楊文成

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司，北京 100055)

1 概述

目前，我國(guó)鐵路設(shè)計(jì)院仍主要采用二維AutoCAD軟件進(jìn)行鐵路設(shè)計(jì)工作，以二維圖紙作為最終成果。鐵路項(xiàng)目是一個(gè)龐大的系統(tǒng)性工程，從項(xiàng)目的規(guī)劃設(shè)計(jì)到配合施工，設(shè)計(jì)單位往往需要對(duì)方案進(jìn)行反復(fù)修改，設(shè)計(jì)變更、廢棄工程等問(wèn)題也亟待通過(guò)更科學(xué)的設(shè)計(jì)手段去改善。鐵路開(kāi)通后，各運(yùn)營(yíng)維護(hù)單位也渴望擺脫呆板的二維圖紙、報(bào)表資料，利用更加便捷化的三維數(shù)字化技術(shù)提高運(yùn)營(yíng)服務(wù)水平，保障設(shè)備維護(hù)質(zhì)量。

道岔設(shè)備是整個(gè)車(chē)站布置的核心控制要素，站線及警信等重要設(shè)施都是通過(guò)道岔來(lái)確定其位置，故道岔設(shè)備模型的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到站場(chǎng)設(shè)計(jì)質(zhì)量及鐵路行車(chē)安全。目前，國(guó)內(nèi)外鐵路BIM設(shè)計(jì)軟件中，對(duì)道岔和股道提供良好支持的軟件較少[1-6]，以下結(jié)合鐵路站場(chǎng)設(shè)計(jì)，對(duì)主流BIM軟件平臺(tái)進(jìn)行探索學(xué)習(xí)[7-13]，以期通過(guò)道岔數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建，減少鐵路站場(chǎng)三維模型制作周期[14-15]，提高鐵路站場(chǎng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)水平。

2 基于OpenRail軟件平臺(tái)的站場(chǎng)道岔BIM建模方法研究

2.1 線性站場(chǎng)道岔設(shè)計(jì)思路

OpenRail軟件是鐵路基礎(chǔ)設(shè)施建筑領(lǐng)域內(nèi)較成熟的BIM設(shè)計(jì)軟件，其功能包括鐵路領(lǐng)域的深化設(shè)計(jì)與建模，并且集成了測(cè)量、線路、路基、軌道等多個(gè)專(zhuān)業(yè)性功能模塊。OpenRail軟件內(nèi)嵌MicroStation平臺(tái)，具有更多的可擴(kuò)充性[16-19]。站場(chǎng)道岔模型的BIM設(shè)計(jì)可以分為兩種思路：

(1)運(yùn)用OpenRail軟件中道岔模塊去繪制道岔的線性模型。該模型僅由直線、曲線等線性抽象后的幾何要素組成，其中，直線和曲線表示道岔直股、側(cè)股設(shè)備的中心線。

(2)利用MicroStation功能直接繪制各種道岔的實(shí)體三維模型(以cell文件格式進(jìn)行存儲(chǔ))，并通過(guò)OpenRail軟件中樁號(hào)及坐標(biāo)信息引用插入。該思路有利于站場(chǎng)道岔BIM模型一次完成，但不利于設(shè)計(jì)工作中的反復(fù)修改，并且在設(shè)計(jì)前期需要投入大量時(shí)間進(jìn)行實(shí)體三維道岔模型的繪制，對(duì)設(shè)計(jì)單位而言生產(chǎn)效率較差，故不作推薦。

2.2 站場(chǎng)專(zhuān)業(yè)道岔選用方法

我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)鐵路采用1 435 mm軌距，常用道岔按其功能性可分為單開(kāi)道岔、對(duì)稱(chēng)道岔、交叉渡線、復(fù)式交分道岔等類(lèi)型；根據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)的鋼軌軌型，有43 kg/m、50 kg/m、60 kg/m、75 kg/m等種類(lèi)；此外，也常根據(jù)道岔號(hào)數(shù)進(jìn)行分類(lèi)，如9號(hào)、12號(hào)、18號(hào)、42號(hào)等類(lèi)型。各類(lèi)道岔中，單開(kāi)道岔是最為常用的類(lèi)型，在鐵路線上的占比為90%以上，能夠較好地兼顧安全性和養(yǎng)護(hù)成本。

在鐵路道岔設(shè)計(jì)中，首先通過(guò)岔心來(lái)定位，然后根據(jù)站線的需求選擇道岔開(kāi)向，最后對(duì)道岔岔尾末端直線段進(jìn)行延伸。站場(chǎng)中每個(gè)道岔的選用都是根據(jù)鋼軌型號(hào)、速度標(biāo)準(zhǔn)等需求綜合考慮而定的。

2.3 OpenRail道岔模塊功能分析

OpenRail軟件在既有OpenRoad軟件基礎(chǔ)上增加了軌道交通設(shè)計(jì)的功能，其道岔管理模塊為鐵路道岔的繪制提供了部分歐美標(biāo)準(zhǔn)道岔參數(shù)。創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)道岔模型時(shí)，可以對(duì)該軟件的內(nèi)嵌道岔數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)制，然后逐項(xiàng)進(jìn)行信息修改，以建立個(gè)人道岔數(shù)據(jù)庫(kù)。該方法雖然簡(jiǎn)單易懂，但修改后的道岔數(shù)據(jù)僅支持個(gè)體軟件環(huán)境，無(wú)法在團(tuán)隊(duì)中進(jìn)行便捷復(fù)制。另一種方法是通過(guò)可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言(XML)編寫(xiě)道岔數(shù)據(jù)庫(kù)，可以非常方便地進(jìn)行復(fù)用、推廣。故以下重點(diǎn)對(duì)更優(yōu)的xml文件道岔數(shù)據(jù)庫(kù)方法進(jìn)行深入的探討。

(1)XML語(yǔ)言概述

XML語(yǔ)言在表達(dá)形式上與HTML語(yǔ)言非常相似，都是主要用于完成傳輸和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的語(yǔ)言[20]，可彌補(bǔ)HTML語(yǔ)言無(wú)法描述數(shù)據(jù)、可讀性差、搜索時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)。在XML文件編寫(xiě)過(guò)程中，需要注意區(qū)分大小寫(xiě)，并且元素標(biāo)記名稱(chēng)應(yīng)在整個(gè)文件中保持其唯一性[21-23]。XML文件中，聲明語(yǔ)句后應(yīng)緊跟一個(gè)根元素(根元素有且僅有一個(gè)，后面所有子元素都應(yīng)只是在根元素下的分支表達(dá))，所有元素的屬性值必須加引號(hào)修飾，并且各元素的開(kāi)始與結(jié)束都需有對(duì)應(yīng)標(biāo)記去完成閉合[24-28]。

(2)關(guān)鍵元素分析

在OpenRail軟件中，首先將道岔設(shè)備的各關(guān)鍵組成部分以中心線幾何特征為要素進(jìn)行直線、曲線等的抽象化處理，并針對(duì)不同道岔類(lèi)型提供相對(duì)應(yīng)的處理方案，如單開(kāi)道岔主要以直股、側(cè)股和道岔角構(gòu)成，交分道岔主要以?xún)蓚€(gè)直股和道岔角構(gòu)成。以單開(kāi)道岔為例，展開(kāi)進(jìn)一步研究。

OpenRail軌道交通模塊中的“RAIL TURNOUT IMPORT”命令可以導(dǎo)入XML語(yǔ)言編寫(xiě)的道岔數(shù)據(jù)庫(kù)文件。為使道岔數(shù)據(jù)庫(kù)代碼簡(jiǎn)潔、易懂，規(guī)定道岔數(shù)據(jù)庫(kù)文件中根元素為，各分支元素為各種不同道岔型號(hào)類(lèi)，用不同的元素來(lái)表示，不同型號(hào)道岔數(shù)據(jù)的元素標(biāo)記信息應(yīng)包含下面幾類(lèi)。

①道岔設(shè)備概述類(lèi)：類(lèi)型，導(dǎo)曲線線形，圖紙名稱(chēng)，圖號(hào)；

②直股元素類(lèi)：道岔全長(zhǎng)，道岔角(道岔號(hào)數(shù))，岔尾長(zhǎng)；

③側(cè)股元素：導(dǎo)曲線，導(dǎo)曲線兩側(cè)的直線，如圖1所示。

圖1 側(cè)股元素組成

在鐵路設(shè)計(jì)的不同階段，道岔數(shù)據(jù)庫(kù)中道岔模型元素的細(xì)化程度也有所不同。站場(chǎng)專(zhuān)業(yè)的道岔模型主要用于定位站線起始點(diǎn)及連接關(guān)系，如圖2所示，可通過(guò)直股、岔心、側(cè)股及道岔角對(duì)道岔數(shù)據(jù)進(jìn)行錄入。

圖2 線性簡(jiǎn)化后的單開(kāi)道岔示意

(3) XML文件編寫(xiě)方法研究

對(duì)道岔數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，對(duì)XML文件中各類(lèi)元素及標(biāo)記建立統(tǒng)一命名規(guī)則，以便于道岔數(shù)據(jù)庫(kù)的長(zhǎng)期維護(hù)。道岔數(shù)據(jù)庫(kù)中主要元素及標(biāo)記命名規(guī)則見(jiàn)表1。

表1 道岔數(shù)據(jù)庫(kù)主要元素命名規(guī)則

根據(jù)表1的命名規(guī)則，道岔全長(zhǎng)、道岔岔心距離岔尾距離等各項(xiàng)道岔尺寸值都可以通過(guò)《鐵路道岔參數(shù)手冊(cè)》進(jìn)行查詢(xún)，并以道岔數(shù)據(jù)庫(kù)元素標(biāo)記值的形式加以表達(dá)。

3 實(shí)例分析

為了說(shuō)明道岔數(shù)據(jù)庫(kù)的創(chuàng)建過(guò)程，選用9號(hào)、12號(hào)、18號(hào)三種站場(chǎng)設(shè)計(jì)中常用單開(kāi)道岔，對(duì)道岔數(shù)據(jù)庫(kù)XML文件編寫(xiě)進(jìn)行探討，實(shí)例中采用的各道岔尺寸參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 三種常用單開(kāi)道岔參數(shù)

根據(jù)道岔數(shù)據(jù)庫(kù)XML文件編寫(xiě)方法及表2中各道岔尺寸參數(shù)，對(duì)CZ2209道岔的OpenRail道岔數(shù)據(jù)代碼進(jìn)行分析：

//道岔元素。

//道岔類(lèi)型及圖號(hào)。

//單開(kāi)道岔中岔首位置ratioAt1不存在角度；ratioAt0為道岔號(hào)數(shù)(轍叉角的余切值)；length0To2是直股岔心至岔尾的長(zhǎng)度，length0To3是側(cè)股岔心至岔尾的長(zhǎng)度；lengthAlongMainline是道岔岔首至岔尾的全長(zhǎng)。

//轍岔長(zhǎng)度形式和長(zhǎng)度。

//導(dǎo)曲線的半徑值和弧長(zhǎng)。

//道岔后插鋼軌的形式和長(zhǎng)度。

//對(duì)分支元素進(jìn)行代碼閉合

通過(guò)對(duì)上述代碼的分析可知，SC330道岔和客專(zhuān)線(08)016道岔的OpenRail道岔數(shù)據(jù)庫(kù)代碼中，直股長(zhǎng)度、轍叉角、岔尾長(zhǎng)度等具有不同的參數(shù)值，對(duì)應(yīng)替換即可形成新的道岔元素。此外，除了道岔分支元素的代碼，完整的OpenRail道岔數(shù)據(jù)庫(kù)文件還需要根據(jù)實(shí)際情況添加聲明語(yǔ)句和根元素，并在文件最后進(jìn)行分支元素代碼閉合。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于OpenRail軟件平臺(tái)，從鐵路BIM設(shè)計(jì)中站場(chǎng)專(zhuān)業(yè)角度出發(fā)，對(duì)道岔設(shè)備建模方法進(jìn)行研究，該方法可用于站場(chǎng)BIM模型的快速布置，并能夠以XML文件的形式高效推廣，對(duì)鐵路設(shè)計(jì)中站場(chǎng)BIM設(shè)計(jì)及建模具有一定的借鑒價(jià)值。

由于道岔設(shè)備各項(xiàng)細(xì)部尺寸的制定原理仍有所欠缺，待補(bǔ)充道岔導(dǎo)曲線、轍岔計(jì)算等方面的理論后，可以對(duì)站場(chǎng)道岔BIM模型進(jìn)行進(jìn)一步的完善。