专栏名称: 北冥有鱼BIM智造

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基于云架构的自主化铁路BIM建模关键技术研究

北冥有鱼BIM智造 · 公众号 · · 2024-12-27 20:31

正文

在新型客运枢纽建设中，通过贯彻管理标准化、建设一体化、数据协同化的管理模式，利用信息化技术搭建数字化管控平台，实现多层级、多维度、全过程的数据互联。同时，在 BIM深化仿真应用、BIM+三维扫描技术、智能化装备施工、智能化原材加工等领域进行深入探索，建立以BIM为基础、智能建造为手段的客运枢纽管理体系，为全面实现高效、智能、绿色、低碳等管理目标奠定了坚实的基础。该研究与应用实践可为类似新型客运枢纽的智能化建设提供参考。铁路工程建设项目具有投资规模大、施工跨度大、管理难度大、建设周期长等特点,而进度、质量、投资是铁路工程建设控制的三大主要目标。质检资料不但是施工质量真实写照、质量验收结论重要依据，也是竣工资料的重要组成部分，对于铁路工程质量控制显得至关重要。在以往铁路建设管理过程中，因缺乏强有力的资料管理手段和工具，导致质检资料出现数据不真实、表格或内容不规范、资料缺失等问题，传统式的质检资料管理模式已不能适应现代铁路工程建设质量管理高标准、高要求、数字化、信息化的要求,而目前将新兴信息技术BIM与铁路行业现有技术的深度融合是保障铁路工程建设质量的重要手段。BIM技术的优点主要是展示方式直观、便于协同工作，可结合铁路行业的状况，进行信息交流与资源交互，建立工程相关的数据资源库，并在工程推进的过程中逐渐对其完善，满足铁路工程数据资源共享的需求。基于轻量化BIM的铁路工程质检系统的应用，可进一步提升铁路工程建设信息化管理能力，提高铁路工程建设工程质量管理的水平。针对铁路客站建设和运维中存在的困难，归纳总结近年来 BIM 技术在铁路客站设计、施工和运维中的应用方法，分析铁路客站全生命周期内 BIM 技术的应用价值及其取得的效果，重点总结 BIM技术在清河站、雄安站、杭州西站等特大型站房中的应用。结果表明， BIM 技术推动了智能建造和绿色建筑在铁路行业的发展。该研究为 BIM 技术在铁路客站中的应用发展提供了参考依据和成功案例。

针对市场主流BIM建模软件以PC端为主，存在专业之间协作困难、阶段属性数据缺失、铁路标准支持不够等现状，导致BIM在各阶段传递过程中存在信息流失、信息孤岛等数据不能互通的问题，提出以数据共享、云端协同为特征的新型铁路工程三维建模软件—自主化云架构的铁路BIM软件。自主化铁路BIM云服务以NGINX为主体，搭建应用域、服务与支撑域、数据域的整体建模架构，研发多进程建模内核管理机制、建模服务器分离机制、调度算法和几何建模微服务弹性调度机制等自主化底层造型关键技术，形成二维草图设计、实体设计、约束求解器、参数化机制、曲线曲面等基础造型几何功能；研发了平纵曲线要素耦合生成线路中心线、地形要素三角剖分生成地膜等专业设计基本要素创建的功能。结合铁路专业设计规范文件和铁路相关 BIM 标准，以线路中心线为骨架，搭建铁路构件设计、专业工点设计（桥梁、隧道、路基等）建模功能和铁路参数化标准构件库，具备标准属性、材质、协同工作、数据转换、工程出图、模型轻量化发布、二次开发 API 等一体化应用和发布的功能，并且模型所有几何和非几何数据均存储于云端数据库，实现自主化铁路云端 BIM 协同建模功能，解决主流 PC 端建模软件的弊端，达到“一模到底”及数据安全的目标。

引言

随着新一代信息技术的快速发展，互联网、BIM、GIS、云计算等前沿信息技术在铁路数字工程领域的渗透和落地应用，形成以BIM为核心的全生命周期（设计、建设、运维）管理理念的铁路工程建设信息化平台。 BIM建模软件作为铁路BIM技术应用发展的核心，目前大多数学者是基于桌面端建模平台开展铁路BIM三维建模设计研究，如谭衢霖等利用OpenCascade开源几何造型库研究几何语义的隧道参数化建模关键技术；任星辰等基于PKPM-BIM自主化几何造型平台和Navisworks软件研究装配式BIM技术在全生命周的应用；张轩等基于主流Bentley平台进行隧道三维BIM设计；朱肖等基于Revit平台开展桥梁三维设计和模型深化应用；翁凯等基于Revit平台研究铁路站房标准化的BIM正向设计。因此，铁路BIM建模缺乏云端建模关键技术研究，并且现有主流建模软件存在着PC端化、技术门槛高、使用成本高、铁路适用性差、铁路标准支持不够等痛点，又因铁路专业性的特殊造型、属性统一化、工具性能、操作便捷性、输出功能可利用性等关键技术问题日益突出，催生了以“共享群智，云端协同”为特征的新型铁路工程三维建模软件—云架构的铁路BIM软件。国外BIM建模软件厂商正不断推动从桌面端向云端的迁移，充分利用“互联网+云计算+多端协同”的优势。目前商业云架构BIM建模系统或者平台国外有AutodeskFusion360、Bentley、Dassault3DExperience 及OnShape等；国内有中望Cloud3D、山大华天的CrownCAD等平台系统，但对铁路工程三维BIM建模功能支持不够。此外，铁路BIM 从设计阶段到施工阶段数据不能互通互馈等问题，并造成数据流失和数据孤岛等问题。

本文重点围绕“标准、存储、应用、传递”的模数一体化理念，基于铁路BIM工程业务场景应用需求，研究前沿的云端BIM参数化建模关键技术，搭建以国内铁路行业标准为基础，以建设运维为导向的自主化云架构铁路BIM三维协同设计平台Railworks，并采用云端集中存储，所有几何和非几何信息均存储于数据库，基于一套BIM数据模型进行设计、施工深化和协同管理，为数据全过程无损传输和强化高铁建设运营管理系统内部要素信息交互提供基础，解决铁路BIM数据底层安全隐患，降低BIM应用门槛，推动以自主化软件为基础智能高铁发展。

一架构设计

Railworks平台是以BIM为核心的设计、施工、运维全生命周期工程应用为理念，以遵循构件化、模块化设计原则，并依据铁路工程模型种类多、构造复杂、点带状分布等特点，结合模型复用、参数化建模、手工建模等机制，基于软件工程的方法论，以自主研发为核心，研制了高效稳定、符合国内用户习惯的、满足国内铁路标准规范云端BIM建模软件，满足铁路工程自主化建模过程中的应用需求。

1.1系统架构设计

基于云架构的铁路BIM驱动式建模平台Railworks涉及应用域、服务与支撑域、数据域三方面，如图1所示。应用域通过数据渲染技术将建模过程中所涉及的大规模图形数据转换为图像，实现基于WEBGL的三维图形实时渲染；并以在线建模的方式实现数据转换、零件设计、工点设计及完成最后的工程图，解决建模设计和施工阶段存在各专业、各参与单位协同设计的问题，同时采用客户端的管理模式，达到项目分享、知识管理、实时沟通、复杂模型检索的目的。依据模数深化协同设计理念，建立服务与支撑域，实现三维在线建模协同设计。其核心业务服务是建模流程、协同设计、项目管理以及项目升级，并通过对软件性能的实时监控，优化各配置的协调性以及安全认证授权，形成建模软件的持续集成与发布。采用分布式数据库，构建数据域的数据缓存，将建模的数据信息标准化、统一化存储，实现数据的共享。

1.2功能架构设计

Railworks采用微服务模式的WEB端建模技术，各模块之间采用松耦合形式，增加整个系统的软硬件扩展能力。 Railworks以云端三维造型引擎技术、渲染引擎、几何约束求解器规则协议、实力管理器等造型底层技术为基础，并融合铁路BIM联盟标准和铁路各专业设计规范要求，搭建了铁路构件设计、工点设计、线路中心线、铁路地质地形、桥梁、隧道、路基等建模功能和铁路参数化标准构件库，具备数据转换、工程出图、模型轻量化发布及二次开发API等一体化应用发布功能，如图2所示。 Railworks所有模块的数据都存储在数据库中，并采用单一的数据库，保障设计、施工、运维等全生命周期阶段数据完整性，避免数据在流转中丢失或形成孤岛。针对平台安全性，Raillworks形成了以计算环境安全为基础，以网络通信、边界防护、移动安全防护为保障，以安全管理中心为核心的保障安全机制。

二云架构的几何造型三维建模关键技术

2.1建模内核流程

建模服务流程将划分为认证服务、缓存服务、驱动建模服务等许多松散耦合且可独立部署的服务，如图3所示。认证服务服务旨在通过用户认证服务来验证其身份，确保只有授权用户才能访问服务，并通过Http和Websocket方式建立连接，允许用户与建模服务之间进行实时通信。驱动建模服务是根据用户的请求，调用集群调度器并选择和申请建模实例节点。实例节点包含了实例管理器，负责创建和销毁建模引擎实例，并向数据库进行缓存服务和发送服务注册信息。

2.2建模机制

BIM几何造型云服务是以NGINX为主体，建立多进程建模内核管理机制、建模服务器分离机制、铁路BIM驱动式建模的调度算法和几何建模微服务的弹性调度机制，其中多进程建模内核管理机制主要是设计建模实例管理器，负责建模内核的创建与销毁。用户从API程序接口向NGINX服务器发出请求，也可以从 NIGNX-BACK反向代理的方式接受Inter请求，然后将请求转发给内部网络上的NGINX服务器，通过以上两种方式进行相应的分析确定客户端所需要的内核云服务模式的类型，然后redis以master/slave两种机制识别建模需求，建模内核进行模型实例的创建，完成最终的云端模型，如图4所示。

三铁路BIM建模功能设计与研发

Railworks铁路专业BIM设计创建流程如下。

（1）项目前期准备工作需要充分了解施工图纸及此次建模标准相应知识，在这些材料的基础上于软件中创建项目团队并在团队下依据标准要求建立各项专业文件夹。

（2）依据专业图纸、各专业内构件精度标准要求及构件创建标准等创建所有模型构件；模型构件创建完成后可对构件进行标准附加工作，按照构件层级、专业、部位进行精准附加。

（3）依据线路专业交付的线路数据，创建平曲线、断链、竖曲线以及耦合成线路中心线。

（4）构件入库后，依据工点设计数据，进行工点构筑物装配工作，如图5所示。

3.1项目创建

Railworks平台支持单用户和团队项目两种模式，如图6所示，允许用户通过文件夹创建多层级文件结构，以满足铁路工程的树状结构管理需求。用户能够分享、公开、复制和删除项目文件，实现文件的灵活管理。团队项目模式特别支持多账户同时编辑，实现动态交互和实时状态更新，确保协同工作的高效性。平台的异步功能进一步保障了文件操作的有序性和多账号同步工作的一致性。

3.2 构件设计

Railworks构件设计具备自主化的造型几何求解约束器，主要包含：基准面设计、草图设计、实体设计、曲面设计、参数化设计、铁路BIM联盟标准与属性设计、外观设计，可满足站前、站后、站房等专业参数化构件库设计，如图7所示。

3.2.1设计通用功能

Railworks平台可通过基准设置、二维轮廓、约束求解器、三维实体/曲面造型、曲面实体转换等基础造型几何功能，实现二/三维构件精细化设计与创建。基准设计是BIM建模中的关键技术，通过使用基准面、线、点来辅助创建和定位复杂的构件。基准面通常包括上视、前视、右视三个基本方向，可进行移动、旋转等操作以适应设计需求，如图8所示。基准线和点则用于定义长度、方向和关键位置。基准元素不仅帮助表达设计意图，还确保了设计的精确性和一致性。在参数化设计中，基准元素与其他设计元素关联，实现动态更新。

草图设计是BIM设计的基础，涉及几何操作和编辑功能，以及几何约束的应用。几何操作包括创建线、矩形、圆、弧等基本形状，以及点、文字等元素（图9）。编辑功能如倒直角、修剪、延伸、镜像等，为BIM设计师提供调整和优化草图的能力。几何约束则确保设计精度，包括半径、水平与垂直距离、角度、平行和相切等约束，以实现精确的几何关系和对称性。草图设计强调参数化，允许通过修改参数快速迭代设计，支持复杂设计需求，确保设计的灵活性和控制性。

实体设计是BIM设计建模中创建复杂构件的核心过程，包括拉伸、旋转、扫描和放样等基础造型功能，以及分割、移动、布尔运算、阵列、镜像和倒角等高级编辑功能（图10），使得BIM设计师能够精确构建和修改铁路等工程领域的复杂构件设计。布尔运算通过联合、相交和差集操作实现实体的组合与分离，而阵列功能则提高设计效率，允许快速复制和排列实体。镜像和倒角功能进一步优化设计，确保对称性和改善制造工艺。参数化设计方法允许通过调整参数控制设计，便于进行设计变更和优化。

曲面设计是铁路工程中应用BIM技术的关键环节，它通过拉伸、拔模、旋转、扫掠、放样、边界和平面区域等多种曲面造型方法（图11），为铁路构件设计提供复杂曲面几何造型。

Railworks平台的曲面编辑功能如裁剪、缝合、偏移、延伸、加厚和倒角，增强了设计的灵活性和精确度。

3.2.2参数化设计

Railworks 通过参数化设计机制，使得用户定义多个铁路构件参数变量，并通过变量参数动态驱动铁路构件几何形状（图 12 ），实现标准化构件的“一次创建、多次复用”的目标。参数化设计促进了多专业团队之间的协作，提供了高度的设计灵活性，提高了设计和施工的协调性。

3.2.3标准应用与外观设计

Railworks集成了铁路BIM联盟的《铁路工程信息交换模板编制指南》《铁路工程信息模型分类和编码标准》《铁路工程信息模型数据存储标准》等BIM标准体系（图13），并通过构件命名标准化创建模型结构树，形成构件应用所需的分类编码、所属类别、设计信息、施工信息等属性信息。平台也集成了轨道交通（地铁）、市政BIM标准及SZ-IFC标准，为铁路、市政、轨道交通等线性基础设施项目提供了一个全面的国内BIM标准应用。

外观设计：对创建的实体或者单个平面、曲面进行外观颜色和材质的设置，可在实体列表中一次选择多个实体批量进行设置（图14）。对已设置好外观、材质贴图的实体，可使用移除外观的功能对外观进行重置，或使用继承外观的功能继承其它实体对象的外观。

3.2.4构件库管理

Railworks构件库管理具有一套综合分类与审核流程，提高构件的可用性和准确性。参数化构件入库须需选择构件所属行业（铁路、地铁、市政、通用等）、所属阶段、专业分类等内容，便于构件正确分类和检索，如“设计阶段-铁路-桥梁-下部结构”分类层级。Railworks根据不同的用户需求，设置公有库、项目库、私有库等不同权限使用方式（图15）；公有库的构件入库需经管理员审核，确保构件符合标准，而未通过审核的构件则处于待审核状态，仍可被调用以供进一步审查；项目库仅供本项目团队用户使用，非项目用户无法调用；私有库构件入库无需审核，仅限账号所有者调用。此外，参数构件入库允许用户根据需求选择入库变量，实现工点设计阶段的参数化调用，提升构件应用的灵活性。

3.3 线路中心线

线路中心线作为铁路BIM三维设计的“线路骨架”，为路基、桥梁、隧道、轨道等专业BIM建模提供坐标参考系统，支撑设计、施工到运维等全生命周期的信息化、智能化发展基础。Railworks线路平曲线和竖曲线创建提供两种方式：第一种是用户交互式创建，即交点法创建线路，用户输入线路交点坐标、平曲线几何要素、断链里程、变坡点里程和高程、竖曲线几何要素等特征参数，实现平、竖曲线快速创建，并以离散化拟合的方式（耦合算法）构建铁路线中心线几何要素；第二种是根据线路专业提供设计成果（线路MDB文件或excel文件），自动解析线路左线的平、竖曲线、断链等特征信息，进行平、竖曲线几何特征的构造，并调用耦合算法，实现“一键式”创建线路中心线，如图16所示。

3.4 专业设计

3.4.1地形创建

Railworks平台能够解析设计交付的地形数据文件（.csv、dem、txt等多种格式）。首先通过克里金插值和自然邻近插值等插值算法将高程数据进行加密，并采用降维方式投影到二维坐标系统和GiftWrapping算法精准计算铁路带状分布的区域边界；最后通过Delaunay算法和升维，形成三维地形的三角剖分网格模型，搭建了适合铁路工程桥梁、隧道、路基等专业设计需要的三维地形，如图17所示。

3.4.2工点设计

基于桥梁、隧道、路基等专业设计特点和设计参考通图，采用构件设计二/三维设计创建、参数设计、BIM标准应用、材质等功能，并梳理各参考通图创建所需的重要参数，搭建项目级别的桥梁、隧道、路基等专业参数化构件或组合构件，如路基专业的路基本体、边坡、电缆槽及排水管构件库参数化组合式构件；桥梁专业的上部结构（含栏杆、电缆槽、盖板等结构）和下部结构（含支座、墩台等结构）等构件库参数化组合式构件模板；隧道专业洞身、洞门、锚杆、盾构管片等构件库参数化构件模板。针对特殊专业构件，需依据设计数据要素进行单独创建构件，如隧道洞门、钢桁梁、特殊桥墩、隧道附属洞室等，如图18所示。

（1）桥梁工点设计，依据桥梁下部结构数据标准模板整理桥墩设计参数要素（墩中心里程、与轨面高差、垫石尺寸、墩身尺寸、承台尺寸、桩基等），选择线路中心线、桥梁起终里程、斜角角度、梁缝宽度等工点设计参数，确定桥梁布跨公式和项目构件库中参数化构件，并快速沿着线路中心线生成桥梁整桥模型，如图19所示。

（2）隧道工点设计，解析矿山法隧道工点设计区域范围的地质围岩分段信息，通过调用构件库中隧道围岩断面(Ⅱ~Ⅴ级）及支护措施构件（锚杆、钢架等），输入起终止里程等信息，自动沿着线路中心线为骨架生成隧道洞身模型；盾构隧道则读取盾构设计里程范围及盾构管片构件，输入旋转角度等参数，快速沿线路中心线阵列生成盾构洞身；隧道洞门则在构件中单独进行设计并采用通用装配方式（移动、配合、旋转等方式）至隧道洞身模型，如图20所示。

（3）路基工点设计，基于路基起始、终止里程和项目路基断面构件模版等关键数据，利用路基多断面设计和表格数据导入快速实现路基的快速创建，简化设计人员操作流程，使设计过程更加直观便捷，并满足用户高标准，如图21所示。

3.4.3出图设计

在工程图环境下，读取构件模型或者工点模型，通过平面、立面、剖切面及三维视图进行图纸智能尺寸标记、注释及图纸输出，并支持pdf、dwg等格式导出。同时支持外部构件或模型导入后生成图纸，如图22所示。

基于云架构的自主化铁路BIM建模关键技术研究

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