基于廣義六面體的站場(chǎng)數(shù)字路基模型構(gòu)建方法研究

柯子翊，蒲浩，李偉，李長(zhǎng)淮，魏方華，王鵬

基于廣義六面體的站場(chǎng)數(shù)字路基模型構(gòu)建方法研究

柯子翊1，蒲浩1，李偉1，李長(zhǎng)淮2，魏方華2，王鵬2

(1. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院 高速鐵路建造技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410075；2. 中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 軌道交通工程信息化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710043)

建立具有連續(xù)空間表達(dá)的站場(chǎng)數(shù)字路基模型是實(shí)現(xiàn)站場(chǎng)專業(yè)BIM的基礎(chǔ)核心問題。以站場(chǎng)的平縱橫設(shè)計(jì)資料為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，提出基于離散斷面的數(shù)字路基模型的構(gòu)建方法，實(shí)現(xiàn)站場(chǎng)下部結(jié)構(gòu)信息模型的連續(xù)空間表達(dá)和高效的信息提取。建立鄰接異構(gòu)斷面的構(gòu)體原則，提出“廣義六面體”法刻畫不同構(gòu)體狀態(tài)下的空間封閉幾何體模型；研究具有多級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的體模型的剖切算法，實(shí)現(xiàn)了任意斷面的快速提取；編制了原型程序，并利用獨(dú)李北站算例進(jìn)行測(cè)試分析，應(yīng)用表明該方法可實(shí)現(xiàn)站場(chǎng)數(shù)字路基模型的高效構(gòu)建與信息查詢。

鐵路站場(chǎng)；BIM；廣義六面體；構(gòu)體原則；斷面提取

建筑信息模型(Building Information Model，簡(jiǎn)稱BIM)，是對(duì)任意建筑物的物理表現(xiàn)和功能特性作出共享的數(shù)字化表達(dá)，并可為決策提供可靠的基礎(chǔ)[1]。鐵路工程項(xiàng)目投資巨大，且涉及到線路、站場(chǎng)、橋梁、隧道、涵渠、通信、信號(hào)和電力等諸多專業(yè)，應(yīng)用BIM技術(shù)可提高鐵路工程多專業(yè)的協(xié)同設(shè)計(jì)質(zhì)量和生產(chǎn)效率，推動(dòng)其全生命周期的信息化發(fā)展[2]。站場(chǎng)專業(yè)是鐵路站后專業(yè)的“龍頭”，是連接站前與站后專業(yè)的紐帶[3]，其承擔(dān)著將鐵路工程各專業(yè)間的異同數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析及傳遞的重任，因此站場(chǎng)的BIM技術(shù)是實(shí)現(xiàn)鐵路工程信息化的核心和突破口。經(jīng)過近年來相關(guān)研究人員在鐵路設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營(yíng)等方面應(yīng)用BIM技術(shù)的探索[4?7]，鐵路工程建設(shè)領(lǐng)域的BIM技術(shù)有了一定的雛形，實(shí)現(xiàn)BIM技術(shù)的基礎(chǔ)的核心問題鎖定在建立連續(xù)的三維信息化空間模型[8]。因此，針對(duì)站場(chǎng)的BIM技術(shù)應(yīng)用問題，本文重點(diǎn)探討站場(chǎng)下部結(jié)構(gòu)數(shù)字化的空間連續(xù)表達(dá)模型，即數(shù)字路基模型的構(gòu)建方法。當(dāng)前的站場(chǎng)數(shù)字化設(shè)計(jì)一般通過設(shè)定一系列采樣樁號(hào)，將設(shè)備的平面幾何形位與縱斷面高程信息投影到橫斷面上，再進(jìn)行詳細(xì)的橫斷面設(shè)計(jì)，即試圖利用離散式的斷面化的數(shù)據(jù)表達(dá)設(shè)備的空間布設(shè)情況。斷面化的數(shù)據(jù)可以一定程度上刻畫復(fù)雜路基結(jié)構(gòu)的三維空間展布情況，為構(gòu)建站場(chǎng)信息化的連續(xù)表達(dá)奠定基礎(chǔ)。基于斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行空間體模型構(gòu)建的技術(shù)在地學(xué)領(lǐng)域已有廣泛的研究，例如鄧飛等[9]以二維地質(zhì)剖面為輸入，定義了一種由上、下層界面和閉合邊界面組成的三維地質(zhì)體塊，可將三維地質(zhì)模型應(yīng)用體塊集合進(jìn)行表達(dá)；薛林福等[10]基于剖面把單元模型組裝成具有不同深度范圍、詳細(xì)程度的三維模型；陳國(guó)良等[11]提出了一種基于交叉剖面數(shù)據(jù)劃分單元格進(jìn)行三維建模的方法，能有效利用多方向的剖面數(shù)據(jù)參與模型構(gòu)建。類似地，站場(chǎng)數(shù)字路基模型的構(gòu)建也可根據(jù)離散的斷面序列，進(jìn)行分塊的單元化的建模，但由于站場(chǎng)的多個(gè)斷面間由設(shè)備緊密關(guān)聯(lián)著，且每個(gè)斷面本身具有多路基體、多填料分區(qū)、多填料分層的組織架構(gòu)。對(duì)此，本文針對(duì)模型構(gòu)建與分析過程中的特點(diǎn)提出以下5點(diǎn)解決方法：1) 針對(duì)站場(chǎng)多斷面、多體、多區(qū)、多層的組織架構(gòu)提出如圖1所示的“分?jǐn)嗝?分體?分區(qū)?分層”的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；2) 針對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和斷面間的設(shè)備關(guān)聯(lián)性提出用于識(shí)別對(duì)應(yīng)拓?fù)鋮^(qū)域并判斷構(gòu)體狀態(tài)的構(gòu)體原則；3) 針對(duì)站場(chǎng)對(duì)應(yīng)拓?fù)鋮^(qū)域的不同構(gòu)體狀態(tài)，提出適配異構(gòu)體表達(dá)的廣義六面體單元結(jié)構(gòu)；4) 針對(duì)多層次的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和廣義六面體單元的高效構(gòu)建、連接與管理問題，建立具有索引系統(tǒng)和包圍盒系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，形成站場(chǎng)的連續(xù)數(shù)字化空間表達(dá)；5) 針對(duì)分塊的單元化的站場(chǎng)數(shù)字路基模型的信息查詢與分析問題，設(shè)計(jì)單元剖切、參數(shù)繼承、集成歸并的截面提取算法?，F(xiàn)有使用中南大學(xué)與中鐵第一勘察設(shè)計(jì)研究院合作開發(fā)的RSCAD站場(chǎng)軟件設(shè)計(jì)的大量數(shù)字化資料[12]，利用這些平縱橫設(shè)計(jì)資料，歸納整理離散的斷面序列，基于本項(xiàng)研究提出的“廣義六面體”法，可以建立站場(chǎng)的連續(xù)空間數(shù)字表達(dá)，并利用多層次體模型的剖切算法快速定位并提取截面，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)站場(chǎng)任意位置的設(shè)備分布及填料信息的查詢分析。本研究促進(jìn)了站場(chǎng)專業(yè)的信息化建設(shè)，并為實(shí)現(xiàn)站場(chǎng)BIM化的高效管理和輔助決策提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖1 橫斷面數(shù)據(jù)的4層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1 數(shù)據(jù)源及預(yù)處理

建立站場(chǎng)下部結(jié)構(gòu)的數(shù)字模型的數(shù)據(jù)來源于對(duì)設(shè)備的平面、縱斷面和橫斷面設(shè)計(jì)成果。站場(chǎng)設(shè)備泛指所有為站場(chǎng)作業(yè)服務(wù)的部件。

站場(chǎng)設(shè)備可按照其空間形位劃分為點(diǎn)式、線式和面式設(shè)備。點(diǎn)式設(shè)備通常指由中心點(diǎn)定位的設(shè)備，例如警信等，對(duì)于站場(chǎng)下部結(jié)構(gòu)空間形位的影響甚微，本文不做重點(diǎn)探討。線式設(shè)備主要指由蜿蜒起伏的中心線定位的設(shè)備，例如股道、水溝等，將確定一定范圍內(nèi)的站場(chǎng)模型的高程變化。面式設(shè)備主要指由多個(gè)邊界點(diǎn)圍合成一定區(qū)域進(jìn)行定位的設(shè)備，例如場(chǎng)坪、房屋等，將決定其覆蓋范圍內(nèi)站場(chǎng)模型的幾何表現(xiàn)。

為合理地支承站場(chǎng)設(shè)備，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的路基結(jié)構(gòu)。站場(chǎng)的路基結(jié)構(gòu)主要通過橫斷面設(shè)計(jì)進(jìn)行表達(dá)，經(jīng)過下述4步主要流程，獲得離散的斷面化的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)：

1) 首先甄選出線式或面式設(shè)備發(fā)生變化的一系列特征里程，設(shè)置為初始樁號(hào)序列，通過外業(yè)實(shí)測(cè)或數(shù)模內(nèi)插得到各樁號(hào)的地面線數(shù)據(jù)；

2) 通過對(duì)斷面進(jìn)行橫向坡度變化的設(shè)計(jì)，將其劃分成多個(gè)路基體，進(jìn)而將各體中基準(zhǔn)設(shè)備的高程推導(dǎo)至整個(gè)斷面范圍，從而獲得各體的路基面線和邊坡線，完成外輪廓設(shè)計(jì)；

3) 以特定設(shè)備為分界標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)填料輔助線將體分隔為多個(gè)填料分區(qū)，各分區(qū)內(nèi)的最高等級(jí)設(shè)備將決定其填料標(biāo)準(zhǔn)；

4) 按照填料標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定的填料類型和坡率，設(shè)計(jì)填料分層線將各填料分區(qū)層層細(xì)分形成多個(gè)填料分層，完成路基結(jié)構(gòu)的內(nèi)輪廓設(shè)計(jì)。

在斷面化表達(dá)的路基結(jié)構(gòu)中，將獲取的地面線數(shù)據(jù)，以及設(shè)計(jì)的路基面線、邊坡線、填料輔助線和分層線數(shù)據(jù)統(tǒng)稱為邊界線，通過四條邊界線的相互圍合，形成各體、區(qū)、層區(qū)域，各區(qū)域中也將包含線式或面式設(shè)備在斷面上的特征信息。

原始的斷面化的數(shù)據(jù)中記錄的邊界線的點(diǎn)的坐標(biāo)采用的是局部的相對(duì)路基體中心位置的坐標(biāo)系，需將其先轉(zhuǎn)換成符合建模需求的一系列三維空間坐標(biāo)系下的離散斷面。

2 站場(chǎng)數(shù)字路基模型構(gòu)建及應(yīng)用 流程

如圖2所示，本文分3階段分別闡述了前期的數(shù)據(jù)源分析及預(yù)處理流程、數(shù)字路基模型的構(gòu)建流程和應(yīng)用模型進(jìn)行任意斷面插值的流程。

通過第1部分對(duì)數(shù)據(jù)源的整理分析和預(yù)處理，可以獲取設(shè)備的空間控制點(diǎn)坐標(biāo)，以及路基結(jié)構(gòu)的離散斷面序列?；谶@些數(shù)據(jù)，數(shù)字路基模型的構(gòu)建主要按照以下4步進(jìn)行：

1) 基于離散斷面序列和設(shè)備間的關(guān)聯(lián)，制定構(gòu)體原則，判別鄰接斷面間體、區(qū)、層的匹配情況，及相應(yīng)的構(gòu)體狀態(tài)；

2) 針對(duì)斷面化的路基結(jié)構(gòu)，利用如圖3所示的流程進(jìn)行六面體模型的構(gòu)建，同時(shí)為建立統(tǒng)一的處理機(jī)制，提出一種廣義六面體的結(jié)構(gòu)單元，用于適配不同的構(gòu)體狀態(tài)下可能產(chǎn)生的異構(gòu)情況；

圖2 站場(chǎng)數(shù)字路基模型構(gòu)建與信息提取流程圖

圖3 六面體圖形的構(gòu)建

3) 為高效地管理廣義六面體單元，構(gòu)建一種包含了拓?fù)潢P(guān)系的編號(hào)系統(tǒng)；同時(shí)為迅捷地定位及查詢信息，嵌套了對(duì)應(yīng)單元的長(zhǎng)方體包圍盒；

4) 根據(jù)“分?jǐn)嗝?分體?分區(qū)?分層”的拓?fù)潢P(guān)系，將廣義六面體單元依次連接，構(gòu)成完善的數(shù)字路基模型。

基于構(gòu)建的站場(chǎng)數(shù)字路基模型，主要的應(yīng)用需求是從模型中快速提取任意位置的斷面信息，因此文章按照判斷相交、分塊剖切、組織斷面的步驟創(chuàng)建全新的斷面并查詢信息。

3 廣義六面體法建模步驟

站場(chǎng)數(shù)字路基模型主要基于離散斷面序列進(jìn)行構(gòu)建，鄰接斷面的構(gòu)體過程通常是將前后兩側(cè)的4組邊界線對(duì)應(yīng)相連，形成上、下、左、右側(cè)的4個(gè)面，再匹配前、后側(cè)的圍合區(qū)域，組成一個(gè)六 面體。

實(shí)際的斷面中，邊界線不一定是線段，而鄰接斷面間對(duì)應(yīng)的邊界線也不一定共面，因此構(gòu)成的6個(gè)側(cè)面一般不是平面。為構(gòu)建兼容任意異構(gòu)狀態(tài)的建模算法，本文引入廣義面的概念以歸納復(fù)雜的情況，建模的基本單元?jiǎng)t被定義為廣義六面體單元，通過建立統(tǒng)一的處理邏輯，可提高算法的執(zhí)行效率與魯棒性。

其中廣義面泛指一類能夠表征空間形位的幾何元素，當(dāng)其空間維度及圖形的封閉狀態(tài)不一致時(shí)，具體表現(xiàn)的圖形也會(huì)相應(yīng)變化，表1簡(jiǎn)明闡述了廣義面的幾種不同表達(dá)。

表1 廣義面的幾種表現(xiàn)圖形

建模的一般流程是由系列斷面構(gòu)建系列的廣義六面體單元，多個(gè)廣義六面體單元的集合形成數(shù)字路基模型。其中關(guān)鍵的步驟是制定鄰接斷面間的構(gòu)體原則，構(gòu)建廣義六面體單元，以及設(shè)計(jì)適配的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

3.1 構(gòu)體原則

針對(duì)斷面數(shù)據(jù)多體、區(qū)、層的特點(diǎn)，以體、區(qū)、層作為不同細(xì)節(jié)的建模單元。在實(shí)際進(jìn)行單元?jiǎng)澐值倪^程中鄰接斷面間的某些區(qū)域不能直接匹配時(shí)，需制定相應(yīng)的構(gòu)體原則，滿足在任意狀態(tài)下的實(shí)體模型的構(gòu)建。

針對(duì)體、區(qū)、層數(shù)量不一致，體、區(qū)中心設(shè)備不一致，體設(shè)備不相關(guān)，層級(jí)不一致，對(duì)應(yīng)層級(jí)的填料類型不一致等情況，制定的構(gòu)體原則處理流程如圖4所示。

輸入鄰接斷面數(shù)據(jù)，通過構(gòu)體原則的處理流程，最終可得到4種不同的構(gòu)體狀態(tài)，分別是：完全同構(gòu)，尖滅到最右邊線，尖滅到上下邊線，以及無(wú)連接關(guān)系。

3.2 廣義六面體單元的構(gòu)建

針對(duì)上述4種不同的構(gòu)體狀態(tài)，廣義六面體單元的構(gòu)建過程存在一定差異，為詳述不同狀態(tài)下各單元的構(gòu)建原理，將斷面上的體、區(qū)、層分別定義為T，Q和C，并定義區(qū)域的上下左右側(cè)分別為t，s，l和r，再將其中的設(shè)備序列表示為E，并定義設(shè)備序列的最左側(cè)和最右側(cè)元素分別為E.L和E.R。

1) 當(dāng)鄰接斷面的體、區(qū)、層的數(shù)量及類型均一致時(shí)，構(gòu)體狀態(tài)為完全同構(gòu)，由鄰接斷面的前后對(duì)應(yīng)點(diǎn)直接相連，形成4個(gè)側(cè)面，與前后斷面上的邊界面閉合構(gòu)成廣義六面體單元。

圖4 構(gòu)體原則處理流程圖

2) 當(dāng)鄰接斷面的體或區(qū)數(shù)量不一致時(shí)，構(gòu)體狀態(tài)為尖滅到左右邊線，須考慮設(shè)備的空間分布：判斷新增的體或區(qū)的設(shè)備序列是否包含對(duì)側(cè)的體或區(qū)的設(shè)備序列的最左或最右側(cè)的元素，若包含最左側(cè)，則向左邊界線尖滅，反之向右尖滅。以路基體為例：

3) 當(dāng)鄰接斷面的層的數(shù)量或?qū)傩圆灰恢聲r(shí)，構(gòu)體狀態(tài)為尖滅到上下邊線，優(yōu)先滿足分層的層級(jí)對(duì)應(yīng)，再滿足填料類型對(duì)應(yīng)，按照保證高層級(jí)、高等級(jí)填料位于上層的原則，將其所在的分層向?qū)?cè)的上邊界線進(jìn)行尖滅處理，反之則向?qū)?cè)的下邊界線進(jìn)行尖滅處理。以層級(jí)一致時(shí)填料類型不一致的情況為例，設(shè)層級(jí)為F，填料類型的等級(jí)為G：

4) 當(dāng)鄰接斷面間未出現(xiàn)任何相同的設(shè)備，構(gòu)體狀態(tài)為無(wú)連接關(guān)系，則無(wú)法構(gòu)建廣義六面體單元，在模型上即表現(xiàn)為在該位置上幾何體處于斷開 狀態(tài)。

上述4類構(gòu)體狀態(tài)下的廣義六面體單元構(gòu)建結(jié)果在圖5分別進(jìn)行展示。

3.3 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

為將廣義六面體單元高效地存儲(chǔ)并連接形成數(shù)字路基模型，需設(shè)計(jì)適配的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。本文主要從2個(gè)方面對(duì)廣義六面體單元進(jìn)行記錄：拓?fù)潢P(guān)系與幾何表達(dá)。

從拓?fù)潢P(guān)系的角度出發(fā)，如圖6所示，先定義統(tǒng)一的抽象類Geometry：

1) 為確保元素可被唯一檢索，在Geometry中定義了自身的唯一標(biāo)識(shí)符(GUID)；

2) 記錄其所屬的高一空間維度的元素的GUID；

3) 記錄其父級(jí)層次及所有子級(jí)層次的GUID；

4) 部分元素中記錄其所有關(guān)聯(lián)設(shè)備的GUID。

此外，本文引入了由拓?fù)鋵哟紊傻臉?biāo)記序列作為GUID的后綴(PosFix)。例如用于表達(dá)填料分層層次的元素的PosFix可由“斷面樁號(hào)+體號(hào)+區(qū)號(hào)+層號(hào)”進(jìn)行表示，從而可通過GUID直接解譯出其父級(jí)的斷面、體、區(qū)的信息。

(a) 完全同構(gòu)；(b) 尖滅到左右邊線；(c) 尖滅到上下邊線；(d) 無(wú)連接關(guān)系

圖6 “Geometry”抽象類

從幾何表達(dá)的角度出發(fā)，需對(duì)Geometry進(jìn)行泛化，描述具體的空間形位?；趶V義六面體的概念，定義了如圖7所示的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：一個(gè)廣義六面體(Solid)單元由6個(gè)廣義面(Face)組成，廣義面又需從二維的平面(Plane)出發(fā)，平面是由一系列控制頂點(diǎn)(Vertex)連成邊界線(Wire)進(jìn)而圍合得到。

圖7 廣義面和廣義六面體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)UML圖

使用上述定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可將廣義六面體單元高效地進(jìn)行存儲(chǔ)，并利用各單元間包含或鄰接的拓?fù)潢P(guān)系，準(zhǔn)確地連接形成數(shù)字路基模型。

4 斷面提取算法研究

基于構(gòu)建完成的數(shù)字路基模型，可應(yīng)用模型在任意位置提取斷面信息，從而推算出斷面上各設(shè)備的空間形位，以及查詢路基結(jié)構(gòu)的填料情況。為高效地提取指定平面位置的相應(yīng)斷面，主要按照以下3步進(jìn)行：1) 利用包圍盒快速判斷相交關(guān)系；2) 剖切“層”廣義六面體單元；3) 組織斷面并查詢信息。

4.1 利用包圍盒快速進(jìn)行相交關(guān)系判斷

如圖8所示，數(shù)字路基模型的各廣義六面體單元中除詳細(xì)的拓?fù)鋵哟侮P(guān)系以及基本的幾何表達(dá)外，還進(jìn)一步計(jì)算并記錄了對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)方體包圍盒信息。包圍盒技術(shù)可以確保相交測(cè)試算法的簡(jiǎn)單高效性。

基于包圍盒信息，可以根據(jù)如圖9所示的相交關(guān)系判斷流程，快速甄別并記錄與指定平面可能相交的廣義六面體單元。由拓?fù)潢P(guān)系推斷，若父單元的包圍盒與給定平面不相交，則所有子單元均不與平面相交，即可跳過其判別過程，因此極大地縮短了相交關(guān)系的判斷時(shí)間，提高算法的運(yùn)算效率。

圖9 相交關(guān)系判定流程

4.2 剖切“層”廣義六面體單元

通過剖切平面與包圍盒的相交判定，篩除了與剖切平面完全無(wú)關(guān)的廣義六面體單元，得到了斷面、體、區(qū)和層單元的記錄集。

圖10 剖切廣義六面體單元

首先需對(duì)“層”單元進(jìn)行剖切處理，當(dāng)平面僅與包圍盒相交而未與廣義六面體相交時(shí)，不存在交集圖形；反之，其相交運(yùn)算可能產(chǎn)生有效的多邊形的單元剖切面，如圖10所示，將繼承被剖切的“層”單元的設(shè)備分布與填料填筑信息。

4.3 組織斷面并獲取信息

通過對(duì)“層”廣義六面體單元的剖切處理，得到了有效的剖面多邊形序列，其對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為前述的Plane。為獲得完整的斷面，如圖11所示，需將層多邊形按拓?fù)潢P(guān)系組織成區(qū)多邊形，進(jìn)而形成體多邊形，最終構(gòu)成剖切斷面。

圖11 由“層”剖面組織“斷面”流程

斷面內(nèi)包含的設(shè)備分布與填料填筑信息也同樣依據(jù)拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行富集，記設(shè)備分布與填料填筑信息的集合為I，則：

經(jīng)過前述操作，可在指定平面位置計(jì)算生成全新的斷面，進(jìn)而查詢?nèi)我馕恢玫脑O(shè)備分布信息及填料填筑情況。

5 案例分析

針對(duì)本研究提出的站場(chǎng)數(shù)字路基模型構(gòu)建流程，基于復(fù)雜狀態(tài)構(gòu)體原則、廣義六面體單元構(gòu)建及剖切算法，開發(fā)了原型程序，并在獨(dú)李北站中進(jìn)行了測(cè)試應(yīng)用。

獨(dú)李北站位于陜西省三原縣獨(dú)李鎮(zhèn)，是西安市閻良區(qū)至咸陽(yáng)國(guó)際機(jī)場(chǎng)城際鐵路上的一個(gè)車站。其核心設(shè)備包括2條正線，2條到發(fā)線，2個(gè)側(cè)式站臺(tái)，以及3條綜合貨場(chǎng)線和2條安全線。

基于.Net Framework 4.5.2，于Autodesk Revit 2018平臺(tái)，筆者采用C#語(yǔ)言開發(fā)了站場(chǎng)數(shù)字路基模型構(gòu)建程序，測(cè)試環(huán)境為Windows 10 64位，8G RAM，采用主頻3.4 GHz、邏輯8核的Intel Core i7-6700 CPU。針對(duì)獨(dú)李北站，程序的測(cè)試過程如下：

1) 通過讀取二維設(shè)計(jì)成果Access數(shù)據(jù)庫(kù)獲取數(shù)據(jù)源，并進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換等預(yù)處理操作，得到初始斷面序列，獨(dú)李北站從現(xiàn)場(chǎng)里程DK13+531.15至DK15+255共設(shè)計(jì)了64個(gè)斷面；

(a) 獨(dú)李北站數(shù)字路基模型(從上往下依次為著色、線框、部分細(xì)節(jié))；(b)尖滅到左右邊線；(c) 尖滅到上下邊線；(d) 完全不相關(guān)部分?jǐn)嚅_

2) 將斷面序列中的每2個(gè)鄰接斷面一組投入匹配關(guān)系判定模塊，按照前述制定的構(gòu)體原則，判斷各區(qū)域的匹配區(qū)域及構(gòu)體狀態(tài)；

3) 按照構(gòu)體狀態(tài)構(gòu)建各廣義六面體單元，基于前述的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組織成層、區(qū)、體、斷面4個(gè)層次的廣義六面體單元，組織“斷面”單元形成如圖12(a)所示的數(shù)字路基模型：其中里程DK14+733.2~766.1等出現(xiàn)尖滅到左右邊線的情況(見圖12(b))，里程DK13+725.6~781.5出現(xiàn)尖滅到上下邊線的情況(見圖12(c))，里程DK14+017.2~034出現(xiàn)完全不相關(guān)的區(qū)域(見圖12(d))，程序針對(duì)特殊的連接情況均構(gòu)建了合理的幾何體；

4) 隨機(jī)給定幾個(gè)與數(shù)字路基模型相交的平面，判斷相交的單元并剖切，組織形成斷面，獲取設(shè)備分布及填料信息；如圖13，程序分別在DK13+ 676.8，DK14+314.9及DK15+086.3根據(jù)給定平面進(jìn)行剖切并組織形成了合理的包含各類信息的 斷面。

(a) 剖切斷面DK13+676.8；(b) 剖切斷面DK14+314.9；(c) 剖切斷面DK15+086.3

針對(duì)獨(dú)李北站的64個(gè)斷面的數(shù)據(jù)創(chuàng)建了63組“斷面”廣義六面體單元模型，將程序的建模時(shí)間分為模型構(gòu)建與模型繪制2部分進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分別耗時(shí)為34.23 s和98.18 s。相較于設(shè)計(jì)人員的手工建模可能需耗費(fèi)的至少幾天的時(shí)間，且模型之間的拓?fù)潢P(guān)系及屬性信息無(wú)法詳盡地表達(dá)，自動(dòng)建模程序的實(shí)現(xiàn)大幅度地降低了數(shù)字化模型的構(gòu)建成本，增加了模型中信息的豐富程度，提高了BIM技術(shù)的應(yīng)用效率。

6 結(jié)論

1) 制定了鄰接斷面間體、區(qū)、層的數(shù)量、設(shè)備分布或填料填筑等設(shè)計(jì)參數(shù)不一致時(shí)的構(gòu)體原則，解決了差異情況下的鄰接斷面單元匹配問題。

2) 提出了一種廣義六面體單元，以及利用該單元進(jìn)行不同構(gòu)體狀態(tài)下的空間封閉幾何體的構(gòu)建方法。

3) 設(shè)計(jì)了基于4層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用全局唯一標(biāo)識(shí)符和包圍盒進(jìn)行管理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了由獨(dú)立單元高效組織形成數(shù)字路基模型。

4) 研究了基于站場(chǎng)數(shù)字路基模型，在任意指定平面位置提取相應(yīng)斷面的算法，利用包圍盒快速判斷相交關(guān)系。并通過各單元的剖切面繼承單元的參數(shù)信息，做到插值斷面的快速提取和信息查詢。

在接下來的研究工作中，可將重點(diǎn)放在被路基結(jié)構(gòu)支承的各種站場(chǎng)設(shè)備的詳細(xì)空間表達(dá)，進(jìn)而構(gòu)建完善的鐵路站場(chǎng)BIM模型。

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Research on the modeling method of railway station digital subgrade model based on general hexahedron

KE Ziyi1, PU Hao1, LI Wei1, LI Changhuai2, WEI Fanghua2, WANG Peng2

(1. National Engineering Laboratory for High Speed Railway Construction, School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;2. State Key Laboratory of Rail Transit Engineering Informatization, China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd., Xi’an 710043, China)

Creation of the railway station Digital Subgrade Model (DSM) with continuous spatial representation is considered to be the key technique of achieving BIM in railway station domain. This paper utilized the design results of planar, vertical-section and cross-section of railway station, the modeling method for railway station DSM based on dispersed profile was proposed, the continuous spatial representation of digitalized railway station model and corresponding efficient information extraction were achieved, the modeling principle for adjoined isomerism profiles was established, a method using “General Hexahedron” was proposed to illustrate the solid models under different modeling status, furthermore, the dissection algorithm for solid model with multi-level topology was studied, the fast profile extraction on any given plane was accomplished, a prototype program had been built, a case study of Dulibei Railway Station was conducted, the practicability of this method to achieve the efficient modeling and querying of DSM was validated.

railway station; BIM; general hexahedron; modeling principle; profile intersection

U291.1

A

1672 ? 7029(2019)08? 1913 ? 10

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.08.007

2018?11?16

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51608543)；湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2017JJ3382)

李偉(1984?)，男，江西進(jìn)賢人，副教授，博士，從事鐵路線站數(shù)字化設(shè)計(jì)理論與方法研究；E?mail：leewei@csu.edu.cn

(編輯 涂鵬)