基于三维协同的铁路框架箱涵正向设计研究与应用

罗天靖，金 令，简方梁，段盟君，王 开，韩广晖，宋 浩

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

引言

在铁路领域,针对基于协同工作BIM技术的深度应用是近年来的研究热点[1-2],而在铁路桥梁及铁路涵洞设计阶段的相关研究仍处于探索阶段[3-4]。利用BIM技术可包含丰富的自定义结构化数据的特性,李琬荻研究了路基与涵洞结构接口之间的BIM设计优化[5];韩广晖等研究了BIM在铁路桥梁中的应用与实现[6-9];王庆贺等研究了BIM与云+物联网技术在桥梁全生命周期中的应用[10];孟鹤等从人员与研发条件、数据关联图形渲染、平台拓展和应用多个角度研究了铁路中BIM自主技术的进展[11];何守旺针对铁路设计中的共性问题,研究了线路空间位置API库与通用函数库[12];齐成龙基于达索系研究了基于骨架线思路的铁路涵洞方法[13];凌峰等基于Revit构件体量族对涵洞构件进行建模并嵌套了关联参数[14];石鲁宁、卞友艳、张兴华等基于不同平台依照相关规范对铁路涵洞构件进行细颗粒度编码,并建立涵洞构件参数化模型库,将各构件装配为三维模型,实现了一体化设计[15-17];崔振宇通过二次开发,基于三维可视化人机交互技术快速创建涵洞BIM模型并生成图纸[18];刘彦明等基于二、三数据同源正向设计模式,进行桥梁构件、涵洞构件与钢筋的三维建模与图纸绘制[19]。

以往的研究内容主要集中于铁路桥梁工点的BIM设计与协同研究,或者是针对涵洞构件本身使用各种平台或软件进行建模、出图等正向设计进行研究。从项目总体管理角度,针对关联专业的协同信息处理,以及在不同实际环境条件下,实现高效交互创建模型,应用协同设计方法进行正向设计开展研究。因此,结合铁路桥梁协同设计信息数字化交互方法[20],对涵洞构件三维实时建模、多维数据协同与涵洞工点的管理形式开展研究,解决各专业间信息传递和利用不便问题,实现涵洞模型信息的高效获取利用,对提高铁路项目信息化管理、三维正向设计水平具有重要的现实意义。

1 箱形涵洞构件参数化三维设计

为了实现涵洞参数化设计,需要根据涵洞各构件几何形状创建涵洞参数化构件,主要包括涵节、涵洞基础、翼墙、翼墙基础、出入口、出入口垫层、帽石、锥体、泄床等构件。根据铁路涵洞二维图纸信息确定涵洞几何轮廓完整表达的独立参数,以及可以用独立参数表达的中间参数,根据独立参数和中间参数确定涵洞各构件布置原则信息,该条的关键技术是寻求一组唯一且完整的独立参数来表达涵洞各构件尺寸信息及构件间相互约束信息。

对于一个完整的涵洞工点,除包含三维结构实体几何信息以外,还包含工点信息、环境信息、水文信息、里程信息等非几何信息。因此将涵洞工点分解为几个主体(图1)进行分别建模:(1)涵洞工点虚拟单元(线单元),用于存储非几何信息与通用几何信息,如斜交角、填土厚度、里程位置等内容;(2)涵洞涵节与基础;(3)出入口与翼墙基础;(4)翼墙、扶手;(5)锥体;(6)T形泄床。

图1 涵洞工点分解示意Fig.1 Culvert worksite decomposition

1.1 涵洞工点虚拟管理单元

涵洞工点虚拟管理单元(线单元)主要用于存储涵洞工点的公用信息与非几何信息,并且对整个工点进行管理。由于BIM中所有信息都需要挂接在图形图元上,使用显示效果干扰最小的线单元进行展示,位置为涵洞中心轴线处,长度为各涵节长度的总和。斜交涵洞的特点是与线路相交角度为θ,即涵洞与线路非垂直成斜交时,涵洞尺寸在垂直距离上不变,沿线路方向的长度均除以cosθ,使涵洞从垂直状态的长方条形结构拉伸为平行四边形结构,空间拓扑关系不发生变化,如涵洞腹板宽、箱室宽、出入口宽等,如图2、图3所示。

图2 同一涵洞不同斜交角度三维模型对比Fig.2 Same structure culvert with different angles

图3 同一涵洞不同斜交角度三维模型对比(增加路基)Fig.3 Same structure culvert with different angles (under subgrage)

1.2 涵节参数化建模

涵洞涵节与基础以涵洞轴线路径拉伸形成,可通过“构建截面+路径拉伸”方式,调整结构的尺寸参数,计算出实际的涵洞涵节截面尺寸,并调整与线路的斜交角,沿不同方向拉伸形成涵洞涵节实体,如图4～图6所示。

图4 涵洞涵节三维模型Fig.4 Culvert segment 3D model

图5 不同斜交角涵洞涵节三维模型Fig.5 Culvert segment 3D model with different angles

图6 涵洞涵节截面独立参数Fig.6 Culvert segment individual parameters

1.3 出入口与翼墙参数化设计

涵洞出入口与翼墙基础以竖向路径拉伸形成,可通过“构建截面+路径拉伸”方式,调整构件的构造参数,组合涵洞与线路的斜交角θ,计算出实际的入口基础、左右翼墙基础截面尺寸。沿竖向拉伸形成涵洞出入口基础、左右翼墙基础实体。将这些构件沿涵洞中心对称旋转180°即可得到另一侧的三维实体,如图7～图9所示。

图7 出入口与翼墙基础三维模型Fig.7 Culvert entrance and wingwall basement 3D model

图8 同一出入口与翼墙基础不同斜交角度对比Fig.8 Culvert entrance and wingwall basement with different angles

图9 出入口与翼墙基础独立参数示意Fig.9 Culvert entrance and wingwall basement individual parameters

1.4 翼墙与扶手参数化设计

翼墙与扶手构造复杂多变,其中细节构造包含前墙翼墙、后墙翼墙、后墙翼墙直线段、前墙扶手、后墙扶手、前后墙扶手连接段。前墙翼墙、后墙翼墙、后墙翼墙直线段、前后墙扶手连接段部分均为非规则几何体,可计算出所有点实际位置,通过构建多点MESH包围体形成三维实体构件。剩余构件如前墙扶手、后墙扶手可通过“构建截面+路径拉伸方式”,以扶手截面沿竖墙边缘拉伸形成分段的涵洞扶手实体模型。生成另一侧三维实体的方法与出入口基础类似,如图10～图12所示。

图10 翼墙三维模型Fig.10 Culvert wingwall 3D models

图11 扶手模型分段示意Fig.11 Culvert handrail 3D models

图12 斜交情况下翼墙与扶手独立参数示意Fig.12 Culvert wingwall and handrail individual parameters

1.5 泄床与锥体参数化设计

锥体、T形泄床与出入口基础类似,基于“构建截面+路径拉伸”方式,控制泄床长、泄床宽、T形宽、泄床厚、横梁长、横梁厚、锥体长、锥体宽、锥体高与斜交角度θ构造截面,以截面沿竖向拉伸、锥体放样生成对应的三维实体模型。生成另一侧三维实体的方法与出入口基础类似,如图13～图15所示。

图13 泄床三维模型Fig.13 Culvert leakage bed 3D model

图14 锥体三维模型与平面示意Fig.14 Culvert cone 3D model

图15 泄床与锥体独立参数示意Fig.15 Culvert leakage bed and cone individual parameters

2 基于协同的涵洞正向设计

2.1 涵洞构件与工点管理

对这些建模方法与参数进行封装,并以一定的组织条件分类归纳,如适用斜交角范围、适用填土厚度范围、适用种类、孔径尺寸等信息。可将涵洞构件模型统一管理,便于设计时调用,如图16所示。

图16 涵洞构件库Fig.16 Culvert component library

通过树状结构来管理所有的涵洞工点。父节点为涵洞工点,分别链接各涵洞工点的管理虚拟单元,虚拟单元下链接各涵洞三维构件,如图17所示。

图17 涵洞工点管理树Fig.17 Culvert worksites management tree

2.2 基于接口的正向设计研究

加载保存好的构件库,可以快速选择库中涵洞进行建模,孔径、净高、用途由库中数据自动读取。设置好初始条件如斜交角、底板面高程、坡率等参数可简化设计流程。

通过调用协同接口读取三维线路模型中的轨面高程、线间距情况、线路坡率、三维地形信息中的涵轴断面地面线起伏信息与工点范围内地物情况、三维路基模型中的左右路肩标高、路基横断面布置等关联专业数据,在设计界面中显示并绘制示意图,如图18所示。设计者可根据实际情况调整参数如斜交角度、涵轴坡率、填土厚、涵节布置情况、平移距离等参数,自动绘制示意图预览实时状态,设计出理想状态的涵洞位置。

图18 涵洞正向设计Fig.18 Culvert forward design UI

借助OpenRail Designer中强大的自定义实体功能,子构件与父构件之间链接建立关系后,可以产生变化的传递,实现修改某个参数如斜交角度后,涵洞所有构件实时自动由0°正交自动变化为15°斜交;或者修改填土厚度由0.5 m变为1.5 m,实时自动整体向下平移相应距离。对于接长式涵洞,可选择只生成左侧或右侧出入口、翼墙、泄床、锥体实体模型来实现。完成三维模型设计后,可通过实时调整相关参数保证设计的合理性。不同斜交角、不同填土厚度与路基的相互关系分别如图19、图20所示。

图19 0°正交涵洞与15°斜交涵洞对比Fig.19 Comparison of culverts with 0° and 15° angle

图20 填土厚0.5 m与1.5 m涵洞对比Fig.20 Comparison of culverts with 0.5 m and 1.5 m fill heights

2.3 涵洞三维协同设计接口

在设计结束后,路基、地质等关联专业需要根据涵洞的信息进行专业设计,通过协同接口的方式,可提取涵洞的工点关键信息,包括涵洞结构尺寸、位置、水文、标高、斜交角度等,减小专业间信息交流阻碍,数字化传递专业数据,提高设计效率,如图21所示。

图21 涵洞工点信息协同接口Fig.21 Culvert worksite collaborative interfaces

设计中若出现非标准型涵洞,可以通过协同接口,根据实际的斜交角度与填土等工程参数提取三维结构尺寸信息输出计算文件,导入涵洞专用计算软件与出图软件,输出配筋计算书、平立面与工程数量图纸,实现二三维设计手段兼容并行,能很好地解决现有三维软件图纸输出、工程量计算功能薄弱的问题。

3 应用实例分析

基于对涵洞正向协同设计的研究,开发了铁路框架箱涵三维数字化设计软件用于实际工程项目,取得了良好效果。选取新建成都至达州至万州铁路万州至遂宁段,该段新建正线长度210.902 km(以下简称“成达万铁路”)开展协同设计。成达万铁路为高速铁路,设计时速350 km,桥梁共237座102.038 km,桥梁占比48.4%,其中框架中桥1座2 239.38顶平米,框架小桥7座4 146.67顶平米,框架涵105座2 943.04横延米。在成达万铁路框架箱涵设计过程中,开展了设计资源管理、基于信息模型的协同交互、BIM模型三维设计、数字校审等方面的应用。

获取协同平台上其他专业的共享BIM模型后,可直接从模型中获取协同交互信息,并根据三维环境进行涵洞的正向参数化设计。在设计过程中提早介入不同专业间接口问题,经检查发现路基、站场范围内构件碰撞、流水面对齐问题5处。相比以往工程项目经验,三维设计与建模人工效率提升50%以上,成达万铁路框架箱涵三维设计成果如图22所示。

图22 成达万铁路框架箱涵设计成果Fig.22 Chengdawan railway culvert design results

4 结语

针对传统涵洞设计模式中资料分散、流转效率低、信息管理不便等问题,结合铁路涵洞设计流程开展了基于协同设计平台的三维正向设计研究,得到以下成果。

(1)将涵洞构件中的涵节与基础、翼墙、出入口、泄床与锥体等构件进行分类,以不同的工程特性与相似的建模方式组织在一起,参数化进行三维建模拼装,并基于工程特性参数对构件形状进行随动变换,储存在构件库统一管理。

(2)基于OpenRail Designer的自定义实体功能实现了以树状结构管理的形式,调用协同接口读取三维线路、三维地形、三维路基模型作为环境参数与约束条件进行正向设计流程功能,可以根据实际情况对涵节布置、填土厚度、斜交角度、涵轴坡率等涵洞工程参数进行实时调整。

(3)基于协同接口,能够让关联专业提取涵洞的结构尺寸、位置、水文、走向等工程信息参数,数字化传递专业数据,减小不同专业间信息交流阻碍,提高信息流转效率。

(4)基于三维协同的铁路框架箱涵正向设计在成达万铁路项目中进行了深度应用,取得了良好效果。数字化技术的应用,给桥梁专业带来技术方面的转变,随着数字化对生产流程和信息交互的再造、拓展与深化,基于协同设计的理念,将能实现更加智能的、覆盖更广泛、专业垂直度更强的正向融合设计建造模式,为我国铁路行业提质增效注入新的动力,为“交通强国”战略的实施提供参考与借鉴。