蘇林

（中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300143）

0 引言

通常各線路軟件以專(zhuān)有格式存儲(chǔ)線路中心線（Alignment）數(shù)據(jù)，滿(mǎn)足企業(yè)自身應(yīng)用，但造成跨軟件平臺(tái)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(wèn)題，基于國(guó)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(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)”[1]的組成部分。經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，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(gè)鐵路BIM生產(chǎn)項(xiàng)目。

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

線路中心線實(shí)體（IfcAlignment）主要是對(duì)IFC標(biāo)準(zhǔn)的幾何拓展，派生自定位實(shí)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(kāi)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(jiàn)圖1。

buildingSMART IFC Alignment 1.0標(biāo)準(zhǔn)不能完全滿(mǎn)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(lèi)型，不具備普適性。

（2）不支持?jǐn)噫湵磉_(dá)，無(wú)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(duì)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(shí)體的子實(shí)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(zhǎng)度與線路平面曲線長(zhǎng)度一致。線路平面可與多個(gè)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(jiàn)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(gè)線路平面線段擁有1個(gè)二維曲線段（IfcCurveSegment2D）對(duì)象，相鄰線路平面線段間默認(rèn)為切向連續(xù)或點(diǎn)連續(xù)（非切向連續(xù)）。二維曲線段對(duì)象分為二維直線段（IfcLineSegment2D）、二維圓弧段（IfcCircularArcSegment2D）、緩和曲線（IfcTransitionCurve2D）3種實(shí)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(kāi)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(shí)體。

2.2 緩和曲線實(shí)體定義

鐵路常用緩和曲線類(lèi)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(jì)算式和曲率圖分別見(jiàn)表1和圖3。

通過(guò)記錄緩和曲線起點(diǎn)半徑（StartRaduis）、終點(diǎn)半徑（EndRadius）、曲線長(zhǎng)度（SegmentLength）及緩和曲線類(lèi)型，唯一確定緩和曲線線型，并無(wú)數(shù)據(jù)冗余。再記錄姿態(tài)的起點(diǎn)坐標(biāo)（StartPoint）、起點(diǎn)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(jì)算式

圖3 常用緩和曲線曲率圖

對(duì)于完整緩和曲線，起點(diǎn)或終點(diǎn)半徑為無(wú)窮大，以“NIL”表示，緩和曲線唯一確定；對(duì)于不完整緩和曲線，可根據(jù)起點(diǎn)和終點(diǎn)半徑、緩和曲線長(zhǎng)度以及緩和曲線類(lèi)型4個(gè)參數(shù)計(jì)算出相應(yīng)的完整緩和曲線長(zhǎng)度，緩和曲線也唯一確定。

對(duì)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(guò)公式ρ=l/（L×R）可直接計(jì)算得出相應(yīng)的完整緩和曲線長(zhǎng)度，式中ρ為緩和曲線上任意點(diǎn)處的曲率，l為緩和曲線上任意點(diǎn)至直緩點(diǎn)的距離，L為緩和曲線全長(zhǎng)，R為緩和曲線直圓點(diǎn)處的半徑。對(duì)于其他類(lèi)型不完整緩和曲線，需通過(guò)數(shù)值算法計(jì)算緩和曲線全長(zhǎng)。

對(duì)于特殊類(lèi)型緩和曲線還可以在緩和曲線實(shí)體（IfcTransitionCurve2D）下派生特殊類(lèi)型緩和曲線實(shí)體。線路平面實(shí)體類(lèi)型具有清晰的繼承關(guān)系和明確的物理含義（見(jiàn)圖4）。

常用完整和不完整緩和曲線統(tǒng)一定義（見(jiàn)表2），每個(gè)緩和曲線采用7個(gè)參數(shù)進(jìn)行描述。其中，起點(diǎn)坐標(biāo)、起點(diǎn)方向、二維曲線段長(zhǎng)度繼承父實(shí)體（IfcCurveSegment2D）的定義；起點(diǎn)半徑、終點(diǎn)半徑、偏向和緩和曲線類(lèi)型在緩和曲線實(shí)體中定義。對(duì)于不完整緩和曲線，其長(zhǎng)度為計(jì)算值，由二維曲線段長(zhǎng)度、起點(diǎn)半徑、終點(diǎn)半徑和緩和曲線類(lèi)型確定。

其中緩和曲線類(lèi)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(hù)自定義（USERDEFINE）。

2.3 里程系統(tǒng)實(shí)體定義

鐵路、公路等線性工程上常有些點(diǎn)設(shè)計(jì)里程不連續(xù)，稱(chēng)為斷鏈。線性工程設(shè)計(jì)資料通常以里程定位和標(biāo)識(shí)，在工程設(shè)計(jì)和實(shí)施過(guò)程中難以避免線路中心線的優(yōu)化調(diào)整，通過(guò)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(shí)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(jì)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(gè)里程（IfcChainageSystemSegment）段組成，其定義結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。

里程系統(tǒng)實(shí)體（見(jiàn)表3）由1組首尾相接的里程段（IfcChainageSystemSegment）組成。

里程段實(shí)體定義（見(jiàn)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(gè)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(jiàn)表5），包括線路中心線的位置、采用設(shè)計(jì)規(guī)范、線路中心線名稱(chēng)、線路長(zhǎng)度、最小曲線半徑、曲線個(gè)數(shù)、曲線長(zhǎng)度、坡段個(gè)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(shí)踐

3.1 試驗(yàn)驗(yàn)證

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

3.1.1 驗(yàn)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(jì)系統(tǒng)（RDS）”、GIS和3DExperience軟件，驗(yàn)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(mǎn)足工程應(yīng)用。

3.1.2 驗(yàn)證路線

驗(yàn)證工作分4步進(jìn)行，具體步驟及內(nèi)容見(jiàn)圖6。

表3 里程系統(tǒng)實(shí)體

表4 里程段實(shí)體定義

表5 線路中心線屬性集Pset_Alignment

圖6 驗(yàn)證工作具體步驟及內(nèi)容

3.1.3 驗(yàn)證結(jié)果

（1）線路中心線傳遞的完整性。對(duì)比RDS軟件和3DExperience軟件，平面實(shí)體5個(gè)，分別為2個(gè)平面直線段、2個(gè)緩和曲線和1個(gè)平面圓曲線；縱斷面實(shí)體9個(gè)，分別為4個(gè)縱斷面圓曲線、5個(gè)縱斷面直線。經(jīng)實(shí)際測(cè)量，各實(shí)體參數(shù)一致（見(jiàn)圖7和圖8）。用于數(shù)據(jù)交換的IFC Alignment文件中各對(duì)象數(shù)量及等效參數(shù)與2個(gè)軟件中相應(yīng)元素完全一致。

（2）在地理場(chǎng)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(duì)象，并加載到地理場(chǎng)景中（見(jiàn)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(duì)比2個(gè)軟件導(dǎo)出逐樁坐標(biāo)值，驗(yàn)證二者等效性。2個(gè)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(diǎn)左右，主要原因是不同軟件對(duì)緩和曲線計(jì)算方法存在差異，其他地段誤差值在0.001 mm左右，滿(mǎn)足鐵路工程設(shè)計(jì)精度要求。CATIA和RDS軟件中的線路空間曲線的等效性，說(shuō)明通過(guò)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(jì)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(wàn)高鐵先開(kāi)段路、橋、隧、站、軌等5個(gè)領(lǐng)域的BIM設(shè)計(jì)，專(zhuān)業(yè)模型位置、姿態(tài)均正確（見(jiàn)圖10）。

3.1.4 驗(yàn)證結(jié)論

鐵路IFC Alignment 1.0標(biāo)準(zhǔn)對(duì)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(chǔ)與交換。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)工程應(yīng)用

為簡(jiǎn)化各生產(chǎn)軟件中鐵路IFC Alignment接口的開(kāi)發(fā)，統(tǒng)一開(kāi)發(fā)了IFC AlignmentAPI接口。在RDS、GIS和3DExperience軟件中通過(guò)二次開(kāi)發(fā)調(diào)用該接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵路IFC Alignment 1.0標(biāo)準(zhǔn)的支持。其中，在3DExperience軟件開(kāi)發(fā)了Alignment自定義特征，支持各專(zhuān)業(yè)工程實(shí)體基于里程的定位和布置。

圖10 雅萬(wàn)高鐵先開(kāi)段BIM模型

在京沈客專(zhuān)等試點(diǎn)項(xiàng)目以及京雄高鐵（見(jiàn)圖11）、牡佳客專(zhuān)、雅萬(wàn)高鐵等多個(gè)工程項(xiàng)目中全面應(yīng)用了鐵路IFC Alignment 1.0標(biāo)準(zhǔn)，并實(shí)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(yǔ)

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(shí)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(tái)、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。