专业共享模型提供的协同交互信息19-20,如线路三维模型的平纵曲线要素、地质三维模型的钻孔信息和环境信息、路基三维模型的边坡信息和支挡信息等,并以此为基础进行桥梁专业的工点设计,确定布跨方案和梁、墩、台、基础的结构形式21-22,具体到桥台工点设计,设计者通过加载桥台库和基础库文件,快速创建 BIM 模型。如果当前工点文件中已存在桥台模型,则会自动显示当前桥台的信息,如果没有桥台,则需要选择库文件中的模型,修改设计台高、入土深等必要的设计参数,即可在线路三维模型的桥台布跨里程上生成对应的桥台和基础模型,如图16 所示。图 16 桥台工点设计界面Fig.16 UI of abutment project site design3 工程应用实例铁路桥台参数化 BIM 设计研发内容是铁路三维协同设计平台的一个重要组成部分,研发成果已经在多个铁路工程项目的 BIM 建模工作中得到充分应用,包括兴保铁路、成达万高铁、通苏嘉甬铁路、如通苏湖铁路等项目。通过使用本次研发成果,完成了 9 座中桥、15 座大桥、4 座特大桥的高效建模和便捷协同设计,解决多处桥台与路基、地质模型衔接不合理或不匹配问题,有效减少了差错漏碰,起到了提质增效的作用。在实际使用过程中,研发成果得到进一步完善,验证了该软件在 BIM 设计中的可行性、准确性和高效性。桥梁工点建模实例如图 17、图 18 所示。桥梁工点 BIM 模型通过协同平台共享,统一导入三维实景平台23,融合电子沙盘系统,在 BIM 模型的基础上,利用基于 GIS 技术的多源数据融合平台24,辅以实景模型和既有环境模型,可直观展示环境与工程模型的融合、空间的布局、周边既有物体与工程模型之间的关系,对工程所处的环境进行分析,对方案优化,设计验证,成果展示等具有重要意义25-26,如图19 所示。图 17 成达万高铁某水库大桥工点 BIM 模型Fig.17BIM model of Chengdu-Dazhou-Wanzhou High Speed Railway图 18 兴保铁路某桥工点 BIM 模型Fig.18 BIM model of Xing County-Baode County Railway图 19 成达万高铁某桥台工点三维实景模型Fig.19BIM+GIS model of Chengdu-Dazhou-Wanzhou High Speed Railway4 结语基于 Bentley 软件平台,从铁路桥梁专业的角度,结合实际生产需求,针对桥台 BIM 建模功能进行了二次开发,研发了一款铁路桥台参数化协同设计程序,可用于铁路桥台的 BIM 正向设计以及模型的快速布设。提出了一种铁路桥台参数化 BIM 建模的思路和方法,包括参数化截面模板、参数化桥台实体和基础、不同种类桥台相同构件与特性构件的建模细节、参数化库管理设计等内容。实现了铁路桥台的参数化 BIM设计和建模,包括矩形桥台、T 形桥台、空心桥台、两侧锥坡、桥台基础等结构。桥台 BIM 模型借助多专业协同设计平台,实现BIM 模型的设计信息高效传递和利用,也可导入三维实景平台,对设计成果进行浏览和发布。该模式已在多个铁路项目中进行了实际应用,取得了良好的效果。641铁 道 标 准 设 计第 67 卷数字化技术的应用,不仅升级了各专业自身的设计手段,更拓展和深化了各专业间的协作模式,逐步实现更加智能的多专业融合设计建造模式。可为铁路设计中的桥台 BIM 建模及三维协同设计平台建设提供参考。参考文献:1 BENSALAH M,ELOUADI A,MHARZI H.Overview:the opportu-nity of BIM in railwayJ.Smart and Sustainable Built 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