地鐵線路軌旁設(shè)備的參數(shù)化建模技術(shù)實現(xiàn)及工程應(yīng)用

何 晨 何越磊 路宏遙 魏麗麗

(上海工程技術(shù)大學(xué) 城市軌道交通學(xué)院，上海 201620)

引言

隨著城市軌道交通大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)步伐的不斷加快，傳統(tǒng)的設(shè)備管理方式早已無法滿足地鐵相關(guān)設(shè)施設(shè)備全生命周期的管理[1]。為了迎合集成化、協(xié)同化的管理理念[2]，就必須要打破傳統(tǒng)管理模式。近年來，智慧化、數(shù)字化已經(jīng)成為了一種發(fā)展趨勢，BIM技術(shù)是一個共享的知識資源，可為工程設(shè)施全生命周期的決策提供可靠信息支持[3]，因其實用性、高效性[4]等特點，廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。通過BIM技術(shù)為地鐵線路軌旁設(shè)備三維建模，在模型上附加設(shè)備信息，實現(xiàn)立體、可視、協(xié)同、高效的信息化管理[5]，穩(wěn)步提升運維智能化水平。在常見的管理形式中，管理手段單一，消息傳遞滯后，信息易缺失，針對這個問題，國內(nèi)外已展開部分研究。劉富強(qiáng)[6]提出根據(jù)施工現(xiàn)場情況和設(shè)備的實際運行狀態(tài)來制定動態(tài)管理制度，完善人員配置來保證設(shè)備管理工作的有效實施。楊志國[7]針對高速鐵路工程機(jī)械設(shè)備管理中存在的問題，提出了完善管理制度、協(xié)調(diào)項目管理和設(shè)備管理關(guān)系以及制定緊急應(yīng)對措施等來改善設(shè)備管理的不足。胡金龍等[8]提出將基礎(chǔ)建筑模型與設(shè)備模型相結(jié)合，利用BIM技術(shù)采集分析設(shè)備的基礎(chǔ)信息來監(jiān)控設(shè)備實時狀態(tài)，提高設(shè)備管理的效率。這些研究為設(shè)備的管理形式做了很多探索與分析，但是將參數(shù)化建模技術(shù)應(yīng)用在設(shè)備管理中還缺乏研究經(jīng)驗?；诖?，本文提出參數(shù)化建模技術(shù)在地鐵線路軌旁設(shè)備中的應(yīng)用研究，采用Dynamo技術(shù)獲取地鐵線路中的設(shè)備位置點信息，并根據(jù)得到的位置信息實現(xiàn)設(shè)備的自動放置，建立工程信息與設(shè)備的對應(yīng)關(guān)系，實現(xiàn)批量填寫參數(shù)信息，為地鐵線路軌旁設(shè)備的可視化管理提供有力的技術(shù)支撐。

1 引入?yún)?shù)化建模的必要性

地鐵軌旁設(shè)備的日常維護(hù)管理主要以各類技術(shù)文件及各維護(hù)信息化平臺為主。軌旁設(shè)備整個生命周期中涉及的數(shù)據(jù)體量大、種類多、形式多樣，而一般的信息化管理平臺對各階段數(shù)據(jù)、文件的管理形式單一，以二維數(shù)據(jù)為主，不夠直觀。引入BIM技術(shù)為軌旁設(shè)備三維建模，并在BIM模型上附加上設(shè)備動態(tài)履歷信息，最終可實現(xiàn)三維可視化界面下的設(shè)備履歷、維護(hù)與維修記錄、故障記錄以及后期實時設(shè)備狀態(tài)的統(tǒng)一管理，實現(xiàn)對這些設(shè)備的可視化管理，為軌旁設(shè)備的維護(hù)管理工作提供支持。

地鐵全線包含轉(zhuǎn)轍機(jī)、信號機(jī)、計軸等多類軌旁設(shè)備。在傳統(tǒng)建模模式下，設(shè)備的放置是一件機(jī)械性的重復(fù)工作，后續(xù)對單個設(shè)備進(jìn)行參數(shù)屬性的依次輸入，工作量大且容易出錯，建模效率低。

參數(shù)化建模即通過添加或修改參數(shù)來調(diào)整構(gòu)件的尺寸和位置[9]，獲取位置點信息，實現(xiàn)設(shè)備的自動放置。此外，還可以儲存族構(gòu)件的型號、生產(chǎn)廠家等信息[10]，對每個設(shè)備都能夠做到來源可溯、去向可追。

相比于傳統(tǒng)的建模方式，參數(shù)化建模更為高效，可顯著提升建模效率和保證準(zhǔn)確率，為后期設(shè)備管理奠定了堅實的基礎(chǔ)。

2 線路設(shè)備模型的建立

2.1 建立基本族庫

常見的Revit族庫大多是建筑類族庫，類型單一，無法實現(xiàn)快速建模。根據(jù)實際項目需要，建立地鐵線路以及軌旁設(shè)備專業(yè)族庫，可以有效提高建模效率和精度，部分設(shè)備族庫如圖1所示。

圖1 設(shè)備族庫

建立好基本族庫后，對創(chuàng)建好的族添加族參數(shù)來實現(xiàn)構(gòu)件信息的添加[11]，包括使用部門、供應(yīng)商、維護(hù)單位和設(shè)備編號等眾多參數(shù)，滿足不同專業(yè)、不同階段之間的協(xié)同作用[12]，如圖2所示。

(a)族參數(shù)類型1

2.2 建立三維模型

為了在后期的管理中可以進(jìn)行設(shè)備安裝和維護(hù)過程的模擬，實現(xiàn)可視化仿真，可以深入現(xiàn)場拆解設(shè)備，測量設(shè)備組件尺寸，并結(jié)合設(shè)備已有資料，基于Revit軟件完成零件級、設(shè)備級(ZD(J)9型轉(zhuǎn)撤機(jī))和線路級BIM建模，效果圖如圖3～圖4所示。

圖3 ZD(J)9型轉(zhuǎn)轍機(jī)爆炸圖

(a)實際線路圖

3 參數(shù)化建模技術(shù)的實現(xiàn)

在常用建模軟件Revit的基礎(chǔ)上，結(jié)合Dynamo可視化編程技術(shù)，操控Revit的API、驅(qū)動參數(shù)化構(gòu)件、批量提取或修改構(gòu)件數(shù)據(jù)[13]，通過設(shè)計節(jié)點模塊并按照一定的邏輯連接起來，就可以快速解決同類型的問題[14]。結(jié)合DesignScript和Python等程序語言，在拓展功能的同時也可以實現(xiàn)節(jié)點塊的簡化，從而使工作區(qū)更加一目了然，能夠有效提高工作效率[15]，實現(xiàn)自動化、精準(zhǔn)化、批量化和參數(shù)化的三維模型建立。

3.1 選取線路基準(zhǔn)點

為了獲取線路中各設(shè)備的位置點信息，實現(xiàn)設(shè)備的自動放置，就要在線路中選取一基準(zhǔn)點，以該基準(zhǔn)點為參照計算出各個設(shè)備放置的具體位置。

在線路起點處繪制一條模型線，在Dynamo中獲取該曲線實例，獲取模型線起點坐標(biāo)(200295.03，-120804.908， 0)如圖5所示，以該曲線起點為基準(zhǔn)點，計算出各設(shè)備位置點的坐標(biāo)。

圖5 獲取線路基準(zhǔn)點

3.2 設(shè)備位置點信息的獲取

以轉(zhuǎn)轍機(jī)為例，根據(jù)單開道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備(ZD(J)9)安裝要求，設(shè)備界限示意圖如圖6所示。單開道岔第一牽引點與第二牽引點間距3 650mm，轉(zhuǎn)轍機(jī)安裝示意圖如圖7所示。

圖6 設(shè)備界限示意圖

圖7 轉(zhuǎn)轍機(jī)安裝示意圖

定義一個名為“GetPoint”的方法庫，讀取基準(zhǔn)點信息后，所需的設(shè)備位置點信息可以通過與基準(zhǔn)點的相對位置關(guān)系計算獲得。部分代碼如下：

def GetPoint(input1：Point)

{

p1：Point=Point.ByCoordinates((input1.X+92743.1-1891.5*0.401)，(input1.Y+50868.6+1891.5*0.916)， input1.Z)；

p2：Point=Point.ByCoordinates((input1.X+92743.1-1891.5*0.401-3650*0.916)，(input1.Y+50868.6+

1891.5*0.916-3650*0.401)，input1.Z)；

list1={p1，p2}；

return=list1；

}

以獲取的點為原點建立坐標(biāo)系，分別提取X、Y、Z軸坐標(biāo)數(shù)據(jù)。坐標(biāo)系由“CoordinateSystem.ByOriginVectors”傳遞。將獲取數(shù)據(jù)創(chuàng)建為列表后互換其行列關(guān)系，輸出得到最后的坐標(biāo)數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖8 輸出坐標(biāo)數(shù)據(jù)

3.3 放置構(gòu)件并調(diào)整位置

獲取坐標(biāo)信息之后，讀取坐標(biāo)數(shù)據(jù)并將列表行列互換，分別將對應(yīng)列數(shù)據(jù)賦予x，y，z軸，根據(jù)獲取到的坐標(biāo)在Revit中生成相應(yīng)位置的點，如圖9所示。

圖9 生成坐標(biāo)點

在項目中載入相應(yīng)的族類型，通過拾取坐標(biāo)點的方法精準(zhǔn)放置于指定位置。為滿足設(shè)備沿線路垂向布置，將生成的坐標(biāo)點按順序連接成一條光滑的樣條曲線，獲取各個點的垂直向量后，將旋轉(zhuǎn)軸與垂直向量間的夾角設(shè)置為繞Z軸旋轉(zhuǎn)的歐拉角來調(diào)整設(shè)備擺放的方向。

3.4 管理信息的添加

為滿足后期運營維護(hù)的需求，對插入的多個族實例添加管理過程中的信息，通過傳統(tǒng)建模手段，只能手動添加不同的信息[16]，不僅工作量大，時間成本高，還容易出現(xiàn)錯誤。

利用Dynamo編制程序，將各圖元參數(shù)信息與其ID號建立一一對應(yīng)的關(guān)系，通過對應(yīng)ID號實現(xiàn)參數(shù)信息的自動填寫。首先獲取構(gòu)件圖元至Dynamo中，提取各圖元的ID號并依次添加于列表中，附加表頭“ID號”，如圖10所示。

圖10 ID號生成列表

對應(yīng)各設(shè)備的ID號進(jìn)行參數(shù)信息的添加，以設(shè)備的點位信息為例，添加參數(shù)名“所屬機(jī)柜/設(shè)備自身”，對應(yīng)各構(gòu)件ID號，匯總各自的參數(shù)信息。

讀取匯總的參數(shù)信息，將列表數(shù)據(jù)進(jìn)行行列互換，如圖11所示，在Dynamo中設(shè)置圖元參數(shù)，將獲取的信息自動填入相應(yīng)的參數(shù)名稱下。

圖11 提取參數(shù)信息

4 工程應(yīng)用

以上海地鐵某車場為例，為了實現(xiàn)軌旁設(shè)備的可視化管理，在傳統(tǒng)建模軟件Revit的基礎(chǔ)上，采用Dynamo參數(shù)化建模技術(shù)，將生成幾何體背后的邏輯規(guī)律以及幾何體的各類信息都轉(zhuǎn)化為邏輯算法[17]。在線路中選取一基準(zhǔn)點后，根據(jù)設(shè)備布置的相對位置關(guān)系，如圖12所示，計算得到各自的位置坐標(biāo)，并實現(xiàn)設(shè)備的自動放置，設(shè)備布置局部示例如圖13所示。而后建立各設(shè)備參數(shù)信息與其ID號的對應(yīng)關(guān)系，實現(xiàn)參數(shù)信息的批量化填寫，效果如圖14所示。

圖12 轉(zhuǎn)轍機(jī)位置實景測量圖

圖13 設(shè)備布置局部示例圖

圖14 參數(shù)信息填寫

將參數(shù)化建模技術(shù)應(yīng)用于地鐵線路軌旁設(shè)備的建模，能夠顯著提高建模效率。對于完成常規(guī)的建模以及設(shè)備填寫參數(shù)的工作，需要35工天，利用參數(shù)化建模技術(shù)，實現(xiàn)信息的批量化填寫需要16工天，節(jié)省時間約54%，提高效率約為2倍，極大減少了人力工作量。為后續(xù)對地鐵線路軌旁設(shè)備進(jìn)行全生命周期管理，創(chuàng)造了可視化條件。賦予設(shè)備模型從設(shè)計階段到制造階段，以及施工階段的工程信息，在極大程度上充實了全生命周期管理的內(nèi)涵。

5 結(jié)論

(1)以實現(xiàn)地鐵線路軌旁設(shè)備的三維可視化管理為目標(biāo)，研究參數(shù)化建模技術(shù)在實際工程中的應(yīng)用，研究包括選取線路基準(zhǔn)點、獲取設(shè)備位置點信息、分類別放置設(shè)備和對應(yīng)ID號輸入?yún)?shù)信息四個主要方面，對地鐵軌旁設(shè)備進(jìn)行自動化、精準(zhǔn)化、批量化、參數(shù)化建模，有效提高了建模效率，為地鐵線路軌旁設(shè)備全生命周期數(shù)據(jù)的不斷集合提供了技術(shù)支撐，為后續(xù)的全生命周期管理奠定了基礎(chǔ)；

(2)參數(shù)化建模的理念對于BIM技術(shù)的推廣與應(yīng)用具有重要意義，利用Dynamo可視化編程技術(shù)，只需要梳理好建模的邏輯思路，將邏輯思路轉(zhuǎn)化為一步步的邏輯程序，在不需要繁雜的程序語言的前提下也可以實現(xiàn)復(fù)雜實體的創(chuàng)建和數(shù)據(jù)信息的快速添加，在很大程度上彌補(bǔ)了Revit在建立信息化模型時的不足之處。