基于達(dá)索系統(tǒng)3D體驗(yàn)平臺的鐵路土建工程BIM協(xié)同設(shè)計技術(shù)研究 | 達(dá)索系統(tǒng)百世慧?

摘要

為了解決鐵路土建工程建筑信息模型(BIM,Building Information Modeling)設(shè)計過程中出現(xiàn)的重復(fù)建模、數(shù)據(jù)傳遞不暢問題, 從協(xié)同設(shè)計環(huán)境出發(fā),圍繞“骨架-模板”設(shè)計方法,對路基、橋梁、隧道專業(yè)BIM設(shè)計技術(shù)及專業(yè)間接口設(shè)計技術(shù)進(jìn)行研究。提出包括信息傳遞方法、模型設(shè)計方法在內(nèi)的協(xié)同設(shè)計環(huán)境,實(shí)現(xiàn)了模型數(shù)據(jù)的有效管理和BIM技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的有效實(shí)施。提出以骨架設(shè)計、構(gòu)件模板設(shè)計、構(gòu)件裝配設(shè)計三步驟為代表的土建工程BIM設(shè)計流程,實(shí)現(xiàn)了三維BIM環(huán)境下的土建工程設(shè)計流程再造。提出土建工程專業(yè)間接口設(shè)計技術(shù),充分發(fā)揮協(xié)同設(shè)計環(huán)境在土建工程領(lǐng)域的應(yīng)用價值。BIM協(xié)同設(shè)計環(huán)境、土建專業(yè)設(shè)計流程、專業(yè)間接口設(shè)計技術(shù)為滿足各方信息需求提供了有效路徑, 可為后續(xù)BIM技術(shù)在鐵路工程中的應(yīng)用提供借鑒。

建筑信息模型(BIM,Building Information Modeling)包含了建筑全生命周期各個方面的信息,可實(shí)現(xiàn)鐵路工程設(shè)計階段數(shù)據(jù)管理的協(xié)同共享,為工程建設(shè)全生命周期的各種決策及多方協(xié)同提供數(shù)字化基礎(chǔ)。

2014年,鐵總安排了以牡佳、京雄為代表的17個BIM試點(diǎn)項(xiàng)目,隨著這些項(xiàng)目的成功開展,BIM技術(shù)在鐵路工程領(lǐng)域得到了大力推廣和應(yīng)用。鐵路BIM聯(lián)盟在標(biāo)準(zhǔn)制定方面進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)研究[1][2][3] ,目前為止發(fā)布了13項(xiàng)鐵路BIM標(biāo)準(zhǔn),為BIM技術(shù)在鐵路工程中的應(yīng)用提供了標(biāo)準(zhǔn)支撐。

在鐵路土建工程BIM設(shè)計領(lǐng)域,許多業(yè)內(nèi)人士進(jìn)行了技術(shù)研究與工程實(shí)踐,趙月悅等人[4]運(yùn)用Revit軟件建立一整套高速鐵路橋梁構(gòu)件庫,對拱橋、鋼-混組合梁斜拉橋以及預(yù)應(yīng)力混凝土部分斜拉橋等特殊復(fù)雜橋梁進(jìn)行BIM設(shè)計;謝先當(dāng)?shù)热薣5]基于OpenRail Designer二次開發(fā),形成具備路基本體、支擋工程、邊坡防護(hù)、地基處理、三維排水等功能在內(nèi)的路基正向設(shè)計系統(tǒng);張軒[6]在京張高速鐵路隧道工程中,使用Bentley平臺開展了包括碰撞檢測、出圖算量、正向設(shè)計、協(xié)同設(shè)計在內(nèi)的隧道工程BIM應(yīng)用研究。上述研究多是針對路基、橋梁、隧道的單一專業(yè)進(jìn)行,從各自所處的角色對BIM技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用探索,而針對土建工程全專業(yè)BIM設(shè)計環(huán)境及設(shè)計方法的研究或應(yīng)用案例未見介紹。從研究的廣度來看,BIM技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于鐵路土建工程的各個專業(yè),從研究的深度來看,在單一專業(yè)的應(yīng)用已經(jīng)取得了一些成功案例[7][8],但鮮有在協(xié)同設(shè)計環(huán)境下串聯(lián)起路基、橋梁、隧道三專業(yè)的應(yīng)用案例。BIM技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)進(jìn)入了“深水區(qū)”, 各工程參與方均在探索BIM技術(shù)的應(yīng)用解決方案, 以發(fā)揮BIM技術(shù)的真正價值。

本文從基于達(dá)索系統(tǒng)3D體驗(yàn)平臺的三維協(xié)同設(shè)計環(huán)境出發(fā),圍繞 “骨架-模板”設(shè)計方法,研究路基、橋梁、隧道工程各專業(yè)BIM設(shè)計技術(shù)及專業(yè)間接口設(shè)計技術(shù),以期達(dá)到三維精細(xì)化設(shè)計與正向設(shè)計的目標(biāo)。

一、三維協(xié)同設(shè)計環(huán)境

為了在三維BIM環(huán)境下實(shí)現(xiàn)土建工程設(shè)計各參與方之間的交互協(xié)同和信息共享,需要建立共同工作的基礎(chǔ)環(huán)境,該環(huán)境包括信息傳遞方法、模型設(shè)計方法兩方面內(nèi)容。三維協(xié)同設(shè)計環(huán)境為土建工程專業(yè)間和專業(yè)內(nèi)BIM設(shè)計創(chuàng)造了基礎(chǔ)條件。

1. 信息傳遞

專業(yè)之間需要傳遞的信息分為2種類型,一是可以用結(jié)構(gòu)化形式傳遞的信息,信息傳遞要滿足軟件自動讀取的要求并用于BIM設(shè)計;二是只能以非結(jié)構(gòu)化形式、通過管理平臺傳遞的信息,用于人工讀取。

1.1結(jié)構(gòu)化信息傳遞

結(jié)構(gòu)化信息依托設(shè)計骨架傳遞,骨架即鐵路工程的主要位置及主要特征,以輕量化的點(diǎn)、線、面和參數(shù)對鐵路骨干進(jìn)行表達(dá),在鐵路工程BIM設(shè)計中起著定位與專業(yè)間信息傳遞的作用,骨架設(shè)計成果可作為模型裝配和實(shí)例化的輸入?yún)?shù)。因此,骨架設(shè)計的過程處處體現(xiàn)了多專業(yè)協(xié)同作業(yè)的過程。參考傳統(tǒng)鐵路工程設(shè)計過程,結(jié)合BIM設(shè)計特點(diǎn),將骨架設(shè)計劃分為兩個階段,即總骨架設(shè)計和專業(yè)骨架設(shè)計。

(1)總骨架

總骨架包括線路空間曲線,及路基、橋梁、隧道各專業(yè)缺口里程。

(2)專業(yè)骨架

專業(yè)骨架具體內(nèi)容根據(jù)專業(yè)特點(diǎn)確定,是對總骨架的進(jìn)一步深化,工程特征描述更精細(xì),如表1所示。專業(yè)骨架與總骨架之間保持聯(lián)動,總骨架的修改將驅(qū)動專業(yè)骨架隨之更新。

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表1 專業(yè)骨架設(shè)計內(nèi)容

參考鐵路土建工程技術(shù)特點(diǎn),結(jié)合BIM技術(shù)在三維參數(shù)化、協(xié)同化方面的優(yōu)勢,進(jìn)行路基、橋梁、隧道工程數(shù)字化設(shè)計流程再造,明確每個設(shè)計環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的下序資料,并與骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行映射。土建工程各專業(yè)骨架承載的結(jié)構(gòu)化信息如圖1所示。

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圖1 用于承載結(jié)構(gòu)化信息的土建工程各專業(yè)骨架

1.2非結(jié)構(gòu)化信息傳遞

非結(jié)構(gòu)化信息以各種數(shù)據(jù)文件承載,包括Word、Excel、AutoCAD等常用軟件生成的文件。

ENOVIA是達(dá)索系統(tǒng)3D體驗(yàn)平臺的B/S架構(gòu)應(yīng)用模塊,設(shè)計人員可通過ENOVIA模塊在瀏覽器端實(shí)現(xiàn)模型數(shù)據(jù)庫、人員權(quán)限及任務(wù)分配、文件數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程管理。有關(guān)責(zé)任人在啟動所負(fù)責(zé)的任務(wù)后,于ENOVIA端提交設(shè)計文檔到每項(xiàng)任務(wù),并開展成熟度狀態(tài)和版本管理工作。

2.設(shè)計成熟度管理

為從源頭上保證鐵路土建工程設(shè)計的系統(tǒng)性,提出“三棵樹”的設(shè)計理念,并制定相應(yīng)BIM實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)。“三棵樹”分別對應(yīng)不同的設(shè)計成熟度。

(1)骨架結(jié)構(gòu)樹:用于工程結(jié)構(gòu)的框架性設(shè)計和信息傳遞。

(2)設(shè)計結(jié)構(gòu)樹:用于設(shè)計過程和BIM模型組織。海量模型及其關(guān)聯(lián)關(guān)系的存儲會帶來數(shù)據(jù)庫性能的下降,減少數(shù)據(jù)庫記錄可有效提高數(shù)據(jù)存取和索引效率,增強(qiáng)協(xié)同設(shè)計體驗(yàn)。因此,在滿足設(shè)計檢查、優(yōu)化和工程數(shù)量統(tǒng)計的前提下,使用簡化特征表達(dá)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件,對組合后發(fā)揮特定作用的若干構(gòu)件按一個構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計,每個構(gòu)件使用特征表達(dá),并從特征層面建立約束關(guān)系,以達(dá)到減少數(shù)據(jù)庫記錄、提升平臺運(yùn)行效率的目標(biāo)。

(3)交付結(jié)構(gòu)樹:用于從設(shè)計模型轉(zhuǎn)換為交付模型。按照《鐵路工程信息模型交付精度標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定,模型需按單體構(gòu)件存儲、組織。在交付前使用平臺工具將設(shè)計結(jié)構(gòu)樹升級至交付結(jié)構(gòu)樹,將以簡化特征或整體表達(dá)的模型升級成單體構(gòu)件,以滿足建設(shè)管理、數(shù)字化施工等應(yīng)用需求。

二、骨架設(shè)計

橋梁骨架設(shè)計

“骨架-模板”是一種自上而下的設(shè)計方法,以橋梁工程為例,骨架定義了橋梁上下部各構(gòu)件的整體定位基準(zhǔn),其本身是BIM模型的一部分,通常外在表現(xiàn)為點(diǎn)、線、面和坐標(biāo)系等形式。基于該方法,一座橋梁的梁體、橋墩、橋臺和基礎(chǔ)等組成部分,在相對空間位置發(fā)生變化時,能夠繼承原有的設(shè)計框架,自動實(shí)現(xiàn)設(shè)計更改。

線位主骨架是創(chuàng)建橋梁定位骨架的基礎(chǔ),在模型空間表現(xiàn)為一條空間曲線,既包含平面曲線信息,又包含縱斷面信息。

獲取線位主骨架后,為了完成對橋梁各部分構(gòu)件的定位,還需要表格形式的輸入信息。橋梁一般包含梁體、橋墩、基礎(chǔ)以及橋臺四個主要部分,輸入信息由里程、高程、彎道布置、構(gòu)件類型等數(shù)據(jù)組成。

基于上述輸入信息,在達(dá)索系統(tǒng)軟件知識工程模塊的Knowledge Pattern工具中,使用EKL語言編寫腳本程序,調(diào)用達(dá)索系統(tǒng)軟件API(Application Program Interface)實(shí)現(xiàn)橋梁骨架運(yùn)算算法,完成橋梁定位骨架批量建模。

2. 路基骨架設(shè)計

路基骨架分為工點(diǎn)線位(一級骨架線)和路肩線(二級骨架線),它們是路基工程BIM建模的重要輸入元素。一級骨架線的創(chuàng)建方法是在每個路基工點(diǎn)范圍內(nèi)截取空間左線模型;二級骨架線是以工點(diǎn)范圍作為邊界條件生成左右側(cè)路肩位置三維空間曲線,創(chuàng)建該三維空間曲線時需考慮軌道結(jié)構(gòu)形式、鐵路等級對曲線加寬的影響。

對于U型槽來說,以左線投影線作為基準(zhǔn),根據(jù)U型槽單元長度、伸縮縫寬度,使用EKL腳本語言中的split()函數(shù)批量切割空間左線,生成每個U型槽段落的空間骨架,作為模型實(shí)例化的輸入條件。

3. 隧道骨架設(shè)計

以正洞和洞室為例,首先編制設(shè)計信息表,該表既可以作為隧道構(gòu)件模板實(shí)例化的依據(jù),也可以作為骨架建模的依據(jù)。步驟如下:

(1)確定骨架起終點(diǎn)里程

從設(shè)計信息表讀取各隧道節(jié)段的正洞起終點(diǎn)里程,以及各洞室所在里程、左右側(cè)信息及軸線長度。

(2)生成三維起終點(diǎn)

由于鐵路工程中的里程是平面左線長度的數(shù)值反映,因此,為了生成三維起終點(diǎn),首先沿平面左線以里程值為度量生成臨時定位點(diǎn),再通過該點(diǎn)沿Z方向延伸與空間左線相交生成三維起終點(diǎn)。

(3)生成隧道骨架線

使用EKL語言編寫腳本程序,循環(huán)截取空間左線,并生成與洞室軸線長度相等且垂直于空間線位的短線,分別作為隧道正洞和洞室骨架。

三、構(gòu)件裝配設(shè)計

1. 橋梁裝配設(shè)計

(1)簡支梁設(shè)計

綜合運(yùn)用BIM軟件的等截面實(shí)體、多截面實(shí)體、拉伸、剪切、布爾運(yùn)算等三維幾何造型功能創(chuàng)建簡支梁精細(xì)化BIM模板。在BIM生產(chǎn)項(xiàng)目實(shí)踐過程中,積累豐富的模板庫,使用catalog功能高效管理模板設(shè)計成果。

調(diào)用系統(tǒng)Assembly Pattern功能,分別選擇簡支梁模板與裝載坐標(biāo)系的幾何圖形集,最終完成各類簡支梁模板的批量實(shí)例化。

(2)連續(xù)梁設(shè)計

基于達(dá)索系統(tǒng)CAA架構(gòu),開發(fā)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋BIM設(shè)計工具,該工具嵌入到達(dá)索系統(tǒng)軟件內(nèi)部,以用戶界面對話框和Excel表格作為數(shù)據(jù)輸入媒介。在模塊設(shè)計方面,通過界面模塊、特征模塊、節(jié)段拓?fù)淠K,使用戶定義特征從虛擬的可派生基類逐步具體化成為可視的拓?fù)湫螤睿⒆罱K組裝成全橋BIM模型,界面如圖2所示。

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圖2 連續(xù)梁BIM設(shè)計工具用戶交互界面

(3)橋墩設(shè)計

對于橋墩設(shè)計,首先通過達(dá)索系統(tǒng)軟件Component Family模塊將橋墩一級模板分解為離散于數(shù)據(jù)庫中的二級模板,并同時為二級模板的幾何參數(shù)和屬性賦值。然后使用CAA進(jìn)行二次開發(fā),編制橋墩二級模板組裝程序,該程序從數(shù)據(jù)庫調(diào)取滿足屬性要求的二級模板,并將二級模板移動至與骨架坐標(biāo)系重合,循環(huán)操作,實(shí)現(xiàn)全橋橋墩的快速、批量BIM建模。

(4)基礎(chǔ)設(shè)計

對于基礎(chǔ)設(shè)計,使用達(dá)索系統(tǒng)CAA架構(gòu)開發(fā)了基礎(chǔ)批量BIM建模及審核程序,本程序具備批量創(chuàng)建基礎(chǔ)模型并以excel表格的形式輸出設(shè)計數(shù)據(jù)以供審核的功能。從開發(fā)角度上講,本程序同樣分為界面模塊、特征模塊、幾何拓?fù)淠K三部分,幾何拓?fù)淠K用于生成承臺和樁的CATBody類型拓?fù)浣Y(jié)果;特征模塊將樁和承臺各自封裝為一種面向?qū)ο蟮哪P停⒄{(diào)用幾何拓?fù)淠K實(shí)現(xiàn)特征顯示;界面模塊調(diào)用特征模塊實(shí)現(xiàn)批量建模功能。

2. 路基裝配設(shè)計

(1)基床設(shè)計

在進(jìn)行路基基床BIM設(shè)計前,需要根據(jù)地形起伏情況分段調(diào)用路堤、路塹模板。為了有效判斷路堤、路塹分界位置,首先應(yīng)該根據(jù)地質(zhì)情況將每個工點(diǎn)范圍劃分成若干個段落,每個段落采用同一個路塹標(biāo)準(zhǔn)橫斷面進(jìn)行路堤、路塹分界判別。具體過程為,計算出每個段落判斷線與地形面的交點(diǎn),根據(jù)這些交點(diǎn)將段落劃分為多個部分,在地形面以上的范圍為路堤,地形面以下為路塹,以此為原則,分別調(diào)用路堤、路塹BIM模板,與三維數(shù)字地形交互運(yùn)算,完成基床BIM設(shè)計,如圖3所示。

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圖3 路堤路塹分界點(diǎn)與基床BIM設(shè)計成果

(2)支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計

路基支擋結(jié)構(gòu)主要包括樁板式擋土墻、重力式擋土墻、懸臂式擋土墻、扶壁式擋土墻、U型槽(塢式擋土墻)等常用類型。采用知識工程等參數(shù)化手段,創(chuàng)建支擋結(jié)構(gòu)模板。

將U型槽通用工程模板及設(shè)計信息表添加到資源表,利用Action功能調(diào)用模板,循環(huán)讀取空間骨架線及設(shè)計信息表中的U型槽尺寸參數(shù),通過SetAttributeReal()函數(shù)為U型槽工程模板賦值,使用InstantiateTemplate()函數(shù)完成U型槽實(shí)例化,BIM設(shè)計成果如圖4所示。

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圖4 U型槽BIM模型及骨架圖示

3. 隧道裝配設(shè)計

不同類型隧道工程構(gòu)件在幾何特征上存在差距:對于山嶺隧道,每一段襯砌結(jié)構(gòu)以圍巖級別及埋深作為分類參數(shù),不同類型襯砌的內(nèi)輪廓相同,初支和二襯厚度不同;大部分隧道洞室采用相同的結(jié)構(gòu)型式,僅尺寸參數(shù)取值不同;對于使用通用楔形管片的盾構(gòu)隧道,每一環(huán)管片通常都由封頂塊、臨接塊和標(biāo)準(zhǔn)塊三種形式拼裝而成,沿線路方向所有管片環(huán)只存在空間位置的區(qū)別,幾何特征完全相同。

上述幾何特征上的區(qū)別引起構(gòu)件模板設(shè)計及模型實(shí)例化方法的不同,各類隧道工程構(gòu)件的BIM模板如圖5所示。

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圖5 各類隧道構(gòu)件BIM模板

根據(jù)不同類型構(gòu)件的幾何特征變化規(guī)律,創(chuàng)建以骨架為輸入元素的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)化模板庫。通過達(dá)索系統(tǒng)知識工程工具,讀入表格數(shù)據(jù)并識別構(gòu)件骨架線特征,調(diào)用所需構(gòu)件BIM模板并進(jìn)行參數(shù)賦值,實(shí)現(xiàn)批量裝配并最終完成全隧道BIM設(shè)計。

四、土建工程專業(yè)間接口設(shè)計技術(shù)

在BIM協(xié)同設(shè)計環(huán)境下,不同專業(yè)人員基于同一數(shù)據(jù)庫、同一三維地形協(xié)同工作。該環(huán)境不僅為設(shè)計人員開展土建結(jié)構(gòu)物、邊仰坡、電纜槽、排水溝等關(guān)聯(lián)構(gòu)件的精細(xì)化設(shè)計提供條件,同時也簡化了專業(yè)間資料和信息交換的過程,提高設(shè)計質(zhì)量,避免反復(fù)工作。

1.橋隧三維聯(lián)動設(shè)計

隧道設(shè)計人員先發(fā)布以三維空間平面代表的臨時缺口模型,土建工程其他專業(yè)以這些平面作為三維BIM設(shè)計的輸入?yún)?shù)、用以限定模型邊界范圍,當(dāng)缺口里程調(diào)整時,三維空間平面移動,橋梁、隧道專業(yè)模型隨之自動更新。上述流程實(shí)現(xiàn)了根據(jù)設(shè)計過程中的實(shí)際情況,綜合考慮安全、經(jīng)濟(jì)、美觀等多種控制因素的交互式專業(yè)間接口動態(tài)設(shè)計。

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圖6 橋隧三維聯(lián)動設(shè)計

2. 路隧排水接口設(shè)計

傳統(tǒng)二維模式以平面布置圖、橫斷面圖作為設(shè)計手段、綜合表達(dá)排水路徑,該方法不適用于復(fù)雜空間地形及多專業(yè)系統(tǒng)排水設(shè)計場景。以實(shí)測三維地形曲面作為設(shè)計依據(jù),發(fā)揮BIM技術(shù)的參數(shù)化優(yōu)勢,在協(xié)同環(huán)境下開展路基、隧道工程系統(tǒng)排水設(shè)計,如下圖所示,隧道截水天溝匯集山坡水流,排入路基天溝,保證了水流的有效、暢通。

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圖7 路隧排水接口設(shè)計

3.路橋過渡電纜槽(井)設(shè)計

過渡電纜槽(井)是路橋過渡段的一處重要地上接口。由于路基電纜槽間距普遍大于橋梁電纜槽,導(dǎo)致兩個專業(yè)間的電纜槽無法沿線路方向直接對接,需要在銜接處設(shè)置過渡電纜槽(井)將各自電纜槽內(nèi)的線纜平順連接。圖8為三維BIM協(xié)同環(huán)境下的路橋過渡電纜槽(井)接口設(shè)計成果,左側(cè)為路橋過渡電纜槽,右側(cè)為路橋過渡電纜井。

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圖8 路橋過渡電纜槽(井)接口設(shè)計

五、結(jié)語

結(jié)合BIM在鐵路土建工程中的應(yīng)用實(shí)踐, 從“骨架-模板”設(shè)計方法出發(fā),圍繞三維協(xié)同設(shè)計環(huán)境、骨架設(shè)計、構(gòu)件裝配設(shè)計和專業(yè)間接口設(shè)計,研究鐵路土建工程BIM協(xié)同設(shè)計技術(shù)。

建立同時具備三維結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化信息傳遞、設(shè)計成熟度管理功能的協(xié)同設(shè)計環(huán)境。基于達(dá)索系統(tǒng)3D體驗(yàn)平臺EKL腳本語言及CAA架構(gòu),運(yùn)用多層次開發(fā)手段,實(shí)現(xiàn)骨架設(shè)計與批量BIM建模。在上述成果基礎(chǔ)上,針對橋隧相接位置、系統(tǒng)排水、過渡電纜槽(井)工點(diǎn)開展專業(yè)間接口設(shè)計驗(yàn)證,充分體現(xiàn)了BIM技術(shù)的優(yōu)勢。

目前鐵路土建工程BIM設(shè)計大多基于國外通用軟件平臺開展,未來應(yīng)集中力量開發(fā)具有國產(chǎn)自主知識產(chǎn)權(quán)的BIM設(shè)計軟件,并積極進(jìn)行工程驗(yàn)證。

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作者

齊成龍( 中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司 )  國家一級注冊結(jié)構(gòu)工程師,中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司高級工程師。同濟(jì)大學(xué)工學(xué)學(xué)士、工學(xué)碩士,臺灣逢甲大學(xué)財務(wù)金融研究所交換生,發(fā)表EI、核心等中、英文學(xué)術(shù)論文40余篇。擁有極其豐富的鐵路工程勘察設(shè)計及BIM技術(shù)研發(fā)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

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