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        福廈鐵路CRTS雙塊式無(wú)砟軌道BIM技術(shù)應(yīng)用研究

        2021-04-09 10:47:30張杰
        鐵路技術(shù)創(chuàng)新 2021年1期
        關(guān)鍵詞:福廈雙塊軌枕

        張杰

        (1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 線路站場(chǎng)設(shè)計(jì)研究院,湖北 武漢 430063;2.鐵路軌道安全服役湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430063)

        0 引言

        隨著各種新技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用,我國(guó)鐵路工程也面臨新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)[1]。BIM技術(shù)是鐵路設(shè)計(jì)行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì),將BIM技術(shù)引入鐵路工程設(shè)計(jì),可全面提升安全生產(chǎn)、運(yùn)營(yíng)管理、客運(yùn)服務(wù)的現(xiàn)代化水平[2]。目前,Autodesk公司的Revit軟件以其強(qiáng)大功能,得到廣大設(shè)計(jì)人員的認(rèn)可,并憑借其在建筑行業(yè)的優(yōu)異表現(xiàn)成為市場(chǎng)占有率較高、應(yīng)用范圍較廣的BIM建模軟件[3-4]。但是,對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu),傳統(tǒng)的Revit設(shè)計(jì)還存在一定缺陷,如基于Revit建立的標(biāo)高軸網(wǎng)、構(gòu)件選取、模型放置等,不便于進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)驅(qū)動(dòng)和精確定位[5],而手動(dòng)建模重復(fù)性工作較多,建模效率和精度不高。Dynamo是基于Revit的可視化編程插件,設(shè)計(jì)人員可自定義節(jié)點(diǎn)間的邏輯關(guān)系,實(shí)現(xiàn)參數(shù)化批量建模,從而提高建模效率和精度。

        1 工程概況

        新建福廈鐵路北起福州,銜接合福高鐵、向莆鐵路,經(jīng)莆田、泉州,南至廈門、漳州,銜接廈深、龍廈鐵路。福廈鐵路既是構(gòu)建京福廈高速鐵路的客運(yùn)通道,也是長(zhǎng)江三角洲經(jīng)海峽西岸至珠江三角洲的高標(biāo)準(zhǔn)客運(yùn)聯(lián)系通道。福廈鐵路正線采用CRTS雙塊式無(wú)砟軌道,其結(jié)構(gòu)主要由60 kg/m鋼軌、SK-Ⅱ型雙塊式軌枕、WJ-8B型扣件、軌道板、底座等組成。以福廈鐵路CRTS雙塊式無(wú)砟軌道為研究對(duì)象,探索軌道BIM參數(shù)化設(shè)計(jì)思路[6-7],并基于Dynamo可視化編程技術(shù),對(duì)軌道BIM參數(shù)化建模的實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行研究。

        2 Dynamo可視化編程

        Dynamo是一款典型樹狀架構(gòu)的基于流程圖的可視化編程軟件,其代碼最小單位為節(jié)點(diǎn)(Node),用戶在節(jié)點(diǎn)左邊輸入(Input)數(shù)據(jù),從節(jié)點(diǎn)右邊輸出(Output)數(shù)據(jù),層層節(jié)點(diǎn),依次邏輯相連,最終構(gòu)成完整腳本。作為Revit的插件,Dynamo與Revit交互時(shí),其圖形顯示區(qū)原點(diǎn)與Revit項(xiàng)目樣板原點(diǎn)在同一位置,當(dāng)Revit項(xiàng)目?jī)?nèi)某個(gè)坐標(biāo)的構(gòu)件被Dynamo關(guān)聯(lián)讀取時(shí),Dynamo圖形顯示區(qū)就出現(xiàn)在相應(yīng)坐標(biāo)位置[8]。Dynamo與Revit交互示意見圖1。

        圖1 Dynamo與Revit交互示意圖

        Dynamo利用規(guī)范化框架,將預(yù)定義功能節(jié)點(diǎn)連接,通過可視化界面定義程序的說(shuō)明及關(guān)系。在Dynamo中采用節(jié)點(diǎn)或模塊建立的軌道幾何模型與Revit無(wú)縫銜接[8],Dynamo程序代碼驅(qū)動(dòng)軌道部件的坐標(biāo)信息等數(shù)據(jù),便可在Revit樣板文件中生成軌道BIM模型。當(dāng)修改Dynamo文件中的坐標(biāo)等參數(shù)并運(yùn)行后,Revit軌道模型進(jìn)行相應(yīng)更新。

        3 設(shè)計(jì)內(nèi)容

        3.1 設(shè)計(jì)流程

        為減少重復(fù)建模,實(shí)現(xiàn)軌道部件自動(dòng)裝配設(shè)計(jì),以CRTS雙塊式無(wú)砟軌道的鋼軌、軌枕、扣件、道床板、底座等為對(duì)象,分別建立自適應(yīng)構(gòu)件庫(kù),并基于Dynamo進(jìn)行編程設(shè)計(jì),使用參數(shù)調(diào)用構(gòu)件組裝模型,完成CRTS雙塊式無(wú)砟軌道的結(jié)構(gòu)建模。

        CRTS雙塊式無(wú)砟軌道BIM設(shè)計(jì)流程如下:

        (1)根據(jù)線路、橋梁、路基等專業(yè)提供的資料,計(jì)算軌道坐標(biāo)點(diǎn),形成軌道設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)文件;

        (2)建立鋼軌、道床板、底座等軌道自適應(yīng)構(gòu)件,以及軌枕、扣件構(gòu)件[9];

        (3)基于Dynamo進(jìn)行軌道BIM設(shè)計(jì);

        (4)批量軌道模型裝配。

        3.2 數(shù)據(jù)文件設(shè)計(jì)

        3.2.1 切線支距法計(jì)算

        根據(jù)線路平面資料,采用切線支距法(即直角坐標(biāo)法)計(jì)算線路各點(diǎn)坐標(biāo)值。以HZi-1—ZHi—HZi—ZHi+1任意點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算為例,線路平曲線示意見圖2。已知曲線的起終點(diǎn)里程和交點(diǎn)JD坐標(biāo),A為線路導(dǎo)線方位角、R為圓曲線半徑、l0為緩長(zhǎng),對(duì)直線段、緩和曲線段(前/后)、圓曲線段分別進(jìn)行逐樁坐標(biāo)計(jì)算,形成軌道設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)文件。

        圖2 線路平曲線示意圖

        (1)直線段坐標(biāo)計(jì)算。

        式中:Ai-1,i為交點(diǎn)JDi-1至JDi的坐標(biāo)方位角;Di為計(jì)算里程點(diǎn)至HZi-1的里程差。

        (2)緩和曲線段坐標(biāo)計(jì)算。

        以ZHi點(diǎn)為圓心,ZHi點(diǎn)切線方向?yàn)閤軸,建立局部坐標(biāo)系,計(jì)算緩和曲線上各點(diǎn)坐標(biāo)。

        式中:C=Ri?l0;Di為計(jì)算里程點(diǎn)至ZHi的里程差。

        (3)圓曲線段坐標(biāo)計(jì)算。

        以ZHi點(diǎn)為圓心,ZHi點(diǎn)切線方向?yàn)閤軸,建立局部坐標(biāo)系,計(jì)算圓曲線上各點(diǎn)坐標(biāo)。

        3.2.2 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

        根據(jù)3.2.1可知,緩和曲線和圓曲線的軌道點(diǎn)坐標(biāo),均在以ZHi為圓心建立的相對(duì)坐標(biāo)系中計(jì)算所得。為了統(tǒng)一坐標(biāo),將相對(duì)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為世界坐標(biāo)系。

        (1)前緩和曲線、圓曲線段坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

        式中:當(dāng)曲線為左轉(zhuǎn)角時(shí),yi=-yi;Ai-1,i為交點(diǎn)JDi-1至JDi的坐標(biāo)方位角。

        (2)后緩和曲線坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

        式中:當(dāng)曲線為右轉(zhuǎn)角時(shí),yi=-yi;Ai,i+1為交點(diǎn)JDi至JDi+1的坐標(biāo)方位角。

        軌道是沿線路布置的帶狀構(gòu)筑物。在Revit中,主要采用“以直代曲”的方式實(shí)現(xiàn)軌道結(jié)構(gòu)沿線路曲線的布置,即將曲線劃分為若干較短直線,計(jì)算所有“直線段”起終點(diǎn)的坐標(biāo)等數(shù)據(jù)信息,作為軌道設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)文件。根據(jù)線路、路基、橋梁、隧道的基礎(chǔ)資料,按照式(1)—式(5),計(jì)算出軌道設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。

        3.3 構(gòu)件建立

        福廈鐵路CRTS雙塊式無(wú)砟軌道的軌枕、扣件均為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),其外觀尺寸參數(shù)、配筋設(shè)計(jì)相同,均采用常規(guī)構(gòu)件模型;由于橋梁地段道床板分塊設(shè)計(jì),道床板和底座分塊長(zhǎng)度一般為5~7 m,常規(guī)構(gòu)件模型很難滿足BIM建模要求,因此采用自適應(yīng)構(gòu)件模型。

        在創(chuàng)建Revit自適應(yīng)構(gòu)件時(shí),首先要確定構(gòu)件模型的自適應(yīng)點(diǎn),在自適應(yīng)公制常規(guī)模型樣板文件下,建立自適應(yīng)點(diǎn)之間的路徑,自適應(yīng)點(diǎn)可沿路徑自動(dòng)拉伸形成實(shí)體形狀,通過Dynamo參數(shù)驅(qū)動(dòng),完成模型裝配。

        在Revit中,CRTS雙塊式無(wú)砟軌道的自適應(yīng)構(gòu)件模型建立流程見圖3,構(gòu)件模型見圖4。

        圖3 自適應(yīng)構(gòu)件模型建立流程

        圖4 構(gòu)件模型

        3.4 軌道BIM設(shè)計(jì)

        (1)Excel數(shù)據(jù)讀取。利用Excel.ReadFromFile節(jié)點(diǎn),將帶有軌道坐標(biāo)信息的Excel數(shù)據(jù)導(dǎo)入Dynamo(見圖5)。若后期需要修改模型,用戶只需更改Excel數(shù)據(jù),Revit即可在Dynamo驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行模型更新響應(yīng)。

        圖5 Excel數(shù)據(jù)導(dǎo)入Dynamo

        (2)坐標(biāo)點(diǎn)處理。從Excel中讀取的數(shù)據(jù)是單個(gè)數(shù)據(jù)組成的列表形式,鋼軌、軌枕、道床板等模型裝配的核心,是模型放樣需對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)信息。Dynamo讀取Excel數(shù)據(jù)是以行為單位進(jìn)行列表的存儲(chǔ),借助List.Fatten和List.Transpose節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的展平及轉(zhuǎn)置,對(duì)轉(zhuǎn)置后的數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)提取及分組(見圖6)。

        圖6 坐標(biāo)點(diǎn)處理

        (3)自適應(yīng)構(gòu)件列表創(chuàng)建。以鋼軌建模為例,將鋼軌自適應(yīng)構(gòu)件模型沿坐標(biāo)點(diǎn)放置,首先將建好的鋼軌自適應(yīng)構(gòu)件模型通過FamilyType.ByName節(jié)點(diǎn)載入Dynamo程序,再借助AdaptiveComponent.ByPoints節(jié)點(diǎn),通過點(diǎn)的二維數(shù)組創(chuàng)建鋼軌自適應(yīng)構(gòu)件列表(見圖7)。

        圖7 自適應(yīng)構(gòu)件列表創(chuàng)建

        (4)軌枕扣件構(gòu)件實(shí)例列表創(chuàng)建。以軌枕建模為例,以相同方法計(jì)算軌枕構(gòu)件放置坐標(biāo)點(diǎn)后,需要將軌枕按照線路平面方位角進(jìn)行調(diào)整。首先讀取軌枕放置點(diǎn)的切向量,通過切向量的X、Y分量,計(jì)算平面方位角,即軌枕的旋轉(zhuǎn)角度。借助FamilyInstance.SetRotation節(jié)點(diǎn)完成軌枕構(gòu)件的旋轉(zhuǎn),建立軌枕構(gòu)件實(shí)例列表(見圖8)。

        圖8 軌枕扣件構(gòu)件實(shí)例列表創(chuàng)建

        3.5 批量模型裝配

        將已加載的鋼軌、軌枕、扣件、道床板和底座的構(gòu)件模型,分別通過FamilyType.ByName節(jié)點(diǎn)導(dǎo)入Dynamo程序,點(diǎn)擊運(yùn)行后,在Revit中生成裝配完整的BIM模型(見圖9)。更改Excel數(shù)據(jù)時(shí),Revit在Dynamo驅(qū)動(dòng)下快速進(jìn)行模型更新。

        圖9 CRTS雙塊式無(wú)砟軌道BIM模型

        4 結(jié)束語(yǔ)

        作為信息化的重要手段,BIM技術(shù)是實(shí)現(xiàn)建設(shè)工程項(xiàng)目全生命周期管理的核心技術(shù)[10]。為實(shí)現(xiàn)“精品工程、智能福廈”的建設(shè)目標(biāo),全力打造“中國(guó)高鐵建設(shè)2.0版”,結(jié)合福廈鐵路BIM試點(diǎn)項(xiàng)目,探索Dynamo可視化編程技術(shù)在無(wú)砟軌道BIM設(shè)計(jì)中的應(yīng)用思路和設(shè)計(jì)流程,完成CRTS雙塊式無(wú)砟軌道BIM模型設(shè)計(jì)。建立軌道自適應(yīng)構(gòu)件,通過Dynamo與Revit交互,“一鍵生成”軌道BIM模型。實(shí)踐表明,Dynamo可視化編程技術(shù)可提升CRTS雙塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)建模效率,提高設(shè)計(jì)質(zhì)量,為后續(xù)鐵路軌道BIM設(shè)計(jì)提供參考,推動(dòng)鐵路工程信息化、智能化發(fā)展。

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