王凱軍，楊 斌，馬西章

（1. 中國鐵路設計集團有限公司 線路站場樞紐設計研究院，天津 300142；2. 中國鐵路總公司 工程管理中心，北京 100038；3. 京沈鐵路客運專線京冀有限公司，北京 100071）

0 引言

隨著鐵路BIM技術的發(fā)展，相關BIM標準的逐步制定并完善，各方對鐵路BIM模型精度、完整度的要求越來越高，圍墻/柵欄等安全防護設備在BIM模型完整性、可視化、工程量統(tǒng)計等方面發(fā)揮的作用也進一步凸顯。同時，在《鐵路工程信息模型表達標準（1.0版）》《鐵路工程信息模型交付精度標準（1.0版）》等標準中，對圍墻/柵欄的模型粒度等級及精度信息也進行了明確規(guī)定[1-3]。

目前，各主流BIM設計平臺，包括達索、奔特力、歐特克等對此類設備均無有效的建模工具可用。在此基于達索平臺，提出鐵路圍墻/柵欄BIM模型的實現方法，并已在鐵路等多個項目中應用驗證，取得了良好效果。

1 解決方案

1.1 設計難點

目前，二維設計過程中涉及到的圍墻/柵欄通常在圖紙中標明平面位置，并在設計說明中指定圍墻/柵欄型號或使用標準圖，如《專房設（05）4001》《通線（2012）8001》等。

在BIM設計中，圍墻/柵欄不僅需要對其空間位置進行定位，還需要制作相應的模型/模板，并進行裝配或實例化，以得到最終的BIM模型。其中，根據圍墻/柵欄的長度可將其分為標準長度構件（圍墻一般為4 m，柵欄一般為3 m）和非標準長度構件。BIM設計中的主要難點如下：

（1）標準長度的圍墻/柵欄的裝配效率不高；

（2）非標準長度的圍墻/柵欄需要制作模板，以適應不同長度的需要；

（3）非標準長度的圍墻/柵欄雖然可利用達索平臺的Action功能進行批量實例化，但效率極低，需要消耗大量時間。

1.2 實現流程

針對上述問題，通過設計自適應模板與CAA開發(fā)相結合的方式，提出一種鐵路圍墻/柵欄的BIM設計方法，一般實現流程如下：

（1）在平面上確定圍墻/柵欄的設置邊界A；

（2）將邊界A投影至地形面，得到圍墻/柵欄的空間位置B；

（3）對邊界B進行解析，計算出其中的拐點P1、P2、…、Pn；

（4）根據拐點對邊界B進行分段，并分別計算相鄰2拐點Pi、Pi+1之間的標準長度構件與非標準長度構件的定位坐標系；

（5）根據標準長度構件的坐標系進行模型裝配（需要事先準備標準長度構件模板）；

（6）根據非標準長度構件的坐標系進行批量實例化（需要事先準備參數化自適應構件模板）。

2 實現方法

2.1 參數化自適應模板制作

模板是達索平臺的一項重要功能，通過模板能夠制作出各種類型的構件。通過制作參數化的自適應模板，對圍墻/柵欄進行建模，通過參數控制各部位尺寸，以達到制作同型號不同尺寸構件的目的。

模板制作的難點在于定位時要保證各部件與定位坐標系保持相對固定的位置關系，否則會出現定位偏移、姿態(tài)扭轉等問題。模板通過坐標系進行定位，所有的建模要素均與該坐標系進行關聯設計，以保證模板實例化結果的正確性。以磚砌花格圍墻為例，其模板內部的關聯結構關系見圖1。

圍墻模板參照通用參考圖《專房設（05）4001》進行制作，并根據交付精度標準進行適度簡化。單片標準長度磚砌花格圍墻（4 m）模板見圖2，圍墻的長度、高度以及花格的間距等均可通過參數進行靈活調整。同理，參照通用參考圖《通線（2012）8001》制作柵欄模板，單片標準長度柵欄（3 m）模板見圖3，其長度、高度、立柱間距等均可調，刺絲滾籠部分未建模。

圖2 單片標準長度磚砌花格圍墻（4 m）模板

圖1 磚砌花格圍墻模板內部關聯結構關系

圖3 單片標準長度柵欄（3 m）模板

2.2 標準裝配模板制作

標準裝配模板用于裝配參數固定不變的圍墻/柵欄。所謂裝配就是將構件依次放置到合適的位置上。標準裝配模板是在參數化自適應模板的基礎上經過簡化得到的，其目的是提高建模效率，減小模型體量。簡化過程主要是將模板內部的關聯關系全部去掉，僅保留幾何外形，同時為其添加相關的IFC類型及屬性集，為后續(xù)信息的傳遞及工程數量計算打下基礎。以磚砌花格圍墻為例，輕量化之后的模型結構樹見圖4，每個部件僅有1個無鏈接關系的幾何實體，所有其他信息均被去除。

2.3 程序開發(fā)

為解決圍墻/柵欄在實例化模板和裝配構件時效率低的問題，利用C++語言對CATIA進行基于CAA架構的二次開發(fā)[4]。CAA是CATIA的一整套C++函數庫，該函數庫在CATIA運行時加載[5]。基于該函數庫可直接與CATIA進行通信，通過對自身業(yè)務邏輯的封裝，實現相關功能，大大提高了建模效率。

按照設計方法的實現流程，二次開發(fā)工作主要有2部分：（1）定位坐標系的計算；（2）裝配/實例化相關的模型/模板。

2.3.1 定位坐標系計算

定位坐標系計算包含實現流程中的前4個環(huán)節(jié)，其界面見圖5。5項輸入條件為：2坐標系之間的間距、地形面、圍墻/柵欄邊界、目標文件夾以及定位坐標系在Z軸方向上與邊界的偏移距離。該功能可一次性將當前選中邊界包含的標準長度和非標準長度的圍墻/柵欄的坐標系全部計算出來。

圖4 輕量化之后的模型結構樹

圖5 定位坐標系計算的界面

圖6 計算所得坐標系

該功能的實現難點在于確定拐點末端位置坐標系的方向及此處圍墻/柵欄的長度計算。計算所得的坐標系見圖6，黑色坐標系為標準長度圍墻/柵欄的定位坐標系，紅色坐標系為非標準長度圍墻/柵欄的定位坐標系。

2.3.2 裝配/實例化相關的模型/模板

裝配/實例化相關的模型/模板對應實現流程中的后2個環(huán)節(jié)。非標準長度構件的實例化采用批量實例化Power Copy的方式（見圖7），4項輸入條件為：存放模板3D Part的ID、所用模板的名稱、用于定位坐標系的文件夾和目標文件夾。

批量裝配標準長度構件的界面見圖8，3項輸入條件為：存放定位坐標系的文件夾、目標裝配文件ID和用于裝配的構件ID。

圖7 批量實例化非標準長度構件的界面

2.4 實現效果

該方法廣泛適用于路基、車站等地段圍墻/柵欄的BIM設計工作，并通過程序開發(fā)有效提高了圍墻/柵欄的BIM設計效率。目前，已在京雄高鐵、牡佳客專、鹽通客專等多個項目中應用。以站內圍墻BIM模型設計為例，手工建模往往需要3～5 d，費時費力。采用開發(fā)工具后，基本可在4 h內完成，大大提高了設計效率。

圖8 批量裝配標準長度構件的界面

3 結束語

利用該方法能夠比較快速地完成圍墻/柵欄的BIM設計工作，但仍存在一些問題：（1）現場施工過程中，圍墻/柵欄所在位置的場地均事先經過整平，此過程難以在BIM設計中進行模擬。由于直接將圍墻/柵欄放置于地面之上，在地面起伏時，相連的圍墻/柵欄會出現錯臺問題（見圖9），影響美觀；（2）該方法較手工建模效率雖有較大提升，但仍存在改進空間。在后續(xù)工作中，可考慮采用多線程裝配、制作Component Family模板等方法進一步提高效率。

圖9 圍墻錯臺問題示意圖