Эволюция проектирования объектов железнодорожной инфраструктуры с помощью BIM-технологий Autodesk

Кроме того, занимаясь непосредственно внедрением BIM-технологий и обучением использованию Civil 3D, я обратил внимание на то, что мало кто знаком с современными решениями для проектирования объектов железнодорожной инфраструктуры. В результате я решил написать статью, основываясь на своем опыте применения BIM-технологий и программного обеспечения Civil 3D. В качестве примера внедрения я взял практику нашего проектного института.

В данной статье пойдет речь о следующем:

1. Модуль «Железная дорога»
2. Модуль Autodesk Subassembly Composer для Civil 3D
3. Dynamo для Civil 3D
4. Civil 3D и Revit. CivilConnection 2020
5. Проверка на междисциплинарные коллизии

Я не буду подробно останавливаться на всех изменениях, которые были представлены в Civil 3D за эти годы, а только вкратце опишу возможности данной программы для проектирования раздела документации «Пути железнодорожные».

За последние несколько лет Autodesk интегрировал инструменты проектирования железных дорог в его основной функционал. Если у вас есть подписка на 2019 версию, то вы увидите, что на ленте Civil 3D появилась вкладка «Железная дорога» (Rail). Ранее данный функционал необходимо было устанавливать с помощью дополнительных обновлений. Сейчас работать с ним стало намного удобнее и быстрее. Все под рукой.

1. Модуль Civil 3D «Железная дорога»

Рис. 1. Вкладка ленты Civil 3D «Железная дорога»

1. «Инструменты создания» – Создание трассы железной дороги с помощью инструментов компоновки трасс (команда _AeccCreateRailAlignmentLayout);

2. «На основе объектов» – Создание трассы железной дороги с помощью выбранных линий, кривых и полилиний (команда _AeccCreateRailAlignEntities).

Панель «Кромка платформы»:

3. «Создать» – Создание кромки платформы из выбранной трассы железной дороги (команда _AeccCreatePlatformEdge);

4. «Редактировать» – Редактирование параметров характерной линии, которые определяют кромку платформы (команда _AeccEditPlatformEdge);

5. «Экспорт» – Экспорт данных кромки железнодорожной платформы в формат csv (команда _AeccExportPlatformEdge).

В Civil 3D инструментарий создания кромок платформы появился с установкой обновления Civil 3D 2019.1 Update. Кромка платформы рассчитывается на основе заранее заданных стандартов ширококолейной железной дороги или простой геометрии вагона. Далее вы можете взять готовые элементы конструкции, например «Железнодорожная платформа с двумя путями» (островная платформа) Dual_RailPlatform (рис. 2), и в качестве целей использовать созданные характерные линии кромок платформы.

При необходимости вы сами можете создать свои конструкции платформ в Autodesk Subassembly Composer for Civil 3D, например, по Типовому проектному решению № 501-7-014.91 Платформы пассажирские низкие железобетонные, Альбом 1.

Рис. 2. Палитра с примерами элементов конструкций для проектирования железных дорог

6. «Расчет» – Определение метода вращения железной дороги, колеи, а также метода отгона для расчета возвышения наружного рельса (команда _AeccCalcEditCant);

7. «Показать табличный редактор» – Ввод данных, просмотр и редактирование данных возвышения наружного рельса для каждой кривой (команда _AeccCallCantTabularViewOnAlign);

8. «Создать вид возвышения наружного рельса» – определение компонентов для создания вида возвышения наружного рельса (команда _AeccCreateCantView).

Панель «Переезд» (имеется в виду «Железнодорожный съезд»):

9. «Создать» – Создание трассы и стрелочных переводов для соединения двух параллельных железнодорожных путей (команда _C3D_RailConnection);

10. «Редактировать» – Изменение стрелочных переводов, трассы и меток созданных съездов (команда _C3D_RCEdit);

11. «Стереть» – Удаление съездов из чертежа (команда _C3D_RCErase).

Панель «Стрелка» (Стрелочные переводы)»:

12. «Создать» – Создание стрелочного перевода и трассы железной дороги с ответвлением от указанной трассы (команда _C3D_TurnOut);

13. «Редактировать» – Изменение стрелочного перевода, трассы железной дороги и маркировки созданных стрелочных переводов (команда _C3D_TurnOutEdit);

14. «Стереть» – Удаление стрелочного перевода из чертежа (команда _C3D_TurnOutErase).

Следует учитывать, что инструменты «Стрелочные переводы» и «Съезды» выполнены по нормам США, а не по российским. Так что без знания языков программирования вам не обойтись. Поэтому мы дали задание нашему программисту по разработке данного функционала с учетом наших норм. В результате мы создали удобный для проектирования и, в первую очередь, правильный функционал под наши региональные стандарты (рис. 3–4), в который заложили вставку стрелочного перевода с выбором следующих параметров:

• Тип стрелки – обыкновенный, симметричный, несимметричный;
• Проектный или существующий;
• Тип перевода – автоматический или ручной;
• Марка крестовины – 1/11, 1/9, 1/6, 1/18;
• Проект – 2750, 2726, 2768, 2882, 2764, 2830, 2751, 2771, 2773 и др.;
• Тип рельса – Р65, Р50.

Рис. 3. Панель на ленте Civil 3D – Стрелочные переводы

Рис. 4. Инструментарий создания стрелочных переводов по нормам России

С помощью команды «Просмотр свойств стрелочных переводов» (см. рис. 5) можем:

• просматривать различные параметры созданных стрелочных переводов в модели;
• выполнять фильтрацию по различным свойствам;
• выполнять выбор и зуммирование требуемого стрелочного перевода;
• выполнять экспорт данных по стрелочным переводам в Excel;
• выполнять редактирование марки крестовины стрелочного перевода.

Рис. 5. Инструментарий для просмотра параметров стрелочных переводов

Рис. 6. Инструментарий для создания ведомостей стрелочных переводов по нашим региональным нормам

Панель «Таблица»:

15. Таблица стрелок – размещение табличной информации, относящейся к железнодорожным стрелкам в чертеже.

Панель «Компоненты»:

16. Каталог стрелок – отображение библиотеки доступных стрелочных переводов и съездов.

17. Элементы конструкций – открытие палитры инструментов с конструкциями для создания железной дороги.

2. Модуль Autodesk Subassembly Composer для Civil 3D

Subassembly Composer предоставляет простой в использовании интерфейс для визуального создания сложных конструкций, при этом не требует глубокого знания программирования. С продуманностью и изобретательностью пользователи могут создавать конструкции для решения своих конкретных задач, в соответствии со своими нормами, которые могут применяться снова и снова после их импорта в Civil 3D – начиная от элементов верхнего и нижнего строения пути и заканчивая рельсами, шпалами, скреплениями, укреплениями откосов, платформами.

При установке Civil 3D в комплекте есть семь примеров конструкций для проектирования железных дорог (рис. 2):

• Железнодорожная платформа с двумя путями (островная платформа);
• Внутренний элемент конструкции многоколейного пути;
• Левый элемент конструкции многоколейного пути;
• Возвышение наружного рельса двухколейной железной дороги с дополнительными слоями;
• Железнодорожная платформа;
• Возвышение наружного рельса одноколейной железной дороги с дополнительными слоями;
• Правый элемент конструкции многоколейного пути.

Так мы и сделали. Наша BIM-Лаборатория по заказу производственного отдела – Сектора железных дорог – создала различные конструкции и инструкции к их применению согласно следующим основным типовым решениям и нормативной документации:

1) Серия 4.501-122 Серия 4.501-122 Поперечные профили земляного полотна железных дорог колеи 1520 мм;

1.1) Выпуск 0-1. Новые железные дороги (материалы для проектирования);

1.2) Выпуск 0-2. Вторые пути (материалы для проектирования);

2) СП 32-104-98 Проектирование земляного полотна железных дорог колеи 1520 мм;

3) Альбом чертежей верхнего строения железнодорожного пути;

4) Альбом конструкций креплений откосов земляного полотна железных и автомобильных дорог общей сети СССР. Альбом инв. №750.

Была проделана большая работа со специалистами сектора, чтобы учесть все технические подробности проектирования. В конструкции были заложены сотни различных параметров, чтобы проектировщик мог в любой момент внести изменения в конструкцию. Примеры созданных конструкций представлены на рис. 7–9.

Рис. 7. Конструкция верхнего строения пути, выполненная в Subassembly Composer, для однопутного участка пути с деревянными или железобетонными шпалами, с возможностью расчета возвышения наружного рельса в кривом участке пути

Рис. 8. Конструкция земляного полотна, выполненная в Subassembly Composer. Он позволяет определять наличие берм, геоматериалов, срезку торфа, расчета осадки насыпи и прочих параметров

Рис. 9. Конструкция рельса с учетом всех геометрических размеров, выполненная в Subassembly Composer

Вячеслав Приходько, ведущий инженер Сектора железных дорог отдела транспортной инфраструктуры института ООО «ИПИТ»:

В процессе работы мы заложили в конструкции сотни различных параметров. Например, добавлена возможность расчета возвышения рельса как вручную, так и в автоматическом режиме. Можно выбирать тип рельса – Р65 или Р50; тип шпалы – железобетонные или деревянные; тип скреплений и много других изменяющихся при проектировании параметров. Это позволило нам автоматизировать создание поперечных профилей, быстро выполнять вывод объемов работ, в более короткие сроки выпускать проектную и рабочую документацию по проектированию железнодорожных объектов по нашим стандартам. А самым необыкновенным было знакомство с Autodesk Vehicle Tracking и Dynamo for Civil 3D. Возможности данных программ как раз пригодились нам при выполнении различных задач.

Рис. 10. Изображение экрана Civil 3D с выводом TIN-поверхности, поперечных профилей, плана и 3D-модели земляного полотна и верхнего строения пути

Екатерина Щербак, инженер 2-й категории Сектора железных дорог:

Руководство института как-то поставило нам интересную задачу – с помощью попикетного метода расчета выяснить, насколько BIM-технологии повышают точность расчета объемов земляных работ по сравнению со стандартными методами. Мы проконсультировались с Артемом Дурасовым, чтобы узнать, как эту задачу можно сделать в кратчайшие сроки и с большой точностью рассчитать объемы земляных работ. Для этого мы построили коридор в Civil 3D из конструкций, созданных ранее в Subassembly Composer. Затем разделили коридор на пикеты по сто метров, извлекли поверхности из коридора. Следующим шагом был расчет объемов с помощью пульта управления объемами. Вычисление происходит путем сравнения двух поверхностей: базовой (ЦММ) и поверхности сравнения (проектной поверхности земляного полотна). При этом расчете учитываются все неровности земляного полотна, которые засняли с помощью лазерной геодезической съемки. В результате мы выяснили, что строительной организации дополнительно на одном километре пути необходимо было привезти за свой счет 8439 м3 дренирующего грунта, а это в исчислении 2019 года около 8 млн рублей.

Использование метода вычисления объёмов путём сравнения поверхностей коридора даёт более точный вариант за счёт использования большего количества исходных данных, но такой расчёт нельзя приложить в качестве основы для экспертизы. У эксперта должна быть возможность проверить расчёт на любом пикете, как это делалось раньше, когда ещё не было программного обеспечения и высокоточного лазерного оборудования, а были карандаш, счёты, планиметр, курвиметры.

Если необходимо включить более точные объемы земляных работ в сметную документацию, поперечные сечения стоит сделать чаще – не через 100 метров, а, например, через 10.

Таблица 1. Результат расчета отклонения объёмов земляных работ стандартным методом и по информационной модели объекта в Civil 3D

В результате применения модуля Subassembly Composer и Civil 3D вы сможете автоматизированно выпускать документацию по вашим региональным требованиям, а также динамично вносить изменения в случае необходимости.

3. Dynamo для Civil 3D

Причины, по которым стоит начать изучать и использовать Dynamo для Civil 3D в своей деятельности:

1. Автоматизация повторяющихся задач;
2. Доступ к данным Civil 3D;
3. Преобразование данных Civil 3D под собственные нужды;
4. Исследование нескольких вариантов решений;
5. Экспорт данных из программы;
6. Связь с другими программами;
7. Доступ практически к любым сторонним приложениям, имеющим API-интерфейс;
8. Расширение возможностей программного обеспечения.

Меня часто спрашивают, где скачать Dynamo для Civil 3D, где находится на ленте команда Dynamo для Civil 3D или как работает Dynamo для Civil 3D.

Как установить Dynamo для Civil 3D

Более подробную информацию вы можете прочитать в справке по Autodesk Civil 3D 2020, перейдя в раздел «Autodesk Dynamo для Civil 3D».

Рис. 11. Открытие окна Dynamo на ленте вкладки «Управление»

Как работает Dynamo для Civil 3D

Обычно для программирования дополнительных возможностей к решению необходимо писать код, который требует серьезных знаний в области программирования. Поэтому либо приглашается опытный программист, либо инженеру приходится тратить много времени на простые повторяющиеся процессы.

Но теперь разработчики Dynamo создали своего рода блоки (nodes), выполняющие определенные операции и не требующие написания сложного кода. Соединяя эти ноды друг с другом в определенном порядке, вы определяете им отношения и последовательность действий, которые и составляют пользовательские алгоритмы. С их помощью можно производить обработку данных, создавать геометрию, производить экспорт и импорт данных – и все это в реальном времени без написания сложного кода. В результате совокупность нодов создает понятные правила, по которым и будет работать программа.

А если необходимо создать свой собственный алгоритм или скрипт, которого нет в списке готовых нодов? Для этого можно написать скрипты на языке Design Script и IronPython, что наделяет Dynamo еще большими возможностями.

Ноды имеют входы (Input) и выходы (Output). Выходные данные из одного нода к другому как бы перетекают через «провода» (связи). Результатом являются графически представленные действия, необходимые для достижения определенного результата.

Рис. 12. Краткое описание построения визуальной программы в Dynamo

Первый пример: Раскладка шпал по оси трассы

Например, в моем примере – 3754 штук шпал на участке (рис. 13). Длина участка – 1876.88 м. В результате с помощью нодов, представленных в Dynamo для Civil 3D, я собрал программу для раскладки шпал по определенной траектории и Z-координате. И данная задача у меня заняла менее одной минуты.

Где это может пригодиться? В своей практике мне часто приходилось раскладывать поэлементно горловины станций. Нужно каждую шпалу разложить вручную, а также выводить объемы по типам применяемых шпал в ведомость объемов работ. С данным инструментом раскладка производится намного быстрее. Делая это вручную, даже с использованием массивов и извлечением атрибутов, я мог потратить на эту задачу десятки часов. Теперь, имея скрипт Dynamo, я выполняю раскладку за 10 минут.

Кроме этого, можно выполнить нумерацию каждой шпалы отдельно, вывести координаты по каждой из них и по их количеству. При необходимости шпалы, рельсы и скрепления можно сгруппировать в рельсо-шпальную решетку длиной по 25 метров, а также вывести необходимые данные в таблицу Excel.

Кратко опишу созданный алгоритм в Dynamo (рис. 14):

1. Указываем, что работаем с текущим чертежом.
2. Производим выбор коридора по указанному имени коридора.
3. Получаем список всех базовых линий в коридоре.
4. Получаем список всех областей базовой линии.
5. Получаем значение начального и конечного пикета области.
6. Создаем последовательность чисел в заданном диапазоне. В моем случае это 0.5. Если один километр поделить на эпюру шпал, то получим, что центр шпалы располагается через полметра.
7. Получаем систему координат по ранее созданной последовательности чисел. В моем случае это пикеты базовой линии.
8. Производим вставку 3D-блока шпалы в определенный слой по заданным координатам и углу поворота блока относительно оси пути.

Скачать примеры файлов Dynamo вы можете по данной ссылке.

Рис. 13. Цифровая модель железнодорожного пути, созданная в Civil 3D

Рис. 14. Алгоритм раскладки шпал вдоль оси трассы железной дороги

Второй пример: Раскладка скреплений по оси трассы

Размеры смещения я вычисляю с помощью нодов, которые получают список всех конструкций на указанных пикетах, а затем всех параметров и значений из конструкции. Далее самостоятельно указываем индекс элемента из полученного списка параметров и вводим это значение для показателя смещения.

Третий пример: Экспорт координат пикетов трассы в Excel

Кратко опишу созданный алгоритм визуальной программы в Dynamo (см. рисунок 15):

1. Указываем, что работаем с текущим чертежом.
2. Производим выбор трассы по указанному имени.
3. Получаем значение начального и конечного пикета трассы.
4. Далее создаем последовательность чисел в заданном диапазоне. В моем случае это 100. Пикет равен 100 метрам.
5. Далее получаем систему координат по ранее созданной последовательности чисел, в моем случае через 100 метров вдоль оси трассы.
6. Получаем координаты точек по X и Y оси трассы и значение пикета.
7. Производим запись данных в формате электронной таблицы Excel.

Рис. 15. Нод для записи данных в Excel

4. Пакет нодов CivilConnection 2020 для связи Civil 3D с Revit

В пакете CivilConnection имеются ноды для получения данных из трасс, конструкций, коридора, характерных линий, профиля, вида профиля и еще много других инструментов, на которые рекомендую обратить внимание.

Пример из практики BIM-инженера:

В процессе проектирования объекта была поставлена задача: оптимизировать земляные работы, вывести данные и статистику по высотам насыпи. Эта информация должна динамично выводиться после изменения проектного продольного профиля. В этом случае нам помог пакет CivilConnection 2020 для Dynamo for Revit. Мы собрали из нодов алгоритм, который выводит данные отметок по проектному продольному профилю и по профилю черной земли. С помощью математических нодов получили разницу на каждом пикете и переломе профиля – так называемые рабочие отметки. Далее с помощью нодов сортировки выполнили сортировку данных по высоте. Затем данные выводились автоматически в Excel. Они размещались в облачном хранилище, где с ними работал руководитель проекта и вносил свои замечания.

Рис. 18. Пакет нодов CivilConnection 2020 для связи Civil 3D с Revit

5. Проверка на междисциплинарные коллизии

С помощью продукта Navisworks я, как начальник BIM-лаборатории, обязательно выполняю проверку проектов на междисциплинарные коллизии и вывожу это все в отчет.

Как показала практика, ручная проверка большого количества разделов занимает много времени и трудозатрат. И не факт, что все коллизии удастся найти. В результате какая-нибудь из них может привести к большим непредвиденным затратам.

В качестве примера я покажу проверку на междисциплинарную коллизию между земляным полотном железнодорожного пути и опор линии электропередач (рис. 19). В данном случае опоры должны были находиться не ближе 20 метров от низа откоса насыпи.

Инструмент Navisworks «Диспетчера конфликтов» (Clash Detective) позволил нам выполнять поиск по всей модели проекта и еще на ранних этапах проектирования выявлять взаимодействия (конфликты) между различными разделами проекта.

Рис. 19. Выявленные с помощью Autodesk Navisworks междисциплинарные коллизии между земляным полотном железнодорожного пути и опорами линии электропередач с назначенным допуском 20 метров

В заключение

Поддержка визуального языка программирования Dynamo для Civil 3D – ещё одно доказательство в пользу того, что проектирование действительно эволюционирует. Это принциально новый уровень автоматизации проектирования. В нашем проектном институте мы уже начали изучать способы применения Dynamo для железнодорожной инфраструктуры, так как видим в этом возможность ускорить выпуск документации, повысить качество создания информационных моделей и точность расчета объемов работ и материалов.