李銀生

(1.中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司電化處，710043，西安； 2.西安軌道交通工程信息化國家重點實驗室，710043，西安∥高級工程師)

BIM(建筑信息模型)技術(shù)自2002年引入工程建設(shè)行業(yè)以來，至今已有20年的歷史。由于其數(shù)字化的特點，因而它在工程設(shè)計、施工、運維、物資采購等各方面具有蓬勃的生命力，為工程項目的全生命周期的建設(shè)及運轉(zhuǎn)提供了強有力的支撐。目前我國鐵路行業(yè)采用的BIM平臺主要有Autodesk公司的Revit軟件、Bentley公司的MicroStation軟件及達索公司的Catia軟件[1-3]。業(yè)內(nèi)設(shè)計領(lǐng)域已在Revit軟件平臺上取得了一定的進展[4-5]，并根據(jù)發(fā)展戰(zhàn)略需要開展了基于Bentley公司軟件平臺的協(xié)同設(shè)計研究[6]。本文基于對該研究的具體部署，對Web(全球廣域網(wǎng))和SQL(結(jié)構(gòu)化查詢語言)數(shù)據(jù)庫的接觸網(wǎng)BIM模型區(qū)間布置軟件系統(tǒng)開展了研發(fā)工作。

1 區(qū)間布置軟件系統(tǒng)概述

本接觸網(wǎng)專業(yè)區(qū)間設(shè)計系統(tǒng)以Bentley公司MicroStation設(shè)計平臺為基礎(chǔ)平臺，采用接觸網(wǎng)專業(yè)設(shè)計軟件、專業(yè)資源庫、工程信息數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的架構(gòu)形式。該系統(tǒng)通過專業(yè)算法，對項目外部環(huán)境、專業(yè)接口數(shù)字化資料、工程技術(shù)規(guī)范及標準等進行綜合分析計算，從而形成與工程項目設(shè)計工點相對應(yīng)的專業(yè)數(shù)據(jù)信息，存儲于服務(wù)器端。此外，該系統(tǒng)還可根據(jù)服務(wù)器端的專業(yè)數(shù)據(jù)信息和相應(yīng)單元模型資源庫，按照具體項目的BIM模型坐標轉(zhuǎn)換規(guī)則，完成項目接觸網(wǎng)專業(yè)布置模型的繪制。

該軟件系統(tǒng)以鐵路工程項目各專業(yè)協(xié)同設(shè)計為基本原則，以正向設(shè)計為目標，在相關(guān)專業(yè)設(shè)計接口資料數(shù)字化的基礎(chǔ)上，完成專業(yè)工程信息的分析處理及工程模型繪制，從而避免了因人工對相關(guān)專業(yè)電子圖紙、藍圖等資料處理不當而造成的設(shè)計質(zhì)量問題。

系統(tǒng)服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫采用SQL數(shù)據(jù)庫架構(gòu)，設(shè)計方便、靈活。該架構(gòu)可滿足接觸網(wǎng)專業(yè)處理數(shù)據(jù)量大的需求，實現(xiàn)對本專業(yè)以及與項目相關(guān)的接口專業(yè)數(shù)據(jù)的快速讀寫操作，避免了因數(shù)據(jù)平臺、操作系統(tǒng)差異等各方面沖突對設(shè)計工作帶來的不便。設(shè)計人員客戶端無配置數(shù)據(jù)軟件、操作數(shù)據(jù)庫方面的需求，降低了系統(tǒng)配置難度，提高了設(shè)計效率。

由于采用服務(wù)器架構(gòu)，本系統(tǒng)生成的設(shè)計文件及數(shù)據(jù)信息存儲具有共享性、可靠性。各級審核審查人員能夠很方便地從服務(wù)器端獲取需要處理的文件，同時減少了審核、交付環(huán)節(jié)中因傳遞設(shè)計文件版本差異帶來的弊端。

2 區(qū)間布置軟件系統(tǒng)的總體設(shè)計

2.1 系統(tǒng)框架設(shè)計

本系統(tǒng)基于B/S(瀏覽器/服務(wù)器)結(jié)構(gòu)Web和SQL實現(xiàn)其軟件框架。采用Web應(yīng)用程序能夠?qū)崿F(xiàn)最大的資源共享，采用SQL數(shù)據(jù)庫存儲布置和模型擴展參數(shù)，以便系統(tǒng)程序能共享設(shè)計的相關(guān)成果數(shù)據(jù)。結(jié)合計算機特性以及軟件布局，本軟件分為四大部分：Web操作界面、BIM軟件接口、專業(yè)數(shù)據(jù)處理模塊和接觸網(wǎng)專業(yè)數(shù)據(jù)庫。其系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 區(qū)間布置軟件系統(tǒng)的邏輯框架圖

1) 操作前端設(shè)計。Web界面調(diào)取數(shù)據(jù)處理模塊形成接觸網(wǎng)專業(yè)數(shù)據(jù)，或者通過BIM軟件接口調(diào)用MicroStation軟件，對設(shè)計成果進行展示。

2) BIM軟件接口。本系統(tǒng)目前采用的是MicroStation軟件CE版，遵循其相應(yīng)的接口開發(fā)規(guī)范，對包含接觸網(wǎng)BIM構(gòu)件屬性和擴展參數(shù)進行初始化，如構(gòu)件名稱、單元構(gòu)件類型、單元構(gòu)件尺寸、位置、LID(可定位身份編碼詞典)編碼等。這部分工作由專業(yè)建模人員在設(shè)計接觸網(wǎng)單元構(gòu)件模型時完成。系統(tǒng)根據(jù)MicroStation軟件二次開發(fā)接口規(guī)范，通過提取接觸網(wǎng)構(gòu)件的工程信息數(shù)據(jù)和擴展參數(shù)，將其轉(zhuǎn)換為與GIS(地理信息系統(tǒng))中對應(yīng)的構(gòu)件坐標信息，并寫入對應(yīng)的工程項目信息，以完成項目具體工點模型(如某鐵路某區(qū)間工點的接觸網(wǎng)系統(tǒng)模型)的設(shè)計。

3) 數(shù)據(jù)庫設(shè)計。本系統(tǒng)使用數(shù)據(jù)庫MYSQL軟件，數(shù)據(jù)庫設(shè)計內(nèi)容主要包含專業(yè)詞典、材料設(shè)備標準信息庫、項目信息庫、人員信息庫、工點布置信息庫、土建接口資料信息庫等。

4) 專業(yè)數(shù)據(jù)處理。主要包括：① 專業(yè)資源配置，根據(jù)專業(yè)需求特點預(yù)配所需的單元構(gòu)件庫、專業(yè)標準詞典信息庫等；② BIM數(shù)據(jù)處理，根據(jù)項目技術(shù)標準及土建接口資料等生成BIM的布置信息和構(gòu)件單元參數(shù)；③ 處理Web前端請求，從相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫或模型庫反饋數(shù)據(jù)請求。

2.2 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

本軟件采用MVC(模型-視圖-控制器)框架對各業(yè)務(wù)功能進行模塊化設(shè)計，每個不同類型的業(yè)務(wù)使用一個標簽頁加載。如果需要添加新的業(yè)務(wù)功能，只需要界面上添加標簽頁，再新增一個處理DLL(動態(tài)鏈接庫)即可，已有軟件無需改動。其整體軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 區(qū)間布置軟件系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)圖

1) Web應(yīng)用層。功能包括人員管理、接觸網(wǎng)資源庫、項目管理、工點布置、模型繪制等。

2) 業(yè)務(wù)邏輯層。WebApi是BIM模型的數(shù)據(jù)接口；控制器用于響應(yīng)前端數(shù)據(jù)請求；DAL操作SQL Server數(shù)據(jù)庫；文件流用于讀寫配置文件和模型文件。

3) 數(shù)據(jù)持久層。SQL 數(shù)據(jù)庫(布置信息庫/模型參數(shù)數(shù)據(jù)庫)用于存儲系統(tǒng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，包含接觸網(wǎng)零部件、接觸網(wǎng)布置等數(shù)據(jù)；接觸網(wǎng)專業(yè)資源庫為接觸網(wǎng)構(gòu)件單元文件集合，通過資源配置功能進行配置。

3 區(qū)間布置軟件的關(guān)鍵實現(xiàn)方法

3.1 接觸網(wǎng)資源庫搭建

依據(jù)MicroStation軟件的二次開發(fā)規(guī)范及專業(yè)設(shè)計要求，系統(tǒng)可按照不同懸掛型式、不同工況構(gòu)造相應(yīng)的裝配單元。如接觸網(wǎng)簡單鏈型懸掛整體腕臂正定位構(gòu)件單元,其示意圖如圖3所示。

圖3 正定位腕臂單元

3.2 接觸網(wǎng)三維零部件模型Web端顯示

通過IE11、Chrome、Firefox、Safari、Edge等瀏覽器可對輕量化模型進行快速瀏覽。

3.3 專業(yè)算法

專業(yè)算法包括支柱布置、接觸懸掛錨段布置、附加導(dǎo)線布置、手動調(diào)整(增加支柱、移動支柱、刪除支柱)等，如圖4所示。其中，支柱布置計算在調(diào)取本項目的技術(shù)標準及工點相關(guān)土建接口資料基礎(chǔ)上，依據(jù)本專業(yè)相關(guān)規(guī)范來完成支柱位置的初步布置；接觸懸掛錨段布置計算結(jié)合項目技術(shù)標準對接觸網(wǎng)錨段進行劃分并優(yōu)化支柱布置，以確定支柱、基礎(chǔ)及裝配信息；附加導(dǎo)線布置計算按照項目技術(shù)標準并綜合土建資料、接觸網(wǎng)錨段劃分等因素，對附加導(dǎo)線安裝、錨段劃分進行設(shè)置；手動調(diào)整包括增加裝配、調(diào)整裝配、移動裝配、刪除裝配等方面，可滿足設(shè)計人員對設(shè)計模型的優(yōu)化要求。

圖4 觸網(wǎng)工程工點布置的專業(yè)算法

3.4 Web端接觸網(wǎng)區(qū)間布置設(shè)計

根據(jù)核心算法算出的接觸懸掛及附加導(dǎo)線的布置數(shù)據(jù)，在三維空間的對應(yīng)位置繪出所有零部件模型，包括支柱、基礎(chǔ)、隧道內(nèi)吊柱、腕臂裝置、接觸懸掛下錨裝置、接觸懸掛、附加導(dǎo)線肩架、附加導(dǎo)線架線等。Web設(shè)計功能包括線路中心線繪制、基礎(chǔ)布置、支柱布置、下錨補償裝置布置、肩架布置、接觸網(wǎng)布置、附加導(dǎo)線布置等，如圖5所示。

圖5 Web端接觸網(wǎng)布置主要工具條

系統(tǒng)可對每個接觸網(wǎng)部件當前屬性進行查看并修改，修改后即時寫入構(gòu)件單元或者相關(guān)數(shù)據(jù)庫。使用該軟件設(shè)計完成的某高鐵區(qū)間工點部分段落模型如圖6所示。

圖6 某高鐵區(qū)間工點部分段落設(shè)計模型

4 區(qū)間布置軟件系統(tǒng)的主要功能

本軟件的功能架構(gòu)如圖7所示，可實現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、模型布置、系統(tǒng)管理等功能。

圖7 區(qū)間布置軟件的系統(tǒng)功能架構(gòu)圖

4.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理

1) 零部件庫管理。零部件庫按照接觸網(wǎng)標準分為剛性網(wǎng)零部件庫、柔性網(wǎng)零部件庫、接觸軌零部件庫和其它零部件庫，各分類庫按功能細節(jié)可再分為裝配部件庫和零件庫兩類。按照使用功能細分，零部件可分為腕臂結(jié)構(gòu)、定位裝置、吊弦線夾、絕緣子、線材等子分類。各零部件的材質(zhì)、質(zhì)量等屬性均可修改。

2) 接觸網(wǎng)專用詞典庫管理。對接觸網(wǎng)專業(yè)術(shù)語、接觸網(wǎng)用標準材料設(shè)備信息、接觸網(wǎng)常用工況分類、接觸網(wǎng)工程常用標準信息等進行管理。

3) 接觸網(wǎng)項目資料庫管理。對項目相關(guān)的土建資料進行處理并儲存，以供工點布置時調(diào)用。

4.2 模型布置

1) 項目配置。由項目負責(zé)人對項目的基本信息進行配置，對項目名稱、線路長度、起點、終點、供電類型、速度標準等進行描述，并完成項目的構(gòu)件單元配置。

2) 工點配置。設(shè)計人員對負責(zé)的具體工點相關(guān)數(shù)據(jù)(如工點兩端的關(guān)節(jié)、工點內(nèi)的分相設(shè)置等)進行配置。

3) 接觸網(wǎng)/附加導(dǎo)線布置計算。調(diào)取項目、工點的相關(guān)信息數(shù)據(jù)，通過專業(yè)算法計算生成接觸網(wǎng)/附加導(dǎo)線的布置數(shù)據(jù)信息。

4) 生成成果文件。調(diào)取接觸網(wǎng)/附加導(dǎo)線的布置數(shù)據(jù)信息，換算成相關(guān)構(gòu)件在GIS內(nèi)對應(yīng)的坐標，完成包括支柱、基礎(chǔ)、接觸懸掛下錨裝置、附加導(dǎo)線肩架等接觸網(wǎng)單元構(gòu)件，以及接觸懸掛、附加導(dǎo)線等線索結(jié)構(gòu)的布置或者連接，生成成果文件。

4.3 系統(tǒng)管理

1) 人員管理。包括：對項目參與人員信息進行增加、刪除、修改、查詢操作；賦予項目參與人員相應(yīng)的角色，如設(shè)計人員、復(fù)核人員、項目負責(zé)人、項目審核者、項目審定者等；對不同角色在軟件系統(tǒng)的具體操作權(quán)限范圍，如文件的讀取范圍、讀取權(quán)限、修改權(quán)限等進行配置。

2) 項目管理。對項目進行初始化，并分配給項目負責(zé)人。

3) 工點管理。對項目的工點進行初始化，便于向設(shè)計人員分配設(shè)計任務(wù)。

4) 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置。設(shè)置系統(tǒng)正常運行所需的參數(shù)，并提供添加擴展參數(shù)的功能。

5 區(qū)間布置軟件的系統(tǒng)驗證

通過軟件測試的方式，驗證本文提出的接觸網(wǎng)BIM區(qū)間布置軟件系統(tǒng)的各項指標是否達到預(yù)期目標，并檢查軟件的缺陷和錯誤，測試軟件潛在的各種缺陷。測試過程中，根據(jù)各階段的設(shè)計文檔精心編寫測試用例，用這些實例執(zhí)行軟件，進而發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的缺陷和錯誤。經(jīng)過連續(xù)數(shù)月的運行測試及完善，驗證結(jié)果為：本軟件運行正常，無明顯缺陷和異常錯誤。

測試電腦的配置為：酷睿i7 CPU(中央處理器)、3.2 GHz主頻、16 G內(nèi)存。對于包含線橋隧土建工點的復(fù)雜工點專業(yè)，該軟件的計算一般在5 min左右完成，工點BIM的構(gòu)件單元布置完成時間約需5 min。考慮土建資料的導(dǎo)入耗時，可在30 min內(nèi)完成整個正向設(shè)計過程。

6 結(jié)語

本文提出的基于Web和SQL的接觸網(wǎng)BIM區(qū)間布置軟件系統(tǒng)，能夠快速、有效地完成接觸網(wǎng)支柱布置、錨段劃分、附加導(dǎo)線布置等接觸網(wǎng)設(shè)計系統(tǒng)的布置功能。經(jīng)測試，該軟件系統(tǒng)操作方便、響應(yīng)快捷、運行可靠，可為下一步開展相關(guān)方面的設(shè)計提供良好的設(shè)計工具。根據(jù)BIM設(shè)計在其它行業(yè)應(yīng)用前景，結(jié)合軌道交通建設(shè)運營全生命周期技術(shù)的展望,該軟件還有一些功能尚待深入開發(fā)，主要包括以下三方面：

1) 與施工組織的結(jié)合。即對施工的人員、物料、進度等進行管理。

2) 與運營結(jié)合。將后臺數(shù)據(jù)庫及接觸網(wǎng)模型與PHM(故障預(yù)測與健康管理)系統(tǒng)對接，實時反映接觸網(wǎng)系統(tǒng)的運營狀況，并結(jié)合接觸網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)對接觸網(wǎng)系統(tǒng)故障進行預(yù)判。

3) 最終實現(xiàn)設(shè)計、施工、運營全生命周期管理的相關(guān)功能。