趙鐵柱

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司,430063,武漢∥助理工程師)

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城市軌道交通站臺門參數(shù)化三維建模軟件開發(fā)與應用

趙鐵柱

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司,430063,武漢∥助理工程師)

隨著城市軌道交通飛速發(fā)展,站臺門得到廣泛運用,其設(shè)計工作量以及業(yè)主對站臺門BIM(建筑信息模型)設(shè)計需求與日俱增。為了提高設(shè)計質(zhì)量與效率,研究站臺門系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成、安裝設(shè)計工藝與模型特征參數(shù),利用遍歷命名技術(shù)與基于模型特征化的三維設(shè)計技術(shù),開發(fā)了站臺門參數(shù)化三維建模軟件。實現(xiàn)了站臺門參數(shù)化建模和自動裝配,提供了可視化模型,并在5 min內(nèi)響應設(shè)計方案,為站臺門BIM設(shè)計打下基礎(chǔ)。

城市軌道交通; 站臺門; 自動裝配; 三級裝配體系

Author′s address China Raliway Siyuan Survey and Design Group Co.,Ltd.,430063,Wuhan,China

近年來,我國城市軌道交通飛速發(fā)展,站臺門作為保障行車、候車安全的重要安全防護系統(tǒng),在城市軌道交通領(lǐng)域得到廣泛運用[1-3]。站臺門系統(tǒng)設(shè)計需要適應不同車型、不同車輛編組數(shù)量和不同站臺環(huán)境,設(shè)計工作量繁重,設(shè)計難度大。因此開發(fā)一套站臺門參數(shù)化三維建模軟件,快速響應站臺門設(shè)計方案,將極大地提高設(shè)計質(zhì)量與效率[4-7]。

同時,BIM(建筑信息模型)技術(shù)在我國工程建設(shè)領(lǐng)域得到廣泛推廣應用,三維設(shè)計已經(jīng)得到業(yè)主及施工方的廣泛認可,其可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性、指導施工安裝等特點是二維施工圖紙所無法達到的。但是在站臺門領(lǐng)域BIM設(shè)計技術(shù)應用很少。因此,為了滿足業(yè)主對站臺門BIM設(shè)計的迫切需求,本文研究了站臺門快速三維建模技術(shù),開發(fā)出站臺門參數(shù)化三維建模軟件[8-9],為站臺門BIM設(shè)計打下基礎(chǔ)。

1 站臺門結(jié)構(gòu)組成與安裝工藝

1.1 站臺門結(jié)構(gòu)組成

站臺門系統(tǒng)主要由機械部分(門體結(jié)構(gòu)、驅(qū)動裝置、傳動裝置)和電氣部分(電源系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng))組成。門體結(jié)構(gòu)是站臺門系統(tǒng)中作為實現(xiàn)安全與節(jié)能功能的主要組成部分,是站臺門工藝設(shè)計的研究重點。站臺門門體包括頂箱結(jié)構(gòu)、支撐結(jié)構(gòu)、門檻、滑動門、固定門、應急門和端門等,如圖1所示。

圖1 站臺門系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

細化分析門體結(jié)構(gòu),滑動門由不銹鋼門框、玻璃、結(jié)構(gòu)膠、踢腳板、防站人斜坡、導輪等結(jié)構(gòu)組成。同樣,分析固定門、應急門、端門、立柱、門檻、頂箱等門體結(jié)構(gòu),細化至零件級,為三維建模提取特征參數(shù)奠定基礎(chǔ)。

1.2 站臺門接口工藝

站臺門的安裝布置涉及車輛、結(jié)構(gòu)、限界、建筑等多個專業(yè)。研究站臺門接口工藝,實現(xiàn)站臺門外部安裝布置環(huán)境參數(shù)特征提取。

站臺門與建筑專業(yè)接口包括上部懸掛結(jié)構(gòu)與底部支撐結(jié)構(gòu)的安裝工藝,該接口內(nèi)容決定了建筑結(jié)構(gòu)頂梁及站臺板的參數(shù)特征。

站臺門與車輛及限界專業(yè)的接口研究,實現(xiàn)了門體布置參數(shù)化,滑動門數(shù)量與車門數(shù)量保持一致,布置位置保證滑動門與車門一一對應。站臺門根據(jù)限界專業(yè)所提要求進行站臺門安裝,站臺門不得侵入列車行駛的動態(tài)包絡(luò)線。

2 軟件開發(fā)

2.1 站臺門結(jié)構(gòu)特征參數(shù)提取

統(tǒng)計分析武漢、長沙、杭州、廣州等地多條地鐵線站臺門結(jié)構(gòu),整理站臺門三維模型特征參數(shù)。站臺門系統(tǒng)三維模型由外部環(huán)境參數(shù)(建筑結(jié)構(gòu)參數(shù)、門體布置形式)與門體單元結(jié)構(gòu)尺寸確定。門體布置形式需要表達站臺門總長、總高、滑動門位置以及間距、應急門布置位置等信息,這些信息由地鐵車輛型號、編組數(shù)量、車站結(jié)構(gòu)立柱位置等決定。門體結(jié)構(gòu)尺寸由車門間距、土建頂梁高度等決定。

Lpsd=Dsjm-300×2-Wsjm

Hpsd=Bjzdl-Bztzxm

式中:

Lpsd——站臺門總長，mm;

Hpsd——站臺門總高，mm;

Dsjm——首末車輛司機門間距，mm;

Wsjm——司機門開度，mm;

Bjzdl——建筑頂梁底部標高，mm;

Bztzxm——站臺門裝修面標高，mm。

應急門數(shù)量等于遠期列車編組數(shù)。應急門布置位置應避開建筑結(jié)構(gòu)立柱。

綜合以上分析,搭建以項目信息、建筑結(jié)構(gòu)信息為主驅(qū)動,以站臺門布置參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)為主輸出的數(shù)據(jù)平臺,如圖2所示。

2.2 軟件框架

通過對站臺門布置工藝與結(jié)構(gòu)參數(shù)的提取,利用基于編程語言VBA的Solidworks三維建模軟件二次開發(fā)技術(shù),通過基于深度排序算法的遍歷命名,為站臺門每一個零部件的結(jié)構(gòu)面按命名規(guī)則命名,程序自動識別模型中需要配合的結(jié)構(gòu)面,并智能選擇配合類型。

圖2 軟件數(shù)據(jù)平臺

軟件整體框架(見圖3)可分為人機交互界面、數(shù)據(jù)庫管理模塊與站臺門三維建模模塊。人機交互界面實現(xiàn)設(shè)計參數(shù)的輸入輸出；數(shù)據(jù)庫管理模塊對設(shè)計參數(shù)進行暫存、更新、記憶,并依據(jù)設(shè)計標準智能判斷和提示參數(shù)的合理性;站臺門三維建模模塊通過調(diào)用solidworks API(Application Programming Interface，應用程序編程接口)函數(shù),起動solidworks程序,參數(shù)化構(gòu)建站臺門三維建模,并實現(xiàn)自動裝配。

圖3 軟件總體框架

2.3 軟件開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

2.3.1 基于遍歷命名的自動裝配

為了實現(xiàn)站臺門模型自動裝配,對零件的每一個結(jié)構(gòu)面只做一次訪問,并對每一個訪問的結(jié)構(gòu)面按命名規(guī)則命名。調(diào)用實體選擇函數(shù)swPart.GetBodies2,獲取零件結(jié)構(gòu)面,利用實體命名函數(shù)swPart.SetEntityName,按命名規(guī)則,對零件的每一個結(jié)構(gòu)面進行命名,遍歷并命名零件流程如圖4所示。遍歷命名結(jié)果實例如圖5所示。

圖4 遍歷并命名零件流程

圖5 遍歷并命名零件結(jié)果

裝配體裝配采用自底向上的裝配過程,要求選擇裝配元素。通過wModel.SelectByID函數(shù),選擇需要配合的組件；通過swModel.GetEntityName函數(shù),以組件名稱與配合面名稱定為配合面；通過swAssembly.Addmate3函數(shù)為配合面添加配合類型,完成裝配。選擇配合面并自動裝配流程如圖6所示。自動裝配實例如圖7所示。

2.3.2 基于模型特征化的站臺門分級裝配技術(shù)

圖6 自動裝配流程

在自動生成站臺門三維模型的過程中,耗時最長的為裝配過程。每一個零件固定都需要3個分裝配約束3個自由度,站臺門系統(tǒng)零部件眾多,導致整個站臺門系統(tǒng)所需要的裝配數(shù)量非常之多,建模效率低下。分別對不同編組數(shù)量的站臺門進行裝配時間測試,得出裝配一側(cè)站臺門平均耗時54.5 min。各裝配環(huán)節(jié)耗時統(tǒng)計如表1所示。

圖7 滑動門子裝配體的自動裝配過程

表1 零件級裝配耗時統(tǒng)計

為了解決上述問題,本文利用基于模型特征化的三維設(shè)計技術(shù),對站臺門模型進行特征參數(shù)分析。區(qū)分主特征與細分特征,固化主特征,通過驅(qū)動細分特征的尺寸參數(shù)與位置參數(shù)生成最終模型,提高自動裝配效率。

對于站臺門系統(tǒng),地檻支撐、立柱橫梁、頂箱蓋板、滑動門、端門、車廂間固定門的安裝位置與結(jié)構(gòu)形式是固定的,只需要改變裝配距離或零件尺寸就可以適應不同的站臺門系統(tǒng)要求。固化主特征,構(gòu)建系統(tǒng)級模板庫。模板中僅空出應急門、車廂內(nèi)固定門、末端滑動門、非標固定門安裝位置，以保證應急門位置選擇的任意性。末端滑動門可以選擇對稱滑動門與大小滑動門。系統(tǒng)級模板如圖8所示。

單元級模板是站臺門系統(tǒng)的地檻支撐模版,也是整個站臺門系統(tǒng)的安裝基礎(chǔ),通過改變地檻支撐的裝配距離(DIS),可以適應不同站臺門系統(tǒng)的要求。單元級模板如圖9所示。

部件級模板包括單節(jié)車廂立柱、端門立柱、單節(jié)車廂頂箱蓋板、應急門門體、固定門門體、滑動門門體和端門門體。通過更新部件級模板零件尺寸,就可以適應不同站臺門系統(tǒng)對門體、頂箱等部件的需求。

圖8 系統(tǒng)級模板

圖9 單元級模板

綜上所述,最終形成了部件級模板、單元級模板、系統(tǒng)級模板三級裝配體系(見圖10)。

消除了零件級裝配,減少了部件級裝配,增加了尺寸驅(qū)動,減少位置驅(qū)動以適應不同站臺門系統(tǒng)。將模板存儲于工程數(shù)據(jù)庫中,根據(jù)不同車型、不同車輛編組的列車,調(diào)用與之相適應的模板。

自動裝配一側(cè)站臺門模型,從零件級開始逐一裝配需要用時54.5 min左右,而選用分級裝配技術(shù)僅需5 min,效率提高了10倍。

3 軟件應用

3.1 軟件快速響應設(shè)計方案

該系統(tǒng)已成功應用于武漢地鐵7號線、杭州軌道交通4號線等城市軌道交通項目中,成功構(gòu)建站臺門三維模型,指導施工安裝及運營維護。軟件應用分以下三步:

第一步，導入軌道交通工程概況信息,確定車輛型號、車輛編組、車門數(shù)量及間距等基本項目信息,選擇應急門安裝位置,站臺門結(jié)構(gòu)等布置安裝信息。圖11為站臺門系統(tǒng)建模主界面。

圖10 站臺門系統(tǒng)三級模板裝配體系

圖11 站臺門系統(tǒng)建模主界面

第二步,根據(jù)項目概況信息,計算并更新滑動門、應急門、固定門、端門、頂箱蓋板等結(jié)構(gòu)單元模型。

第三步,返回主設(shè)計界面,單擊“生成三維模型”按鈕,程序調(diào)用與項目信息匹配的系統(tǒng)極模板,根據(jù)應急門安裝位置、末端滑動門類型、固定門形式等參數(shù),裝配站臺門系統(tǒng)三維模型,最終輸出整側(cè)站臺門模型(見圖12a))以及關(guān)鍵單元大樣模型(見圖12b))。

3.2 軟件指導加工制造

軟件生成的站臺門BIM模型中的所有立柱、橫梁、玻璃、底部支撐、頂箱蓋板等結(jié)構(gòu)的信息均存儲在模型中,如玻璃的長、寬、厚度、材質(zhì)、受力要求等。模型中的尺寸參數(shù)與最終的設(shè)備尺寸是完全一致的,所生成的BIM模型可指導設(shè)備廠家加工制造。

以滑動門為例,BIM模型中存儲模型信息見表2。

圖12 三維建模效果

設(shè)備廠家根據(jù)BIM模型中的信息,在工廠內(nèi)按計劃加工下料,可減少材料浪費,并提高安裝速度與精度。

表2 滑動門BIM模型信息表

4 結(jié)語

對站臺門系統(tǒng)設(shè)計安裝工藝進行系統(tǒng)研究,參數(shù)化、標準化系統(tǒng)特征,減少工藝設(shè)計過程中的設(shè)計特征遺漏及其他重復性錯誤。

利用遍歷命名技術(shù)與基于模型特征化的三維設(shè)計技術(shù),提出了站臺門模型三級裝配體系,實現(xiàn)站臺門三維模型自動高效裝配建模,提高了三維建模效率,實現(xiàn)了站臺門形象化表達,并快速響應設(shè)計方案,為站臺門BIM設(shè)計打下基礎(chǔ)。同時BIM模型結(jié)合制造加工企業(yè),將大大減少因安裝尺寸問題造成的浪費和返工,不僅節(jié)省費用而且還加快了工期。

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《科技期刊編輯技能大賽試題解析》出版

本刊訊 科技期刊和圖書編輯技能提高必備之《科技期刊編輯技能大賽試題解析》一書，已于2017年4月由上海浦江教育出版社正式出版。該書由上海市科技期刊學會編，張全福、曹金盛、袁林新主編。全書共16萬字，每本28元。選擇《科技期刊編輯技能大賽試題解析》的三大理由是：編寫專家陣容強大，內(nèi)容豐富、專業(yè)性強，答案解析有理有據(jù)。聯(lián)系方式：上海市海港大道1550號上海海事大學圖書館B樓5層 上海浦江教育出版社有限公司 電話021-38284910(發(fā)行)。

Development and Application of 3D Parametric Modeling Software for Urban Rail Transit Platform Screen Door System

ZHAO Tiezhu

With the rapid development of urban rail transit, the platform screen door system has been widely used, requirements for the design workload and BIM (building information modeling)design of the platform screen door have increased. In order to improve the design quality and efficiency, the system structure, process of installation and design, model parameters of the platform screen door are analyzed. By using the traversal naming technique and 3D design technology based on the model features, a 3D parametric modeling software for the platform screen door is developed. The software helps to achieve the platform door parametric modeling with automated assembly, provides a visual model which responses to the design in only 5 minutes, thus laying a solid foundation for the BIM design of platform screen door system.

urban rail transit; platform door; automatic assembly; three-stage assembly system

U 231.4

10.16037/j.1007-869x.2017.05.032

2016-09-02)