蘇林

（中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司，天津 300143）

0 引言

通常各線路軟件以專有格式存儲線路中心線（Alignment）數(shù)據(jù)，滿足企業(yè)自身應(yīng)用，但造成跨軟件平臺共享數(shù)據(jù)困難。為解決鐵路線路中心線信息傳遞和BIM模型線性定位問題，基于國際智慧建筑聯(lián)盟（buildingSMART）IFC Alignment 1.0標(biāo)準(zhǔn)編制了鐵路IFC Alignment 1.0標(biāo)準(zhǔn)，是“鐵路工程信息模型數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)”[1]的組成部分。經(jīng)實踐檢驗，該標(biāo)準(zhǔn)適用于鐵路線路中心線信息傳遞，并已應(yīng)用于多個鐵路BIM生產(chǎn)項目。

1 buildingSMART IFC Alignment 1.0標(biāo)準(zhǔn)

線路中心線實體（IfcAlignment）主要是對IFC標(biāo)準(zhǔn)的幾何拓展，派生自定位實體（IfcPositioningElement），位于IFC標(biāo)準(zhǔn)核心層。IfcAlignment包括線路平面（IfcAlignment2DHorizontal）、線路縱斷面（IfcAlignment2DVertical）。線路平面由X/Y平面內(nèi)1組有序、首尾相連的線路平面線段（IfcAlignment2 DHorizontalSegment）組成；線路縱斷面為沿線路平面展開的高程曲線，由1組有序、首尾相連的線路縱斷面線段（IfcAlignment2DVerticalSegment）組成。buildingSMART IFC Alignment 1.0標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)見圖1。

buildingSMART IFC Alignment 1.0標(biāo)準(zhǔn)不能完全滿足鐵路應(yīng)用需求，主要原因如下：

（1）緩和曲線定義為特定的回旋線型（ClothoidalCurve），不支持正弦型（SinusoidalCurve）等常用緩和曲線類型，不具備普適性。

（2）不支持?jǐn)噫湵磉_(dá)，無法描述里程不連續(xù)情況。

2 鐵路IFC Alignment 1.0標(biāo)準(zhǔn)

鐵路IFC Alignment 1.0標(biāo)準(zhǔn)編制應(yīng)盡可能保持與buildingSMART已發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)一致[1]，該標(biāo)準(zhǔn)在buildingSMART IFC Alignment 1.0標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，對鐵路常用緩和曲線統(tǒng)一參數(shù)表達(dá)、里程系統(tǒng)和非幾何屬性等方面進(jìn)行了修改。

圖1 buildingSMARTIFCAlignment1.0標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)

2.1 標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)

線路中心線是定位實體的子實體，由線路平面、線路縱斷面和里程系統(tǒng)（IfcChainageSystem）3部分組成。線路平面在X/Y平面內(nèi)定義；線路縱斷面為沿線路平面曲線Z方向的高程曲線；里程系統(tǒng)沿線路平面曲線定義，里程系統(tǒng)長度與線路平面曲線長度一致。線路平面可與多個線路縱斷面耦合成不同的線路中心線。鐵路IFC Alignment 1.0標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)見圖2。

線路平面由X/Y平面上1組有序、首尾相連的線路平面線段（Ifc Alignment2DHorizontalSegment）組成，每個線路平面線段擁有1個二維曲線段（IfcCurveSegment2D）對象，相鄰線路平面線段間默認(rèn)為切向連續(xù)或點連續(xù)（非切向連續(xù)）。二維曲線段對象分為二維直線段（IfcLineSegment2D）、二維圓弧段（IfcCircularArcSegment2D）、緩和曲線（IfcTransitionCurve2D）3種實體。

圖2 鐵路IFCAlignment1.0標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)

線路縱斷面為沿線路平面展開的高程曲線，由1組有序、首尾相連的線路縱斷面線段（IfcAlignment2DVerticalSegment）組成。線路縱斷面線段分為線路縱斷面直線段（IfcAlignment2DVerSegLine）、線路縱斷面圓曲線段（IfcAl ignment2DVerSegCircularArc）和線路縱斷面拋物線段（IfcAl ignment2DVerSegParabolicArc）3種實體。

2.2 緩和曲線實體定義

鐵路常用緩和曲線類型有回旋線型、正弦型、余弦型（CosinsoidalCurve）、S型（S Curve）、布勞氏型（BLOSS Curve）[2]和七次式型[3]等，各緩和曲線曲率計算式和曲率圖分別見表1和圖3。

通過記錄緩和曲線起點半徑（StartRaduis）、終點半徑（EndRadius）、曲線長度（SegmentLength）及緩和曲線類型，唯一確定緩和曲線線型，并無數(shù)據(jù)冗余。再記錄姿態(tài)的起點坐標(biāo)（StartPoint）、起點方向矢量（StartDirect）、旋轉(zhuǎn)方向（IsCCW）等參數(shù)就可完整表達(dá)1條緩和曲線。

表1 常用緩和曲線曲率計算式

圖3 常用緩和曲線曲率圖

對于完整緩和曲線，起點或終點半徑為無窮大，以“NIL”表示，緩和曲線唯一確定；對于不完整緩和曲線，可根據(jù)起點和終點半徑、緩和曲線長度以及緩和曲線類型4個參數(shù)計算出相應(yīng)的完整緩和曲線長度，緩和曲線也唯一確定。

對于回旋線型不完整緩和曲線，由于曲率變化率為常數(shù)，通過公式ρ=l/（L×R）可直接計算得出相應(yīng)的完整緩和曲線長度，式中ρ為緩和曲線上任意點處的曲率，l為緩和曲線上任意點至直緩點的距離，L為緩和曲線全長，R為緩和曲線直圓點處的半徑。對于其他類型不完整緩和曲線，需通過數(shù)值算法計算緩和曲線全長。

對于特殊類型緩和曲線還可以在緩和曲線實體（IfcTransitionCurve2D）下派生特殊類型緩和曲線實體。線路平面實體類型具有清晰的繼承關(guān)系和明確的物理含義（見圖4）。

常用完整和不完整緩和曲線統(tǒng)一定義（見表2），每個緩和曲線采用7個參數(shù)進(jìn)行描述。其中，起點坐標(biāo)、起點方向、二維曲線段長度繼承父實體（IfcCurveSegment2D）的定義；起點半徑、終點半徑、偏向和緩和曲線類型在緩和曲線實體中定義。對于不完整緩和曲線，其長度為計算值，由二維曲線段長度、起點半徑、終點半徑和緩和曲線類型確定。

其中緩和曲線類型枚舉定義為：回旋線型、正弦型、余弦型、布勞氏型、三次拋物線型（CubicParabolas）和用戶自定義（USERDEFINE）。

2.3 里程系統(tǒng)實體定義

鐵路、公路等線性工程上常有些點設(shè)計里程不連續(xù)，稱為斷鏈。線性工程設(shè)計資料通常以里程定位和標(biāo)識，在工程設(shè)計和實施過程中難以避免線路中心線的優(yōu)化調(diào)整，通過合理設(shè)置斷鏈可保證各種資料的一致性。線性工程設(shè)置斷鏈不可避免，因此線路中心線標(biāo)準(zhǔn)需支持?jǐn)噫溤O(shè)置。

圖4 線路平面實體繼承關(guān)系

表2 緩和曲線定義

鐵路里程通常根據(jù)線路平面計算，因此，里程系統(tǒng)被線路平面（IfcAlignment2DHorizontal）聚合。里程系統(tǒng)由1組首尾相接的多個里程（IfcChainageSystemSegment）段組成，其定義結(jié)構(gòu)見圖5。

里程系統(tǒng)實體（見表3）由1組首尾相接的里程段（IfcChainageSystemSegment）組成。

里程段實體定義（見表4）里程系統(tǒng)中1段連續(xù)的里程段落，里程段范圍內(nèi)里程連續(xù)，2段銜接處里程值在2個段內(nèi)可以不同。

圖5 里程系統(tǒng)定義結(jié)構(gòu)

2.4 非幾何屬性信息定義

從線路幾何特征方面定義線路中心線屬性集Pset_Alignment（見表5），包括線路中心線的位置、采用設(shè)計規(guī)范、線路中心線名稱、線路長度、最小曲線半徑、曲線個數(shù)、曲線長度、坡段個數(shù)、前進(jìn)方向拔起高度、后退方向拔起高度等信息。

3 鐵路IFC Alignment 1.0標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用實踐

3.1 試驗驗證

選擇雅萬高鐵項目先開段驗證鐵路線路中心線標(biāo)準(zhǔn)的適用性。雅萬高鐵先開段設(shè)計速度為350 km/h[4]，里程范圍為GDK95+000—GDK100+000，線路長5 km，土建工程包括3座隧道、3座橋梁、1 km路基、1座車站和4座涵洞。

3.1.1 驗證目標(biāo)

采用鐵路IFC Alignment 1.0標(biāo)準(zhǔn)，選擇“鐵路線路設(shè)計系統(tǒng)（RDS）”、GIS和3DExperience軟件，驗證標(biāo)準(zhǔn)是否可完整傳遞線路中心線（包括平面、縱斷面），數(shù)據(jù)傳遞精確度是否滿足工程應(yīng)用。

3.1.2 驗證路線

驗證工作分4步進(jìn)行，具體步驟及內(nèi)容見圖6。

表3 里程系統(tǒng)實體

表4 里程段實體定義

表5 線路中心線屬性集Pset_Alignment

圖6 驗證工作具體步驟及內(nèi)容

3.1.3 驗證結(jié)果

（1）線路中心線傳遞的完整性。對比RDS軟件和3DExperience軟件，平面實體5個，分別為2個平面直線段、2個緩和曲線和1個平面圓曲線；縱斷面實體9個，分別為4個縱斷面圓曲線、5個縱斷面直線。經(jīng)實際測量，各實體參數(shù)一致（見圖7和圖8）。用于數(shù)據(jù)交換的IFC Alignment文件中各對象數(shù)量及等效參數(shù)與2個軟件中相應(yīng)元素完全一致。

（2）在地理場景中瀏覽線路數(shù)據(jù)。在GIS軟件中讀入IFC Alignment文件，生成線路中心線對象，并加載到地理場景中（見圖9）。線路中心線位置和各幾何元素傳遞正確。

圖7 RDS軟件中的線路中心線

圖8 3DExperience軟件中的線路中心線

圖9 線路數(shù)據(jù)在地理環(huán)境中的顯示

（3）RDS軟件和3DExperience軟件輸出逐樁坐標(biāo)精度分析。對比2個軟件導(dǎo)出逐樁坐標(biāo)值，驗證二者等效性。2個軟件利用IFCAlignment傳遞信息后，最大誤差為0.016 mm，位于DK99+840圓緩點左右，主要原因是不同軟件對緩和曲線計算方法存在差異，其他地段誤差值在0.001 mm左右，滿足鐵路工程設(shè)計精度要求。CATIA和RDS軟件中的線路空間曲線的等效性，說明通過鐵路IFC Alignment 1.0標(biāo)準(zhǔn)文件將線路中心線數(shù)據(jù)從RDS軟件有效傳遞到了3DExperience軟件中。

（4）應(yīng)用線路中心線模型設(shè)計鐵路BIM模型。應(yīng)用從鐵路IFC Alignment 1.0文件導(dǎo)入生成的線路中心線模型，順利完成雅萬高鐵先開段路、橋、隧、站、軌等5個領(lǐng)域的BIM設(shè)計，專業(yè)模型位置、姿態(tài)均正確（見圖10）。

3.1.4 驗證結(jié)論

鐵路IFC Alignment 1.0標(biāo)準(zhǔn)對線路中心線幾何支持完整，描述準(zhǔn)確，適用于線路中心線信息存儲與交換。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)工程應(yīng)用

為簡化各生產(chǎn)軟件中鐵路IFC Alignment接口的開發(fā)，統(tǒng)一開發(fā)了IFC AlignmentAPI接口。在RDS、GIS和3DExperience軟件中通過二次開發(fā)調(diào)用該接口，實現(xiàn)對鐵路IFC Alignment 1.0標(biāo)準(zhǔn)的支持。其中，在3DExperience軟件開發(fā)了Alignment自定義特征，支持各專業(yè)工程實體基于里程的定位和布置。

圖10 雅萬高鐵先開段BIM模型

在京沈客專等試點項目以及京雄高鐵（見圖11）、牡佳客專、雅萬高鐵等多個工程項目中全面應(yīng)用了鐵路IFC Alignment 1.0標(biāo)準(zhǔn)，并實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化成果交付。

圖11 京雄高鐵全面應(yīng)用鐵路IFCAlignment1.0標(biāo)準(zhǔn)

4 結(jié)束語

鐵路IFC Alignment 1.0標(biāo)準(zhǔn)支持鐵路線路中心線的完整表達(dá)。工程實踐證明，應(yīng)用該標(biāo)準(zhǔn)可有效支持鐵路線路中心線信息跨軟件平臺、跨參與方傳遞?；谠摌?biāo)準(zhǔn)研究成果，向buildingSMART提出的緩和曲線修訂建議已被采用，納入buildingSMARTIFC4x1標(biāo)準(zhǔn)[5]。關(guān)于鐵路斷鏈的定義，正與buildingSMARTIFC Alignment標(biāo)準(zhǔn)編制組進(jìn)一步溝通。