城市轨道交通站台门参数化三维建模软件开发与应用

赵铁柱

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,430063,武汉∥助理工程师)



城市轨道交通站台门参数化三维建模软件开发与应用

赵铁柱

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,430063,武汉∥助理工程师)

随着城市轨道交通飞速发展,站台门得到广泛运用,其设计工作量以及业主对站台门BIM(建筑信息模型)设计需求与日俱增。为了提高设计质量与效率,研究站台门系统结构组成、安装设计工艺与模型特征参数,利用遍历命名技术与基于模型特征化的三维设计技术,开发了站台门参数化三维建模软件。实现了站台门参数化建模和自动装配,提供了可视化模型,并在5 min内响应设计方案,为站台门BIM设计打下基础。

城市轨道交通; 站台门; 自动装配; 三级装配体系

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

近年来,我国城市轨道交通飞速发展,站台门作为保障行车、候车安全的重要安全防护系统,在城市轨道交通领域得到广泛运用[1-3]。站台门系统设计需要适应不同车型、不同车辆编组数量和不同站台环境,设计工作量繁重,设计难度大。因此开发一套站台门参数化三维建模软件,快速响应站台门设计方案,将极大地提高设计质量与效率[4-7]。

同时,BIM(建筑信息模型)技术在我国工程建设领域得到广泛推广应用,三维设计已经得到业主及施工方的广泛认可,其可视化、协调性、模拟性、优化性、指导施工安装等特点是二维施工图纸所无法达到的。但是在站台门领域BIM设计技术应用很少。因此,为了满足业主对站台门BIM设计的迫切需求,本文研究了站台门快速三维建模技术,开发出站台门参数化三维建模软件[8-9],为站台门BIM设计打下基础。

1 站台门结构组成与安装工艺

1.1 站台门结构组成

站台门系统主要由机械部分(门体结构、驱动装置、传动装置)和电气部分(电源系统和监控系统)组成。门体结构是站台门系统中作为实现安全与节能功能的主要组成部分,是站台门工艺设计的研究重点。站台门门体包括顶箱结构、支撑结构、门槛、滑动门、固定门、应急门和端门等,如图1所示。

图1 站台门系统结构组成

细化分析门体结构,滑动门由不锈钢门框、玻璃、结构胶、踢脚板、防站人斜坡、导轮等结构组成。同样,分析固定门、应急门、端门、立柱、门槛、顶箱等门体结构,细化至零件级,为三维建模提取特征参数奠定基础。

1.2 站台门接口工艺

站台门的安装布置涉及车辆、结构、限界、建筑等多个专业。研究站台门接口工艺,实现站台门外部安装布置环境参数特征提取。

站台门与建筑专业接口包括上部悬挂结构与底部支撑结构的安装工艺,该接口内容决定了建筑结构顶梁及站台板的参数特征。

站台门与车辆及限界专业的接口研究,实现了门体布置参数化,滑动门数量与车门数量保持一致,布置位置保证滑动门与车门一一对应。站台门根据限界专业所提要求进行站台门安装,站台门不得侵入列车行驶的动态包络线。

2 软件开发

2.1 站台门结构特征参数提取

统计分析武汉、长沙、杭州、广州等地多条地铁线站台门结构,整理站台门三维模型特征参数。站台门系统三维模型由外部环境参数(建筑结构参数、门体布置形式)与门体单元结构尺寸确定。门体布置形式需要表达站台门总长、总高、滑动门位置以及间距、应急门布置位置等信息,这些信息由地铁车辆型号、编组数量、车站结构立柱位置等决定。门体结构尺寸由车门间距、土建顶梁高度等决定。

Lpsd=Dsjm-300×2-Wsjm

Hpsd=Bjzdl-Bztzxm

式中:

Lpsd——站台门总长，mm;

Hpsd——站台门总高，mm;

Dsjm——首末车辆司机门间距，mm;

Wsjm——司机门开度，mm;

Bjzdl——建筑顶梁底部标高，mm;

Bztzxm——站台门装修面标高，mm。

应急门数量等于远期列车编组数。应急门布置位置应避开建筑结构立柱。

综合以上分析,搭建以项目信息、建筑结构信息为主驱动,以站台门布置参数、结构参数为主输出的数据平台,如图2所示。

2.2 软件框架

通过对站台门布置工艺与结构参数的提取,利用基于编程语言VBA的Solidworks三维建模软件二次开发技术,通过基于深度排序算法的遍历命名,为站台门每一个零部件的结构面按命名规则命名,程序自动识别模型中需要配合的结构面,并智能选择配合类型。

图2 软件数据平台

软件整体框架(见图3)可分为人机交互界面、数据库管理模块与站台门三维建模模块。人机交互界面实现设计参数的输入输出；数据库管理模块对设计参数进行暂存、更新、记忆,并依据设计标准智能判断和提示参数的合理性;站台门三维建模模块通过调用solidworks API(Application Programming Interface，应用程序编程接口)函数,起动solidworks程序,参数化构建站台门三维建模,并实现自动装配。

图3 软件总体框架

2.3 软件开发关键技术

2.3.1 基于遍历命名的自动装配

为了实现站台门模型自动装配,对零件的每一个结构面只做一次访问,并对每一个访问的结构面按命名规则命名。调用实体选择函数swPart.GetBodies2,获取零件结构面,利用实体命名函数swPart.SetEntityName,按命名规则,对零件的每一个结构面进行命名,遍历并命名零件流程如图4所示。遍历命名结果实例如图5所示。

图4 遍历并命名零件流程

图5 遍历并命名零件结果

装配体装配采用自底向上的装配过程,要求选择装配元素。通过wModel.SelectByID函数,选择需要配合的组件；通过swModel.GetEntityName函数,以组件名称与配合面名称定为配合面；通过swAssembly.Addmate3函数为配合面添加配合类型,完成装配。选择配合面并自动装配流程如图6所示。自动装配实例如图7所示。

2.3.2 基于模型特征化的站台门分级装配技术

图6 自动装配流程

在自动生成站台门三维模型的过程中,耗时最长的为装配过程。每一个零件固定都需要3个分装配约束3个自由度,站台门系统零部件众多,导致整个站台门系统所需要的装配数量非常之多,建模效率低下。分别对不同编组数量的站台门进行装配时间测试,得出装配一侧站台门平均耗时54.5 min。各装配环节耗时统计如表1所示。

图7 滑动门子装配体的自动装配过程

表1 零件级装配耗时统计

为了解决上述问题,本文利用基于模型特征化的三维设计技术,对站台门模型进行特征参数分析。区分主特征与细分特征,固化主特征,通过驱动细分特征的尺寸参数与位置参数生成最终模型,提高自动装配效率。

对于站台门系统,地槛支撑、立柱横梁、顶箱盖板、滑动门、端门、车厢间固定门的安装位置与结构形式是固定的,只需要改变装配距离或零件尺寸就可以适应不同的站台门系统要求。固化主特征,构建系统级模板库。模板中仅空出应急门、车厢内固定门、末端滑动门、非标固定门安装位置，以保证应急门位置选择的任意性。末端滑动门可以选择对称滑动门与大小滑动门。系统级模板如图8所示。

单元级模板是站台门系统的地槛支撑模版,也是整个站台门系统的安装基础,通过改变地槛支撑的装配距离(DIS),可以适应不同站台门系统的要求。单元级模板如图9所示。

部件级模板包括单节车厢立柱、端门立柱、单节车厢顶箱盖板、应急门门体、固定门门体、滑动门门体和端门门体。通过更新部件级模板零件尺寸,就可以适应不同站台门系统对门体、顶箱等部件的需求。

图8 系统级模板

图9 单元级模板

综上所述,最终形成了部件级模板、单元级模板、系统级模板三级装配体系(见图10)。

消除了零件级装配,减少了部件级装配,增加了尺寸驱动,减少位置驱动以适应不同站台门系统。将模板存储于工程数据库中,根据不同车型、不同车辆编组的列车,调用与之相适应的模板。

自动装配一侧站台门模型,从零件级开始逐一装配需要用时54.5 min左右,而选用分级装配技术仅需5 min,效率提高了10倍。

3 软件应用

3.1 软件快速响应设计方案

该系统已成功应用于武汉地铁7号线、杭州轨道交通4号线等城市轨道交通项目中,成功构建站台门三维模型,指导施工安装及运营维护。软件应用分以下三步:

第一步，导入轨道交通工程概况信息,确定车辆型号、车辆编组、车门数量及间距等基本项目信息,选择应急门安装位置,站台门结构等布置安装信息。图11为站台门系统建模主界面。

图10 站台门系统三级模板装配体系

图11 站台门系统建模主界面

第二步,根据项目概况信息,计算并更新滑动门、应急门、固定门、端门、顶箱盖板等结构单元模型。

第三步,返回主设计界面,单击“生成三维模型”按钮,程序调用与项目信息匹配的系统极模板,根据应急门安装位置、末端滑动门类型、固定门形式等参数,装配站台门系统三维模型,最终输出整侧站台门模型(见图12a))以及关键单元大样模型(见图12b))。

3.2 软件指导加工制造

软件生成的站台门BIM模型中的所有立柱、横梁、玻璃、底部支撑、顶箱盖板等结构的信息均存储在模型中,如玻璃的长、宽、厚度、材质、受力要求等。模型中的尺寸参数与最终的设备尺寸是完全一致的,所生成的BIM模型可指导设备厂家加工制造。

以滑动门为例,BIM模型中存储模型信息见表2。

图12 三维建模效果

设备厂家根据BIM模型中的信息,在工厂内按计划加工下料,可减少材料浪费,并提高安装速度与精度。

表2 滑动门BIM模型信息表

4 结语

对站台门系统设计安装工艺进行系统研究,参数化、标准化系统特征,减少工艺设计过程中的设计特征遗漏及其他重复性错误。

利用遍历命名技术与基于模型特征化的三维设计技术,提出了站台门模型三级装配体系,实现站台门三维模型自动高效装配建模,提高了三维建模效率,实现了站台门形象化表达,并快速响应设计方案,为站台门BIM设计打下基础。同时BIM模型结合制造加工企业,将大大减少因安装尺寸问题造成的浪费和返工,不仅节省费用而且还加快了工期。

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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)