基于BIM的城市軌道交通配線設(shè)計方法

樊美斌

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司,武漢 430063)

引言

近年來，軌道交通設(shè)計信息化水平得到大幅提升，特別是以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)的建筑信息模型(Building Information Modelling，BIM)，可形象直觀地開展三維設(shè)計與分析，能承載設(shè)計、施工、運營整個生命周期工程信息，進行各類分析、仿真，現(xiàn)已成為軌道交通設(shè)計信息化的重要發(fā)展方向[1]。

軌道交通工程體系龐大，包括線路、橋梁、隧道、路基、站場、四電等相關(guān)專業(yè)。學術(shù)界與工程界針對不同專業(yè)構(gòu)筑物的特點，分別開展了大量的技術(shù)與應用研究。趙月悅[2]建立了一整套高速鐵路橋梁構(gòu)件庫，實現(xiàn)了標準橋梁的BIM精細快速建模，對特殊復雜橋梁開展BIM正向設(shè)計，并基于BIM技術(shù)進行結(jié)構(gòu)分析、方案優(yōu)化、出圖算量。隧道BIM技術(shù)也開展了廣泛研究[3]，曹建濤[4]提出了基于參數(shù)化建模的隧道BIM正向設(shè)計流程和方法；張文勝[5]將點云與BIM技術(shù)相結(jié)合，形成了一套新的隧道線路布設(shè)和結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。路基方面，薛宇騰[6]針對連續(xù)線狀路基體和不連續(xù)擋墻等構(gòu)筑物，分別提出了基于網(wǎng)格和參數(shù)化的BIM三維建模方法；靳猛[7]探索了一整套鐵路路基BIM正向設(shè)計技術(shù)。站場方面，馬彎[8]提出了基于BIM的鐵路中間站三維設(shè)計方法；劉沛[9]基于BIM技術(shù)開展了鐵路車輛站場場坪三維設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究；卞友艷[10]探索了站場路基多專業(yè)協(xié)同設(shè)計解決方案。在四電領(lǐng)域，大量學者深入研究了基于BIM的設(shè)備、管線三維布置及碰撞檢測技術(shù)[11]。國內(nèi)各大設(shè)計院已開始綜合運用各專業(yè)的BIM研究成果完成整條鐵路設(shè)計[12-13]。

與橋梁、隧道、路基、站場、四電等具體工點不同，線路專業(yè)的設(shè)計任務(wù)是確定整條鐵路的三維空間位置及布設(shè)路橋隧站等工點。因此，線路BIM研究重點是如何表達設(shè)計中的三維線位與周圍復雜環(huán)境的空間關(guān)系，線路-橋梁-隧道-路基-站場是否協(xié)調(diào)匹配?，F(xiàn)有線路BIM研究也主要集中在：基于3D、GIS、BIM等技術(shù)構(gòu)建形象直觀的三維選線環(huán)境[14-17]，以及如何根據(jù)三維空間線形快速自動建立涵蓋橋梁、隧道、路基、站場等構(gòu)筑物的BIM鐵路概略模型[18-21]。但目前這些研究尚無法實現(xiàn)長大線路方案的實時建模更新，因此未廣泛應用。Autodesk公司Civil3D，Bentley旗下Open Road/Rail Designer，西安緯地HintBIM在一定程度上實現(xiàn)了線路的BIM化設(shè)計，但這些軟件主要面向公路線路設(shè)計或由公路線路設(shè)計軟件改造而來，不太符合軌道交通線路設(shè)計模式和流程，使用較為繁瑣不便。

配線是城市軌道交通線路中除正線外，為空載列車提供折返、停放、檢查、轉(zhuǎn)線及出入段作業(yè)的線路。合理的配線設(shè)計對地鐵功能更優(yōu)實性有重要影響[22-23]，對保證整個城市軌道交通的最大通過能力、節(jié)約設(shè)備費用、降低運營成本都有著重要意義。目前，尚無面向軌道交通配線設(shè)計的BIM軟件系統(tǒng)，因此，亟需開展配線BIM設(shè)計方法研究與系統(tǒng)開發(fā)。

1 軌道交通配線BIM數(shù)據(jù)模型

1.1 軌道交通配線特征

BIM的基礎(chǔ)是定義科學的數(shù)據(jù)模型對構(gòu)筑物或設(shè)備的工程信息進行準確刻畫。開展基于BIM配線設(shè)計，首先需確定設(shè)計階段刻畫配線所需的工程信息。配線從功能上可分為：一般單渡線、交叉渡線、單折返線、雙折返線、存車線、縮短單渡線、越行線、車輛基地出入線、聯(lián)絡(luò)線、支線與主線接軌配線、安全線等，種類繁多、形式多變。本研究通過對大量軌道交通配線分析總結(jié)，發(fā)現(xiàn)配線設(shè)計具有模塊化和多樣化的特征。

模塊化：配線中的一般單渡線、交叉渡線、單折返線、雙折返線、存車線、縮短單渡線、越行線通常是由道岔、直線股道、圓曲線股道、車擋等單元按照固定模式組合而成。不同的設(shè)計方案主要是道岔號數(shù)、直股長度、圓曲線股道半徑等參數(shù)存在差異。對于此類配線設(shè)計需求，適合定制一系列BIM標準模塊，通過改變參數(shù)，便捷地完成配線設(shè)計。

多樣化：雖然很多配線可表示成帶參數(shù)的標準模塊。但由于工程實踐中會面臨各種不同的需求，這些配線又充滿了變化，需對標準模塊化配線形式進行必要調(diào)整。因此，在模塊化基礎(chǔ)上配線BIM設(shè)計還需具備足夠的靈活性，以應對多樣化需求。

為滿足配線模塊化和多樣化設(shè)計需求，鐘晶[23]提出了模塊法與單元法相結(jié)合的設(shè)計模式。本文借鑒該思想，研究了新的配線BIM設(shè)計方法。通過對大量配線方案的系統(tǒng)分析、聚類、提煉，認為應當將配線先分解為道岔、直股、曲股、車擋等基本單元；然后，定義各類單元的數(shù)據(jù)模型；再通過關(guān)聯(lián)約束模型將各單元組合成完整配線，并處理相互間的約束關(guān)系?；谠撍悸罚④壍澜煌ㄅ渚€BIM數(shù)據(jù)模型，包括配線單元刻畫模型和單元間關(guān)聯(lián)約束模型。

1.2 配線單元刻畫模型

所有的配線本質(zhì)是由一系列配線單元(道岔、直線股道、圓曲線股道、緩和曲線股道、車擋)按照一定約束條件相互連接組合而成。因此，對配線設(shè)計信息進行描述，首先應對各單元進行準確刻畫。本研究定義了一個通用的8元組數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對各類配線單元進行描述，見表1。該8元組可定義成數(shù)組，在后續(xù)BIM配線設(shè)計軟件開發(fā)中，只需一個二維數(shù)組就可以描述出整個配線所有組成單元的信息。

表1 配線各類單元8元組數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

1.3 單元間關(guān)聯(lián)約束模型

上述單元刻畫模型可描述出配線各組成單元的設(shè)計階段屬性，但無法刻畫出各單元之間的關(guān)聯(lián)約束關(guān)系。配線中各單元間的復雜關(guān)聯(lián)關(guān)系可分解為兩兩單元之間的關(guān)系，通過對各類配線方案分析，可聚類為：引出、接入、前銜、后接4類。下面以某典型存車線為例進行介紹，如圖1所示。

圖1 某典型存車線

引出、接入：道岔A、D分別從正線左線和右線引出；道岔H、F分別接入正線左線與右線。此時存在的約束條件為：道岔A/D的岔心點必須位于左/右線上，且道岔的正向方向必須與左/右線一致。接入的約束條件類似。

前銜、后接：道岔A從正線左線引出后，后面布置了一段直線股道，該直線股道之后又布置了道岔B，此時直股與道岔A為前銜關(guān)系，與道岔B為后接關(guān)系。對于前銜關(guān)系，當前單元起點坐標必須與其前銜單元終點坐標一致，且切線方位角相同；后接則是終點坐標與后接單元起點一致，切線方位角相同。

基于上述分析，可為整個配線添加一個列表S，記錄下每個單元的ID；并為每個單元添加一個如下的4元組數(shù)據(jù)，便可刻畫出配線內(nèi)所有單元之間的復雜關(guān)系。

R={TF，IDF，TB，IDB}

(1)

式中，TF為前端關(guān)系類型，包括引出、前銜；IDF為前端關(guān)聯(lián)單元的ID；TB為后端關(guān)系類型，包括接入、后接；IDB為后端關(guān)聯(lián)單元的ID。

通過上述配線單元刻畫模型與關(guān)聯(lián)約束模型，可以描述出各類復雜配線，為配線BIM設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

2 軌道交通配線BIM設(shè)計方法

在建立了軌道交通配線BIM的數(shù)據(jù)模型后，需研究符合設(shè)計人員習慣的BIM設(shè)計方法。前已述及，配線具有模塊化與多樣化特征，針對模塊化適合定制一系列BIM標準模塊，通過改變參數(shù)，便捷地完成配線設(shè)計。針對多樣化則可開發(fā)自由拼接各類型單元的設(shè)計工具實現(xiàn)。

2.1 軌道交通配線模塊定制

本研究通過對大量設(shè)計案例的系統(tǒng)分析，將常用配線聚類為如圖2～圖8的7大類14小類配線標準模塊，并定義了各類配線參數(shù)。設(shè)計人員僅需拾取2條正線，給定配線參數(shù)，即可由系統(tǒng)自動完成復雜計算，形成配線的BIM數(shù)據(jù)，生成整個配線。

圖2 一般單渡線

圖3 交叉渡線

圖4 縮短渡線

圖5 單折返線

圖6 雙折返線

圖7 存車線

圖8 越行線

2.2 軌道交通配線模塊法計算

選定模塊類型，給定模塊參數(shù)后，如何計算出配線中各單元數(shù)據(jù)，并建立單元間關(guān)聯(lián)約束關(guān)系，是實現(xiàn)配線BIM設(shè)計的核心算法。以單折返線為例介紹。

圖9為本文定制的單折返線模塊法參數(shù)設(shè)置界面，單折返線參數(shù)計算示意如圖10所示。設(shè)計人員拾取兩正線后，自動計算雙線線間距s；然后輸入?yún)?shù)，中間平行直股到右線間距d，岔心到車擋距離L1，左右線引出點里程差L2，引出曲線半徑R1，車擋長度c，以及道岔參數(shù)；再指定該配線是順/逆線路里程增加方向布設(shè)，曲線從左/右線引出。各單元數(shù)據(jù)計算如下。

圖9 單折返線模塊法設(shè)計對話框

圖10 單折返線參數(shù)計算示意

已知正線的方位角α，可通過岔號n計算轍叉角β

(2)

獲取單折返線插入點①處線路里程，通過里程轉(zhuǎn)坐標函數(shù)，求得點①的全局坐標(x1，y1)。根據(jù)點①的全局坐標值與線間距s，線路方位角α，可求得輔助點②的全局坐標(x2，y2)。

x2=x1-s×sinα

y2=y1-s×cosα

(3)

根據(jù)點②全局坐標，距離L2和線路方位角α，可求得點③的全局坐標(x3，y3)。

x3=x2+L2×cosα

y3=y2+L2×sinα

(4)

根據(jù)點③的坐標與距離d，轍叉角β，方位角α，求得點④的全局坐標(x4,y4)。

p=(s-d)/sinα

(5)

x4=x3+p×cos(α-β)

y4=y3+p×sin(α-β)

(6)

式中，p為點③、點④間直線距離。

根據(jù)點④的坐標，方位角α及距離L1，可求得點⑤的全局坐標(x5，y5)。

x5=x4+L1×cosα

y5=y4+L1×sinα

(7)

圓曲線段的求解，需先求出交點⑥的全局坐標，并以此為基準，根據(jù)傳入的曲線半徑參數(shù)R1，計算圓曲線端點坐標。首先，根據(jù)點①坐標及線路方位角α，距離d，求得點⑥的全局坐標。

x6=x1+(d/sinβ)×cos(α+β)

y6=y1+(d/sinβ)×sin(α+β)

(8)

求出上述點后，可按下式計算圓曲線的圓心(xO，yO)、起點(xS，yS)、終點(xE，yE)。

xO=x6+R1/cos(β/2)×cos(π/2-α-β/2)

yO=y6-R1/cos(β/2)×sin(π/2-α-β/2)

(9)

xS=xO-R1×cos(π/2-α-β)

yS=yO+R1×sin(π/2-α-β)

(10)

xE=xO-R1×sinα

yE=yO+R1×cosα

(11)

至此，單折返線配線中所有單元的自身刻畫信息計算完成。在此基礎(chǔ)上，只需加上各單元之間固定的關(guān)聯(lián)約束數(shù)據(jù)，即可形成單折返線的線路設(shè)計階段BIM數(shù)據(jù)模型。

2.3 軌道交通配線積木法設(shè)計

上述模塊法設(shè)計可滿足大部分常用配線的設(shè)計需求。針對實際工程中多樣化的其他配線，可采用積木法靈活設(shè)計。所謂積木法就是把道岔、直股、曲股、車擋等單元視為一個個積木，設(shè)計人員可自由地通過各類積木的搭建組合成任意類型的配線。由于本研究建立了各單元的刻畫模型和單元間的關(guān)聯(lián)約束模型，可以十分方便地完成積木法設(shè)計。用戶在前臺對各類單元修改，只需更新各單元自身的刻畫數(shù)據(jù)；用戶在進行積木的拼接過程中，只需對應更新單元關(guān)聯(lián)約束關(guān)系即可。且關(guān)聯(lián)約束模型可在設(shè)計過程中實時檢測和維護單元間的關(guān)系，確保在調(diào)整配線中每個單元時，相關(guān)單元準確、自動更新。

3 配線BIM設(shè)計系統(tǒng)開發(fā)

在解決上述配線BIM數(shù)據(jù)模型和關(guān)鍵算法的基礎(chǔ)上，開發(fā)了配線BIM設(shè)計系統(tǒng)，對開發(fā)過程中的一些關(guān)鍵技術(shù)進行論述。

3.1 開發(fā)平臺的選擇

BIM平臺目前使用最廣泛的有Autodesk公司旗下的Revit，法國Dassault公司旗下的CATIA和Bentley公司旗下的OpenRail Designer。Revit主要面向建筑設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計以及暖通、電氣、給排水等工程設(shè)計，具有開放靈活的接口供用戶使用和二次開發(fā)。CATIA軟件的優(yōu)勢在于其強大的曲面設(shè)計功能，軟件交互操作簡便，模塊的全相關(guān)性大大縮短了建模周期，多應用于航空航天、汽車輪船等復雜曲面高精度建模需求行業(yè)。上述兩平臺建模精度高，適用于精細化程度較高的專業(yè)，但這些軟件對長大線域工程的處理能力不足，難以滿足動輒數(shù)十成百上千公里的線路專業(yè)BIM設(shè)計的需求。配線需從正線引出接入，必須與線路設(shè)計同BIM平臺，因此，上述平臺不太適合。OpenRail Designer是Bentley公司開發(fā)的面向鐵路線路設(shè)計的BIM系統(tǒng)，底層SDK已具備了一定的線路設(shè)計功能，且對大場景的處理能力較強，因此，在OpenRail Designer平臺上進行二次開發(fā)。

3.2 基于命名組的配線各單元關(guān)聯(lián)組合方法

OpenRail Designer可直接生成直線、曲線股道等配線單元，但其本身并未考慮配線設(shè)計功能，需開發(fā)者自己將各類單元組合，定制出配線實體。本研究采用命名組技術(shù)實現(xiàn)該功能。

命名組是Bentley旗下軟件二次開發(fā)中經(jīng)常涉及的底層類，類中的函數(shù)可實現(xiàn)豐富的功能。常用功能有，若將幾個單元或線元添加到同一命名組中，激活命名組后，只要選中其中一個單元或線元，即可選中整個命名組并對整體進行操作。取消激活后可對各單元單獨操作。命名組的優(yōu)勢在于，既保留了原始單元或線元信息又能在有需求時將其融為一體，十分適合配線這類由各類基本單元組合而成的實體設(shè)計?；诿M技術(shù)，設(shè)計人員只需輸入配線的各類參數(shù)，程序便可基于本研究建立的配線BIM數(shù)據(jù)模型和算法得出各個單元數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為OpenRail Designer內(nèi)部的元素；然后，將這些元素添加到泛型數(shù)組；再調(diào)用創(chuàng)建命名組函數(shù)CreateNamedGroup為泛型數(shù)組中的元素創(chuàng)建命名組，并將該命名組添加到模型空間中，實現(xiàn)對單折返線配線單元的整體插入，同時可將單元間的關(guān)聯(lián)約束數(shù)據(jù)存入。由于所有單元構(gòu)成了一個可分可合的整體，后續(xù)的拾取、編輯、刷新、刪除、分解操作均易于實現(xiàn)。

3.3 配線BIM三維自動建模

三維可視化是BIM的重要特征，本研究開發(fā)的BIM配線設(shè)計系統(tǒng)具有二維和三維2種形態(tài)，設(shè)計人員可根據(jù)需要切換或同時顯示。三維模型可隨配線參數(shù)快速生成，具體流程如下。

(1)在系統(tǒng)內(nèi)預設(shè)道岔、軌枕、扣件三維模型和不同類型的鋼軌截面。

(2)根據(jù)用戶輸入的配線設(shè)計參數(shù)計算軌道三維空間中線、道岔、車擋的空間位置。

(3)沿軌道三維空間中線放樣2條鋼軌截面，并以共享單元的方式按間距布置軌枕、扣件三維模型。

(4)根據(jù)計算出的道岔、車擋空間位置放置相應三維模型。

(5)將各類模型整合，形成完整的配線三維模型。

最終生成的三維配線模型如圖11、圖12所示。

圖11 越行線BIM三維模型

圖12 雙折返線BIM三維模型

3.4 系統(tǒng)開發(fā)與應用

基于上述模型與方法，課題組采用C號、C++、OpenRail Designer SDK等工具，基于Visual Studio 2017和Bentley平臺，開發(fā)了城市軌道交通配線設(shè)計系統(tǒng)，系統(tǒng)菜單如圖13所示。

車站模塊提供了車站的新建、導入、編輯功能；線路平面設(shè)計模塊提供了各種常用的線形單元設(shè)計及便利的連接功能，實現(xiàn)積木法配線設(shè)計；平面模塊法部分可實現(xiàn)各種配線的參數(shù)化設(shè)計；此外，本系統(tǒng)還提供了配線縱斷面設(shè)計、配線示意圖輸出等功能。該系統(tǒng)已在南昌、武漢、蘇州等多地軌道交通線路中應用。

圖13 配線BIM設(shè)計系統(tǒng)主要功能菜單

首先，該設(shè)計系統(tǒng)將傳統(tǒng)二維配線布置提升為“所見及所設(shè)”的三維BIM設(shè)計，有利于方案展示匯報，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計不足，便于跨專業(yè)交流溝通；其次，在沒有專門的配線BIM設(shè)計系統(tǒng)前，只能通過繁瑣的分段建模完成整個配線的BIM設(shè)計，一旦配線參數(shù)發(fā)生改變，可能需全部重做。采用該系統(tǒng)后，只需直接修改設(shè)計參數(shù)或相關(guān)單元，便可數(shù)秒內(nèi)自動完成整個配線BIM模型的更新；最后，由于該配線BIM模型中記錄并管理了所有設(shè)計參數(shù)，可與相關(guān)專業(yè)的軟件系統(tǒng)建立無縫銜接，避免和減少互提資料的錯漏缺問題，提高多專業(yè)數(shù)據(jù)互用效率?？傮w而言，本配線BIM設(shè)計系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)方法，在配線設(shè)計、建模速度、方案展示、專業(yè)互提資料等方面綜合效率提升約20%。

4 結(jié)語

針對城市軌道交通配線BIM設(shè)計方法開展研究，主要取得了以下成果。

(1)建立了配線BIM數(shù)據(jù)模型，包括刻畫道岔、車擋、直線股道、曲線股道等各單元自身設(shè)計信息的單元數(shù)據(jù)模型和描述單元間關(guān)聯(lián)約束的單元關(guān)系模型。

(2)定制了一系列配線BIM標準化模塊，研制了各模塊中所有單元數(shù)據(jù)的計算方法，結(jié)合配線數(shù)據(jù)模型，建立了模塊法和積木法2類快速便捷的配線設(shè)計模式，以及配線BIM三維自動建模方法。

(3)在OpenRail Designer平臺上研發(fā)了軌道交通BIM配線設(shè)計系統(tǒng)，相比于傳統(tǒng)方法在配線設(shè)計、建模速度、方案展示、專業(yè)互提資料等方面綜合效率提升約20%。