基于数字化技术的铁路路基三维信息模型算量方法研究.pdf
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1、19 孟晓健.铁路车站 BIM 设计实施标准研究及应用J.铁道标准设计,2018,62(6):120-125.MENG Xiaojian.Research and Application of BIM Design Implemen-tation Standard for Railway StationJ.Railway Standard Design,2018,62(6):120-125.20 汤黎,邓超,张宇天.BIM 技术在某地铁工程中的应用J.湖北工业大学学报,2017,32(4):101-103,114.TANG Li,DENG Chao,ZHANG Yutian.Applicati
2、on of BIM Tech-nology into a Subway Project J.Journal of Hubei University of Technology,2017,32(4):101-103,114.21 HAN Y T,FENG D M,WU W W,et al.Geometric Shape Measure-ment and Its Application in Bridge Construction Based on UAV and Terrestrial Laser Scanner J.Automation in Construction,2023,151:104
3、880.22 CHENG Y J,QIU W G,DUAN D Y.Automatic Creation of As-is Building Information Model from Single-track Railway Tunnel Point CloudsJ.Automation in Construction,2019,106:102911.23 CORMAN F,DARIANO A,PACCIARELLI D,et al.Bi-objective Conflict Detection and Resolution in Railway Traffic ManagementJ.T
4、ransportation Research Part C:Emerging Technologies,2012,20(1):79-94.24 CHATZIMICHAILIDOU M,MA Y.Using BIM in the Safety Risk Management of Modular ConstructionJ.Safety Science,2022,154:105852.25 MARCO H,SEBASTIAN E,ANDRE B.Code Compliance Checking of Railway Designs by Integrating BIM,BPMN and DMNJ
5、.Auto-mation in Construction,2021,121:103427.26 ZHANG T.Research on Environmental Landscape Design Based on Virtual Reality Technology and Deep LearningJ.Microprocessors and Microsystems,2021,81:103796.收稿日期:20230529;修回日期:20230626基金项目:中铁工程设计咨询集团有限公司科研开发重大课题(数字-研 2022-2)作者简介:易菊香(1981),女,高级工程师,2009 年毕业
6、于西南交通大学地质工程专业,工学硕士,主要从事路基设计及工程数字化研究工作,E-mail:535018588 。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)10009407基于数字化技术的铁路路基三维信息模型算量方法研究易菊香,薛宇腾,黄新文,赵 非,史泽华,吕 东(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)摘 要:路基工程在铁路建设中非常重要,其数量直接影响到铁路建设的投资,因此精确计算路基工程数量非常关键。传统二维设计计算工程数量是根
7、据实测横断面采用平均距离断面法,未有效地根据地形变化对数量进行实时交互计算,导致数量与现场实测值有一定差别,尤其在地形起伏变化较大的丘陵地区差别更为显著。基于数字化技术及多专业协同技术形成的三维设计模型,实现了全方位、多角度查看、构件单元快速识别、构件与地形面数据化交互,从而使设计精度更高,提取的数量相对更精确。以某高速铁路工程为例,详细介绍铁路路基三维信息模型算量方法在铁路正向设计中的应用,将传统二维设计算量与断面法和基于数字化技术的三维信息提取法算量、网格划分法计算土石方数量做了详细对比并得出具体指标值。通过对比分析,总结铁路路基三维信息模型算量的优劣。与传统二维设计算量相比,基于数字化技
8、术的三维信息提取算量方法具有更高的精度、更快的计算速度和更强的交互性,可以在铁路正向设计中发挥重要作用;提出针对不同类型构件、土石方分别采用信息提取法、网格划分法的一整套路基三维信息模型算量方法,大大提高工程算量精度,计算结果更准确。关键词:铁路路基;三维信息模型;工程数量;数字化;三维信息提取法;网格划分法中图分类号:U213.1 文献标识码:A DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.202305290008Research on Calculating Method of 3D Information Model of Railway Subgrade Based o
9、n BIM Technology YI Juxiang,XUE Yuteng,HUANG Xinwen,ZHAO Fei,SHI Zehua,LYU Dong(China Railway Engineering Design and Consulting Group Co.,Ltd.,Beijing 100055)Abstract:Subgrade projects are very important in railway construction,and the quantity of subgrade projects directly affects the investment of
10、 railway construction,so it is very important to accurately calculate the quantity of subgrade projects.The traditional method of calculating the quantity of projects in two-dimensional design is to use the average distance section method according to the measured cross section.This method does not
11、effectively calculate the quantity in real time and interactively according to the change of terrain,which will lead to a certain difference between the calculated quantity and the field measured value,especially in the hilly area with large changes in terrain.Based on the three-dimensional design m
12、odel formed by digital technology and multi-professional collaboration technology,all-round,multi-angle viewing,rapid identification of component units,and digital interaction between components and terrain surface are realized,thus making the design accuracy higher and the quantity extracted relati
13、vely more accurate.Taking a high-speed railway project as an example,the application of railway subgrade 3D information model calculation method in railway forward design is introduced in detail.Comparison between traditional 2D design calculation method and 3D information extraction method is made
14、in detail based on digital technology and grid division method to calculate the soil and rock volume and the specific index value is obtained.Through comparative analysis,the advantages and disadvantages of calculating quantity of three-dimensional information model of railway subgrade are summarize
15、d.Compared with the traditional two-dimensional design computation,the three-dimensional information extraction computation method based on digital technology has higher accuracy,faster computation speed and stronger interaction,and can play an important role in the forward design of railway.A compl
16、ete set of calculation methods of 3D information model of subgrade is proposed,which adopts information extraction method and grid division method respectively for different types of components and earthwork,which greatly improves the precision of engineering quantity and makes the calculation resul
17、ts more accurate.Key words:railway subgrade;three-dimensional information model;engineering quantity;digitization;three-dimensional information extraction method;grid division method1 概述铁路路基设计措施复杂多样,数量计算精度要求高,传统路基设计采用二维辅助设计软件,以勘察中测量的横断面为基础进行设计和计算工程数量1-2。设计成果用 AutoCAD 二维图形、Excel 表格、Word 文档的表达方式,主要包括横
18、断面图、纵断面图、正面图、平面图等,工程数量主要以实测相邻横断面间平均距离作为措施设置长度来计算3-4。由于铁路路基结构复杂、特殊形式设计越来越多,二维图纸已经逐渐不能完全表达高精度的设计要求5,平均距离断面法亦未能有效根据地形变化对数量进行实时交互计算,容易造成设计不全面、表达不明确,从而导致路基工程量计算不准确,产生非常多的变更设计6-7,为此,研究铁路三维信息模型算量方法十分必要。2 研究现状铁路工程部分专业的工程量可以利用斯维尔数字化算量软件 Revit 进行三维算量8,还可以通过数字化工程信息模型快速计算工程数量,主要方法是利用IFC 扩展形式标记工程数量,然后导出包含工程数量信息的
19、 XML 文件,最终由统一汇总程序进行工程数量的自动生成9-10。而对于路基土石方数量计算,也可结合 BIM+GIS 的理念,利用倾斜摄影测量技术对路基土方试验段原地表进行航测,获取数字地表模型(dig-ital surface model,DSM),采用数字化技术创建路基结构建筑信息模型,再按照数值积分计算原理,快速获取路基 土 石 方 量,从 而 实 现 快 速 计 算 土 石 方 工 程量11-13。以往的研究经历了软件平台、计算理论方法及三维摄影技术的探索,实现了快速从模型获取三维数量14-15,有效提高了计算速度和工程数量精度,但在铁路方面还未形成系统化解决方案。3 基于数字化技术的
20、路基三维信息模型算量方法为了解决传统设计难以准确表达路基复杂结构的问题,实现铁路路基精细化设计,研发了基于数字化技术的铁路路基三维正向设计软件16,形成了一套路基设计解决方案,探索出自动计算工程数量的技术方法。通过与地质、地形信息实时交互并创建路基三维模型,从三维信息模型中提取路基各构件、设计措施的基本几何信息并进行工程量计算,能极大减少二维设计算量过程中的差错漏碰问题,使工程数量更精确,设计效率及准确性大大提高。通过数字化设计软件进行路基工程数量计算的59第 10 期易菊香,薛宇腾,黄新文,等基于数字化技术的铁路路基三维信息模型算量方法研究方法主要有断面法、网格划分法、基于数字化三维信息模型
21、的数量提取法(从信息模型中提取几何信息数量)。3.1 断面法断面法即在三维模型中批量输出二维横断面,通过横断面措施用平均距离法进行工程量计算17。该方法设计精度与断面间距有关,间距越小精度就越高,计算量也越大,尤其在范围较大、精度要求高的情况下更为明显18-20。若为了减少计算量而加大断面间隔,就会降低计算结果的精度。该方法的操作步骤为:在完成三维模型创建后,利用路基二维横断面出图模块输入起止里程和断面间距,批量获取横断面,界面见图 1。通过从三维模型获取横断面的设计措施,然后用平均距离法进行工程数量计算,此方法与传统二维数量计算法相同。若按照CAD 图中断面间距生成横断面的话,采用此方法所计
22、算数量与二维数量相当。图 1 路基二维横断面输出界面Fig.1 Two-dimensional cross-sectional output interface of subgrade3.2 网格划分法该方法主要适用于路堑(挖方)土石方工程数量计算。针对挖方地质体模型剪切工作量大且容易出错的情况,经过研究形成了网格划分法。该方法可自定义网格间距,并通过网格间距控制挖方(土石方)的工程量计算精度,窗口界面见图 2。主要计算步骤为:将路基实体边界投影到顶面,根据自定义间距进行网格划分,逐个网格计算不同地层体的体积,汇总后即可得到不同地层的土石方量,网格划分示意见图 3。该方法中网格划分越密,计算精
23、度越高。3.3 信息模型提取数量法路基工程是由若干个结构物组成,路基建模有别图 2 网格划分法界面Fig.2 Grid division interface图 3 网格划分法示意Fig.3 Grid division method于单纯的结构建模21-22,基于数字化技术的路基正向设计参数化建模既存在与地形面、地质体地层面有交集的填筑、挖方构造,同时也存在大量标准和非标准的结构体。与地形面相交的结构物受地形影响形态各异、变化多端,路基的填挖形式也会发生变化,这些都具有不确定性的特点23-24。路基设计中需要计算工程数量的构件分 3 种。(1)提取出的信息可直接作为工程数量的构件该类构件包括排水
24、沟、侧沟、天沟、脚墙、边坡平台、路堤基床填筑、地基处理等,可直接提取工程基本数量(设置长度、面积、体积)作为主要工程数量,然后直接链接到工程数量汇总表。(2)提取出的信息需要通过模板数量表再次计算细部工程量才能形成完整工程数量的构件该类构件包括边坡、挡土墙、盲沟等,主要采用从模型中自动提取工程基本数量(设置长度、面积、体积),各基本数量自动链接到模板数量表所带的各分项细部、附属工程数量计算表和最终的数量汇总表,中间不必人工手动输入数据进行计算,一键链接到工程数量汇总表。(3)路堑挖方(土石方)工程数量该类土石方首先采用路基结构的包络面对地质体进行剪切操作,针对剪切出的地质体可直接提取体积信息作
25、为挖方(土石方)工程数量25-26,然后直接链接到工程数量汇总表。69铁 道 标 准 设 计第 67 卷4 案例分析选取位于丘陵地区,地形复杂、地势起伏较大的某高速铁路,在数字化设计软件中创建三维线位、地形、地质地层模型,根据线位所赋予的里程、轨面高程、插旗等线路数据,结合项目特点输入路基设计数据,在三维地形(DTM)上创建路基结构三维信息模型,路基各构件与三维地形、地质体交互,进行三维正向设计。选取某段区间路基进行 BIM 三维正向设计和传统二维CAD 设计并计算工程数量,对数量进行对比研究。4.1 数字化技术的三维模型设计路基三维信息模型采用基于数字化技术自主研发的设计软件进行创建,通过输
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