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              基于BIM的鐵路車站工程資料管理可視化探討

              來源: www.halxjx.net 發布時間:2021-10-20 16:28
              論文地區:中國 論文語言:中文 論文類型:工程碩士
              這是大牛論文網精選的一篇優秀的工程碩士論文范文,主要基于BIM的鐵路車站工程資料管理可視化展開深入的探討,提出基于 BIM 技術的鐵路車站工程資料管理的思路,構建了鐵路車站工程資料管理系統的構架,并深入開展應用實
                這是大牛論文網精選的一篇優秀的工程碩士論文范文,主要基于BIM的鐵路車站工程資料管理可視化展開深入的探討,提出基于 BIM 技術的鐵路車站工程資料管理的思路,構建了鐵路車站工程資料管理系統的構架,并深入開展應用實踐,促進了鐵路車站工程的信息化建設,提高了工程資料管理效率及質量,提升了鐵路車站工程資料管理水平。

                 摘要:實現工程資料管理的宏觀把控和精益協調為目標,提出基于 BIM 技術的鐵路車站工程資料管理的思路,構建了鐵路車站工程資料管理系統的構架,并深入開展應用實踐,促進了鐵路車站工程的信息化建設,提高了工程資料管理效率及質量,提升了鐵路車站工程資料管理水平,為鐵路車站工程資料管理提供了一套完整的解決方案。

              第一章 緒論

              1.1 研究背景及意
              “交通強國,鐵路先行”。隨著中國鐵路建設的高速發展,預計到 2025 年,鐵路網規模達到 17.5 萬公里左右,其中高速鐵路 3.8 萬公里左右,網絡覆蓋進一步擴大。鐵路行業的高速發展也對鐵路車站的建設提出了更高的要求[4]。鐵路車站作為車輛調度、乘客集散的重要場所,是鐵路運輸中的重要環節,為保證車站的高質量建設、高效率運維,高水平的資料管理必不可少。鐵路車站工程的體量巨大,涵蓋了建筑、結構、暖通、給排水、信號等專業,其在設計、施工、運維、改擴建等過程中產生了大量錯綜復雜的工程資料,且鐵路車站工程具有的多專業協調、多部門管理、多環節決策等特點,加劇了車站工程的資料的復雜程度。資料缺失、信息斷層、管理脫節、應用標準不統一等問題在該類工程中尤為突出,各專業間相互制約,無法對資料進行統一合理的調配,目前對數字化信息管理研究尚不夠深入,導致工程資料調取的效率和質量較低,這給工程的資料管理帶來了巨大的挑戰。傳統管理方式中使用的二維平面圖紙、單一的管理模式和缺乏交互的信息化手段等,使得信息在車站的全生命周期的各階段之間的傳遞不順暢、信息溝通時效性差,無法順應現代化鐵路車站資料管理的工作需求,因此需要應用新技術和新方式來提升鐵路車站的管理水平[5]。
              鐵路車站的工程資料管理對車站的信息溯源、施工監督、運營維護,以及處置突發事件等都有積極的意義。鐵路車站工程資料信息管理的周期長、標準高、專業多,在工程資料管理中引入 BIM 技術,不僅可以滿足工程資料管理中的各項需求,減少工作人員的工作量,實現資料的交互共享,提高信息的準確性、完整性、即時性,還能在保證工程資料的真實性、時效性、客觀性,從而提升鐵路車站信息的管理水平。本文在前期理論研究與實際項目應用的基礎上,將理論分析和實踐檢驗相結合,依據BIM 在可視化、標準化、信息化、參數化等方面的優勢特點,并結合 VR、AR、云數據庫等技術,將多種技術與 BIM 融合,綜合運用于鐵路車站工程資料管理中。基于 BIM 技術的鐵路車站工程資料管理是一種創新的工程管理理念,也是高效、互動、系統的資料管理體系,這種管理模式與現代的可視化技術、管理技術、信息技術相結合,以資料管理為核心,解決了資料在鐵路車站工程管理全過程中的應用痛點。
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              1.2 國內外研究現狀
              1.2.1 BIM 的發展應用
              BIM(建筑信息模型),是一種三維數字化工具和理念,具有可視化,協調性,模擬性,優化性和可出圖性五大特點。為建筑在行業全生命周期的管理提供了一種全新的解決方案。BIM 最初是在 2002 年根據 Autodesk 公司的 Visual Building(虛擬建筑)概念和 Bentley 公司的 Signal Building Information 的概念上提出的。BIM 是以三維模型為基礎,將工程的相關信息集成到模型中,利用數字信息模擬仿真建筑物的真實信息[6]。
              (1)BIM 技術國內外發展現狀
              國外研究現狀:BIM 技術發源于美國,伴隨著全球化的發展,越來越多的國家已經開始運用 BIM 技術。目前,大型項目的全生命周期管理中離不開 BIM 技術,BIM也為建筑產業信息化奠定堅實的基礎。BIM 技術在全生命周期管理中的應用分類如下表 1-1 所示。
              表 1-1 BIM 技術在全生命周期管理中的應用分類
              表 1-1 BIM 技術在全生命周期管理中的應用分類
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              第二章 鐵路車站工程信息模型相關理論技術研究

              2.1 基于 BIM 的鐵路車站工程資料管理內涵
              基于 BIM 的鐵路車站工程資料管理是一種將 BIM 技術與全生命周期中的信息相結合的新理論,新方法和新技術,將鐵路車站工程以模型數據對象的形式表現,實現鐵路車站工程管理過程中的數據共享、信息傳遞、專業協同。利用 BIM 技術,在鐵路車站工程的規劃階段根據規劃信息初步建立鐵路車站工程信息模型、在設計階段對承載鐵路車站工程信息的三維模型進行深化、在施工階段將鐵路車站的信息模型中的數據進行豐富和優化、在運維階段對竣工交付的信息模型添加基礎設施運行和維護信息,從而建立覆蓋鐵路車站工程全生命周期的資料綜合管理體系。實現各階段、各專業和各參與方的協同工作,保證了鐵路車站工程全生命周期中各階段之間的信息流轉及共享,解決了鐵路車站工程資料管理中的痛點問題,推進了鐵路信息管理數字化、信息化發展。
              基于 BIM 的鐵路車站工程資料管理內涵包括信息、過程和價值三個方面的維度。
              信息維度:鐵路車站工程信息模型一般由模型單元構成,而實體幾何表達和屬性信息是模型單元的重要組成部分。1)模型單元結合了鐵路車站工程信息模型及其相關屬性,滿足了信息輸入、交付和管理的基本要求。2)幾何精度可以準確衡量出模型單元實體幾何表達的真實程度,能夠根據實際的工程需求對模型精度進行相應的調整,以滿足不同場景、不同階段的需求。3)信息深度是主要用于評測模型單元信息的詳細程度,與幾何精度一樣,也可按照不同的需求進行信息深度的定義。
              應用維度:為了實現對鐵路工程項目資料的高效管理,且為全生命周期中的進度、質量、安全、成本等管理提供服務。在項目規劃階段,基于 BIM 進行包含基本立項信息、環境信息、投資信息等的三維正向概念設計;在設計階段,可以基于 BIM 的可視化設計,在鐵路車站工程信息模型中表達出鐵路車站項目的成本、工期以及規范要求等內容。在施工階段,開展基于 BIM 的進度、質量、安全和成本等可視化的項目管理應用,可以依據設計階段的成果文件集成工程實體的人員、機械、設備、工藝工法等建設信息形成竣工交付 BIM 模型并移交運維階段。在此基礎上,為了能夠有效開展基于鐵路工程信息模型進行運維管理和資產管理等應用,仍要附加鐵路基礎設施及設備信息,從而形成完整的可指導運維管理的鐵路車站工程信息模型。
              ...............................

              2.2 鐵路車站工程信息模型建模技術
              鐵路工程車站包括線路、四電、建筑、結構等多個專業,與其他建筑工程項目相比建模難度較大,且鐵路專業相關的模型族庫相對缺乏。沒有專業建模軟件可全部滿足鐵路車站工程各專業建模的需要,為達到基于 BIM 的鐵路車站工程的應用要求,在鐵路車站工程建模過程中,通常要根據不同專業而采用多種建模方式。現如今,主流復雜模型的三維建模技術由幾何參數化建模和三維掃描成型建模組成。在幾何參數化建模領域,已經取得了一定的成就:Xuao F [54]對 Revit 建模軟件中,模型 2D 到 3D的轉換展開了深入的研究;劉彥明[55]通過 Bentley 系列軟件對鐵路橋梁構件進行參數化設計;蔣慧[56]介紹了 Bentley 軟件在建筑設計中的三維應用。同時,在三維掃描建模領域:向祎[57]為了滿足各種主流 WebGL 的應用需求,將點云數據文件轉換成例如JSON、3DTiles 等通用的輕量化數據模式,加快了傳輸的速度;李開偉等人[59]結合了最小曲率插值網格化與加權反距離插值網格化等方法,對點云進行網格化處理。
              2.2.1 面向鐵路的 BIM 幾何建模技術
              (1)建模軟件簡介
              目前適用于鐵路工程領域的專業幾何建模軟件有 Revit、3Dmax 等及參數化建模輔助工具,國內會采用 Unity3D+3Dmax(簡稱 U3D 技術),該技術也得到了廣泛的應用,但 3Dmax 在建模的專業性上與 Revit 相比,并不是針對工程項目的建模軟件,對于鐵路車站工程而言 Revit 建模要比 3Dmax 更加高效便捷,因此選用 Revit 進行鐵路車站模型的搭建,再將其轉換成.FBX 格式后導入進 Unity3D 中,這樣的方式,建模的效率高并且可以大量的減少工作量,對鐵路車站模型的快速成型、各專業的拼接有著積極的作用。
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              第三章 鐵路車站工程信息數據庫的開發....................................32
              3.1 鐵路車站工程資料梳理分類..........................................32
              3.2 鐵路車站工程資料歸檔標準研究.........................................34
              第四章 多技術融合的工程資料管理可視化研究.......................... 40
              4.1 基于 BIM+VR 技術的工程資料管理.................................40
              4.1.1 BIM 與 VR 技術結合的優勢....................................... 40
              4.1.2 BIM+VR 技術結合的方案研究.............................. 41
              第五章 鐵路車站資料與模型的系統集成.....................56
              5.1 鐵路車站工程模型優化技術......................................57
              5.2 BIM5D 可視化顯示............................................ 60

              第五章 鐵路車站資料與模型的系統集成

              5.1 鐵路車站工程模型優化技術
              通過對鐵路車站工程的二維圖紙的分析后,建立完善鐵路車站的專業族庫以及鐵路車站的三維模型。在此系統中,BIM 模型可通過后臺調取相關數據,與其他的管理模塊互通、共享,方便對工程資料的整體管理。目前 BIM 模型面對大體量的工程的優化方案有眾多的解決方案,選用高效的模型渲染軟件以及在渲染引擎中進一步優化模型都是常用的方案。在鐵路車站工程模型項目時,優化模型的程度將大大決定系統的運行效率。因此需要對模型進行優化,本研究采用了多種優化方案進行模型的優化設計。
              一是將鐵路車站工程中相同的靜態模型定義為預制(prefab)對象。利用預設對象制作可復用的組件,這對于具有大量重復構件的鐵路車站工程項目的模型修改與優化都是非常高效的一種方式;
              二是壓縮模型的片面數,針對鐵路專業的特殊性,很多模型構件的面數會非常多,例如鋼軌、扣件等,而且此類模型數量龐大,因此需要簡化其模型面片數,針對截面線型較多的鋼軌等物體通過對截面線型的優化達到減少面數的效果,針對形狀比較復雜的模型來說,可以通過以平面代曲面。
              三是對周圍環境中的建筑使用 Unity3D 中的光照貼圖,在 Unity3D 中光源數量會影響模型的渲染效率,使用光照貼圖可減少光源的添加。光照貼圖技術是一種增強靜態場景光照效果的技術,優點:占用較少的系統資源,同時可使靜態場景看上去更加真實、有立體感;缺點:不能用來實時地處理動態光照。鐵路車站模型中包含了大量的多邊形,利用實時光源和陰影會大幅降低場景渲染的性能,在鐵路車站的模型優化中使用 Light mapping 技術,將光線效果預渲染成貼圖使用到多邊形上模擬光影效果。
              圖 2-6 部分 MEP 專業模型最終渲染圖
              圖 2-6 部分 MEP 專業模型最終渲染圖
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              第六章 結論與展望

              6.1 主要研究工作與結論
              目前,鐵路車站管理的信息化程度不高,給鐵路車站的資料管理帶來了較大的的困難,本研究為解決鐵路車站在全生命周期的管理中容易出現資料缺失、信息斷層、管理脫節等痛點問題。選取京滬線上的某車站作為研究的對象,建立模型化信息管理系統,并結合 AR、VR 等技術對車站工程資料的可視化管理進行了深入的研究,研究得出主要結論如下:
              (1)提出基于 BIM 的鐵路建設資料管理的內涵,主要從信息維度、過程維度和價值維度三個方面進行闡述。對鐵路工程信息模型的幾何建模技術、三維掃描成型技術等相關建模技術進行了專項研究,探尋通過多方式進行建模的方式。對軟件功能的分析后,選擇適用于本研究的建模軟件,并針對 U3D 的建模方案進行探索,利用鐵路車站的實例進行可行性研究。本章同時介紹了三維掃描技術的建模方案,基于手持式三維掃描儀,對車站的復雜位置進行了逆向建模,利用鋼軌連接處的結構部分為例進行了其方案實施過程的展示。最后對鐵路工程信息模型與 AR/VR 之間的信息融合相關技術進行研究,介紹了 VR、AR 技術發展歷程、技術原理、工作步驟等,該研究為后續開展相關與 BIM 進行融合的工作提供了理論技術支撐。
              (2)根據研究目的需求對鐵路車站工程的資料進行整理,運用科學的方法,對所獲得的資料進行檢驗、分類、匯總等初步加工,將資料按照文件格式,以及資料對應車站的區域進行系統化的處理。由于鐵路車站工程的多部門管理、多標準實施的特點,其工程資料的歸檔也需要參考多個標準和規范。本研究以京滬線上的某高鐵站的改擴建工程為例,依據《鐵路工程信息模型分類和編碼標準》、《上海鐵路局建設項目檔案管理暫行辦法》、《江蘇省房屋建筑和市政基礎設施工程檔案資料管理規范》進行資料的歸檔標準研究,針對這些標準以及鐵路車站改擴建工程的特點,進行了適合本工程標準化資料歸檔的研究,并將工程資料進行標準化歸檔。按照鐵路 BIM 聯盟的IFD 標準作為基礎,結合其他相關規范的要求,并聯系工程實際,采用鐵路工程工項、鐵路工程組織角色、鐵路工程人員角色、鐵路工程產品這四種分類方式,并結合鐵路車站的具體情況對工程資料進行標準化歸檔。最后進行鐵路車站工程數據庫搭建,完成資料的文檔數據庫、屬性數據庫的搭建,并基于云平臺搭建完成云數據庫。
              (3)研究 BIM 與 VR、AR 技術結合的優勢,并研究 BIM+VR 以及 BIM+AR 技術結合的方案,最后進行基于 BIM+VR、BIM+AR 技術的鐵路車站工程資料管理應用。基于 Unity3D 平臺利用 VR/AR 技術與 BIM 的結合,完成對鐵路車站工程資料的可視化功能的開發,工程數據庫的非幾何信息管理是關聯在三維模塊的幾何信息上的。通過編碼映射,以三維模型為接口,按構件劃分對工程數據庫進行增、刪、改、查操作。在設計與建設階段,實現結構及其響應的可視化虛擬呈現;在運維階段,使工程結構隨處可及,同時以模型為核心實現多源信息的疊加融合。
              參考文獻(略)

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