■ 孔國梁 蘇林 李頂峰

鐵路路基排水BIM設(shè)計(jì)方法研究

■ 孔國梁 蘇林 李頂峰

基于BIM技術(shù)開展鐵路路基排水設(shè)計(jì)是深化和優(yōu)化設(shè)計(jì)的需要。重點(diǎn)闡述在AutoCAD平臺基于數(shù)字地面模型和實(shí)體反應(yīng)器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多視口、平面交互式、縱斷面自動化設(shè)計(jì)的排水平縱聯(lián)動協(xié)同設(shè)計(jì)；在達(dá)索系統(tǒng)基于參數(shù)化模板，創(chuàng)建附加IFC分類和屬性信息的排水BIM模型。研究結(jié)果表明，通過AutoCAD和達(dá)索軟件接力完成鐵路路基排水BIM設(shè)計(jì)，降低了開發(fā)難度，操作方便，自動化程度高，有助于深化排水設(shè)計(jì)，提高排水的系統(tǒng)性、直觀性和信息化，具有推廣應(yīng)用價值。

鐵路；路基；排水；BIM；協(xié)同設(shè)計(jì)

0 引言

當(dāng)前，BIM作為推進(jìn)鐵路工程建設(shè)信息化的主要技術(shù)支撐，其價值和重要性已得到行業(yè)的持續(xù)關(guān)注和普遍認(rèn)可，推廣應(yīng)用BIM技術(shù)已成為建設(shè)數(shù)字化鐵路的必然選擇。目前鐵路路基排水二維設(shè)計(jì)一般采用斷面法，先在路基橫斷面兩側(cè)設(shè)置水溝，再結(jié)合平面地形確定排水流向，逐個斷面檢查并調(diào)整水溝高程及橫向位置，完成水溝的橫斷面和平面設(shè)計(jì)。斷面法排水設(shè)計(jì)對斷面間的排水關(guān)注不夠或根本沒有體現(xiàn)，而在排水BIM設(shè)計(jì)中，依托三維地形曲面和影像數(shù)據(jù)，生成的三維排水溝模型跟地形、路基、橋梁、涵洞、隧道等模型相互集成融合，排水設(shè)計(jì)成果的系統(tǒng)性和直觀性顯著增強(qiáng)，并且創(chuàng)建的BIM模型附加了屬性信息，據(jù)此進(jìn)行的工程數(shù)量計(jì)算也更加精確。

在達(dá)索系統(tǒng)下開展BIM設(shè)計(jì)，一般先進(jìn)行用于定位的點(diǎn)、線、面、坐標(biāo)系等骨架設(shè)計(jì)，再通過參數(shù)化模板的實(shí)例化生成BIM模型。而在達(dá)索系統(tǒng)下要直接進(jìn)行排水溝的平縱斷面骨架線設(shè)計(jì)，開發(fā)的難度、周期和工作量都很大，可通過AutoCAD二次開發(fā)技術(shù)，基于數(shù)字地面模型、地面影像、路基、橋梁、隧道等專業(yè)模型，先快速完成排水平縱斷面骨架線設(shè)計(jì)，再導(dǎo)入達(dá)索系統(tǒng)進(jìn)行三維建模，進(jìn)行三維展示和合理性檢查，最終高效地完成排水BIM設(shè)計(jì)。

1 基于ObjectARX的排水平縱協(xié)同設(shè)計(jì)

ObjectARX是AutoCAD新一代的二次開發(fā)工具，能夠以C++/C#為基礎(chǔ)，面向?qū)ο蟮拈_發(fā)環(huán)境和應(yīng)用程序接口，真正快速地訪問AutoCAD圖形數(shù)據(jù)庫，且以動態(tài)鏈接庫的形式簡潔高效地實(shí)現(xiàn)許多復(fù)雜的功能［1］。在此首先探討在VS2008平臺上采用ObjectARX2010軟件包，實(shí)現(xiàn)排水溝溝底空間曲線的平縱協(xié)同設(shè)計(jì)方法。

1.1 創(chuàng)建數(shù)模、視口，導(dǎo)入路橋隧模型和地面影像

利用測繪專業(yè)采集并進(jìn)行分類處理后的雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，構(gòu)建數(shù)字地面模型，按照種類不同，可分為Delaunay三角網(wǎng)和方格網(wǎng)數(shù)模。在進(jìn)行排水設(shè)計(jì)之初，完成數(shù)模的初始化，并常駐內(nèi)存，保證設(shè)計(jì)期間可以重復(fù)使用數(shù)模計(jì)算地面高程，直至退出CAD程序時，清理數(shù)模對象。

在CAD中創(chuàng)建2個視口作為路基排水設(shè)計(jì)的平縱視口，平面視口在上方，顯示鐵路路基排水的平面自定義實(shí)體；縱斷面視口在下方，顯示鐵路路基排水的縱斷面自定義實(shí)體；平縱視口的大小比例可由用戶自定義調(diào)整。

將達(dá)索系統(tǒng)下創(chuàng)建的路基、橋梁、隧道模型連同地面影像的俯視圖片插入CAD圖，勾繪路基邊坡和隧道洞口刷坡的邊界線，按照排水設(shè)計(jì)一般原則，天溝邊緣至塹頂距離不宜小于5 m，排水溝邊緣至坡腳距離不宜小于2 m，并結(jié)合地面坡度走向，設(shè)計(jì)排水溝的初始平面位置。濟(jì)青高鐵青陽隧道洞口排水平縱協(xié)同設(shè)計(jì)見圖1。

圖1 濟(jì)青高鐵青陽隧道洞口排水平縱協(xié)同設(shè)計(jì)

1.2 排水平面交互式設(shè)計(jì)

基于ObjectARX進(jìn)行CAD二次開發(fā)時，常用到字典來管理數(shù)據(jù)庫對象，自定義實(shí)體技術(shù)創(chuàng)建定制多種屬性和方法的設(shè)計(jì)模型，夾點(diǎn)拖動技術(shù)進(jìn)行模型的交互式編輯。

字典是AutoCAD的一種容器對象，用于組織和管理數(shù)據(jù)庫實(shí)體對象。在排水設(shè)計(jì)中，通過派生構(gòu)建自定義字典，包括各條水溝平面、當(dāng)前水溝平面、各條水溝縱斷面、當(dāng)前水溝縱斷面的實(shí)體對象編碼。

自定義實(shí)體是ARX為開發(fā)者提供的具有圖形表現(xiàn)的定制數(shù)據(jù)庫對象類，一般由AcDbEntity類派生，開發(fā)者一般需要重載繪制、炸碎、夾點(diǎn)拖動等關(guān)鍵函數(shù)。創(chuàng)建排水平面自定義實(shí)體，是在平面視口中逐個添加水溝平面交點(diǎn)，創(chuàng)建由直線段和圓弧組成的平面水溝溝底中心線，曲線半徑采用不小于溝底寬度的10倍，且不小于5 m。

將排水溝平面交點(diǎn)、夾直線中點(diǎn)作為水溝平面交互式編輯的夾點(diǎn)，通過夾點(diǎn)拖動修改排水溝平面位置。此外，還包含了排水溝平面模型的拆分、連接、倒置等編輯功能。

1.3 排水縱斷面自動化設(shè)計(jì)

通過自動更新地面線、坡度自動模擬和順坡等手段，必要時輔以少量的交互式調(diào)整，基本上實(shí)現(xiàn)了縱斷面的自動化設(shè)計(jì)。

地面線自動更新是根據(jù)平面位置調(diào)整，利用數(shù)模重新計(jì)算并繪制排水溝縱斷面地面線。

坡度自動模擬是基于最小二乘法原理，對地面線進(jìn)行直線模擬并進(jìn)行分坡處理［2］，縱斷面自定義實(shí)體繪制時按照坡度向上和向下，采用不同的顏色繪制坡長、坡度及坡段線，并標(biāo)注坡段上指定間隔位置處的填挖量，便于直觀地檢查水溝溝底高程是否滿足順坡要求。

自動順坡是選擇一段水溝的最高點(diǎn)，進(jìn)行單面坡或人字坡排水設(shè)計(jì)，可以減少手動調(diào)坡的工作量。最后通過少量的交互式調(diào)整，如插入、刪除、移動變坡點(diǎn)，使排水縱斷面在滿足順坡要求的前提下與地面線更加貼合。排水縱斷面見圖2。

圖2 排水縱斷面圖

1.4 排水平縱協(xié)同設(shè)計(jì)

應(yīng)用ObjectARX反應(yīng)器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)排水平縱斷面實(shí)體按里程同步顯示、平縱斷面實(shí)體間的及時協(xié)同更新功能。ARX提供了一系列反應(yīng)器類（Reactor）來監(jiān)視不同類型的事件或者消息［3］。在排水平縱協(xié)同設(shè)計(jì)中，使用最多的2種反應(yīng)器是編輯器反應(yīng)器和數(shù)據(jù)庫反應(yīng)器。

編輯器反應(yīng)器由AcEditorReactor類派生，用來監(jiān)視AutoCAD命令。在排水設(shè)計(jì)中，通過重載該類的viewChanged（）函數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)在平面視口中，鼠標(biāo)中鍵移動（pan命令）查看水溝平面時，觸發(fā)該函數(shù)，計(jì)算鼠標(biāo)所在位置對應(yīng)的平面里程，進(jìn)而在縱斷面視口中將該里程的水溝縱斷面顯示到縱斷面視口中央；反之，移動查看縱斷面，也可以按里程同步顯示對應(yīng)位置的水溝平面。

數(shù)據(jù)庫反應(yīng)器由AcDbDatabaseReactor類派生，用來監(jiān)視數(shù)據(jù)庫對象的創(chuàng)建、修改或刪除。在排水設(shè)計(jì)中，通過重載該類的objectAppended（）、objectModified（）、objectErased（）等關(guān)鍵函數(shù)，實(shí)現(xiàn)水溝平面創(chuàng)建、修改，刪除時自動創(chuàng)建、修改、刪除對應(yīng)的縱斷面。

1.5 成果導(dǎo)入達(dá)索系統(tǒng)

根據(jù)排水平縱斷面設(shè)計(jì)成果及標(biāo)準(zhǔn)溝深，按1 m的間隔計(jì)算排水溝溝底空間曲線坐標(biāo)，在CAD里生成三維多段線，為了滿足達(dá)索系統(tǒng)下水溝截面按此空間曲線掃掠成體的要求，在CAD里把該三維多段線轉(zhuǎn)換成三維樣條曲線。

另外，為了避免達(dá)索系統(tǒng)下因輸入三維地形曲面造成水溝實(shí)例化緩慢，計(jì)算每米水溝斷面上水溝兩側(cè)與地面的交點(diǎn)，形成水溝兩側(cè)與地面相交的2條三維多段線。

最后將每條水溝的溝底中心三維樣條曲線、水溝兩側(cè)與地面的2條交線，通過高版本的CAD軟件（如CAD2015）或Microstation軟件，輸出igs格式的文件，即可導(dǎo)入達(dá)索系統(tǒng)。

2 基于達(dá)索系統(tǒng)創(chuàng)建排水溝BIM模型

在達(dá)索系統(tǒng)內(nèi)創(chuàng)建排水溝BIM模型，首先要結(jié)合鐵路BIM技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究最新成果，完成排水IFC標(biāo)準(zhǔn)在達(dá)索系統(tǒng)的部署，然后創(chuàng)建參數(shù)化的排水設(shè)計(jì)模板，最后通過模板實(shí)例化完成排水溝BIM模型的創(chuàng)建。

2.1 排水IFC標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用根據(jù)鐵路管線系統(tǒng)IFC標(biāo)準(zhǔn)的最新研究成果［4］，使用IfcDistributionSystem表達(dá)各種類型的排水溝構(gòu)成的排水系統(tǒng)，預(yù)定義類型屬性取值為“STORMWATER”，屬性集為“Pset_DS_ DrainageDitchCommon”。使用IfcPipeSegment表達(dá)整個排水系統(tǒng)中的一段排水溝、槽、管，預(yù)定義類型屬性取值為“GUTTER”，屬性集為“Pset_PS_DitchSegmentCommon”［5］。在達(dá)索系統(tǒng)Enovia平臺上通過定義擴(kuò)展類型的方式，完成IFC分類和屬性集在達(dá)索系統(tǒng)的部署，為應(yīng)用和驗(yàn)證排水IFC標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)造了前提條件。

2.2 排水溝參數(shù)化模板的創(chuàng)建

創(chuàng)建功能強(qiáng)大的參數(shù)化模板，并不斷積累豐富形成模板庫，實(shí)現(xiàn)專業(yè)設(shè)計(jì)功能，是達(dá)索系統(tǒng)BIM設(shè)計(jì)的主要特色。創(chuàng)建并優(yōu)化后的等截面排水溝模板IFC分類為IfcPipeSegment，屬性集為“Pset_PS_ DitchSegmentCommon”，輸入元素為溝底空間曲線和兩側(cè)地面交線，輸入?yún)?shù)包括水溝底寬、溝深、底厚、壁厚等，輸出為水溝截面沿溝底空間線掃掠形成的水溝本體、水溝兩側(cè)延伸到地面的曲面、水溝本體的體積、水溝挖土方體積等，并對輸出成果進(jìn)行顏色配置（見圖3）。

圖3 排水溝模板截面、參數(shù)及輸出成果

不同截面之間的排水溝相連時，應(yīng)設(shè)置溝底寬度漸變率為1/20的過渡段，該段排水溝采用變截面排水溝模板，創(chuàng)建方法與等截面排水溝模板類似，不同之處在于輸入截面參數(shù)為起終點(diǎn)2個截面的參數(shù)，水溝本體為變截面掃掠。

3 BIM試點(diǎn)項(xiàng)目排水設(shè)計(jì)案例

應(yīng)用上述方法，先后在京沈客專、濟(jì)青高鐵、陽大鐵路BIM試點(diǎn)項(xiàng)目中，進(jìn)行了排水BIM設(shè)計(jì)，部分成果見圖4—圖7。

在實(shí)現(xiàn)路基排水BIM設(shè)計(jì)的主體部分后，還應(yīng)對排水末端的消能設(shè)施，排水溝的交匯，排水溝與涵洞、路塹側(cè)溝的銜接等建模問題，開展進(jìn)一步研究。

圖4 京沈客專路基及橋下排水

4 結(jié)束語

采用CAD二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)排水平縱聯(lián)動協(xié)同設(shè)計(jì)，再將成果導(dǎo)入達(dá)索系統(tǒng)，創(chuàng)建排水BIM模型的方法，通過實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用驗(yàn)證，其自動化程度高，成功實(shí)現(xiàn)了鐵路路基排水BIM設(shè)計(jì)的整體解決方案，深化了排水設(shè)計(jì)成果，提高了排水的系統(tǒng)性、直觀性和信息化水平，對開展排水設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)性檢查和推動BIM技術(shù)在施工中的應(yīng)用具有重要價值。

圖5 京沈客專含過渡段排水

圖6 濟(jì)青高鐵青陽隧道洞口排水

圖7 陽大鐵路隧道路基及橋下排水

［1］ 江思敏，曹默，胡春江. AutoCAD2000開發(fā)工具［M］. 北京：人民郵電出版社，1999.

［2］ 孔國梁，李頂峰. 鐵路縱斷面自動設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法研究［J］. 鐵道工程學(xué)報，2012（12）：40-44.

［3］ 趙清清，王建勇. ARX反應(yīng)器智能管理技術(shù)在BIM施工圖中的應(yīng)用［J］. 土木建筑工程信息技術(shù)，2013（12）：111-114.

［4］ 鐵路BIM聯(lián)盟. 鐵路工程信息模型數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)：1.0版［J］. 鐵路技術(shù)創(chuàng)新，2016（1）：123-124.

［5］ 楊緒坤，毛寧. 基于IFC4的鐵路管線系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)研究［J］. 鐵路技術(shù)創(chuàng)新，2015（6）：28-33.

孔國梁：鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，高級工程師，天津，300251
蘇 林：鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，高級工程師，天津，300251
李頂峰：鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，高級工程師，天津，300251

責(zé)任編輯 盧敏

U212.38；TP319

A

1672-061X（2016）03-0042-04