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，罗天靖，李 辉，金 令，李 伟，韩广晖

(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)

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。

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

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。

图2 参数化桥台建模Fig.2 Parametric abutment modeling

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 Abutment’s body modeling process

2.2.2 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。

图5 前墙建模流程Fig.5 Abutment’s front wall modeling process

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。

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 Abutment’s 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 slope’s parameters and model display

2.2.4 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 modeling

2.2.5 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 modeling

2.2.6 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 Abutment’s foundation modeling

2.3 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 abutment’s 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 abutment’s 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 slope’s parameters

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 design

3 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。

图17 成达万高铁某水库大桥工点BIM模型Fig.17 BIM 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

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19 成达万高铁某桥台工点三维实景模型Fig.19 BIM+GIS model of Chengdu-Dazhou-Wanzhou High Speed Railway

4 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。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。