黃瑩，李雷，蔣明軒，余波

(1.廣西大學 土木建筑工程學院，廣西 南寧530004；2.工程防災與結(jié)構(gòu)安全教育部重點實驗室，廣西 南寧530004；3.廣西防災減災與工程安全重點實驗室，廣西 南寧530004；4.廣西寧鐵工程有限責任公司，廣西 南寧530004)

現(xiàn)今，BIM(Building information modeling)以其在建筑行業(yè)獨特的優(yōu)勢正在高速發(fā)展，推動著建筑業(yè)新的改革浪潮，成為了建筑行業(yè)發(fā)展的大趨勢[1]。BIM技術(shù)在民用建筑、安裝工程等方面已經(jīng)比較成熟，而由于鐵道工程相比民建工程體量更大、工藝更為復雜、專業(yè)更多，發(fā)展得較為緩慢，但也正因為如此，鐵道工程對BIM的需求也才更為迫切[2?4]。BIM要在鐵路行業(yè)得到推廣和普及，其核心在于精確的三維鐵路模型的建立。但鐵路模型結(jié)構(gòu)復雜，組成構(gòu)件眾多，鐵路里程更是相當之長，鐵路模型各組成構(gòu)件幾何數(shù)據(jù)復雜，構(gòu)件之間可能因為個別尺寸單獨變化就需要重復建模，使得工作量極大，模型的建立需耗費大量的時間，這也影響了BIM在鐵路行業(yè)里的推行。對于以上問題，康峰[5]在鐵路線路結(jié)構(gòu)BIM化建模方法上進行了研究，基于Civil3D和二次開發(fā)實現(xiàn)了部分鐵路線路的三維建模。但二次開發(fā)需要運用復雜的程序語言且Civil3D并不是應用最廣的建模軟件。Autodesk Revit作為BIM平臺下應用最具代表性的軟件[6]，目前基于Autodesk Revit平臺的三維參數(shù)化鐵路模型創(chuàng)建的研究卻微乎其微。本文結(jié)合鐵路項目的工程特點，基于Autodesk Revit平臺對鐵路各構(gòu)件三維精細化模型的關(guān)鍵參數(shù)進行選取并對可變參數(shù)的參數(shù)化方法等進行研究探索，以期通過修改關(guān)鍵參數(shù)即可快速建立相關(guān)鐵路構(gòu)件的BIM模型，提高建模效率。

1 鐵路參數(shù)化建模流程分析

鐵路工程BIM應用以鐵路工程BIM模型為基礎(chǔ)。鐵路整體結(jié)構(gòu)組成復雜，無法一次性整體建模，因此，需對鐵路結(jié)構(gòu)進行實體拆分，通過對實體構(gòu)件構(gòu)建三維模型，再將其組合形成最終的BIM模型。為此，鐵路BIM模型應具備相應的構(gòu)件族庫，才能實現(xiàn)快速建模的目的。然而Revit軟件沒有針對鐵路工程的設定族，亦沒有與鐵路相對應的族樣板，因此需針對鐵路工程組成構(gòu)件及構(gòu)件特點自行建立族庫。

基于快速建模以及族通用性的要求，構(gòu)件族庫一是需要包括組成鐵路工程的所有構(gòu)件，二是能夠結(jié)合項目特點靈活調(diào)用。為此，在對鐵路工程組成進行分析的基礎(chǔ)上，分解出組成鐵路工程的所有構(gòu)件，形成相應的構(gòu)件族庫，對于族庫的構(gòu)件實施三維建模。按族參數(shù)的可調(diào)整性，將構(gòu)件族分為參數(shù)化族和半?yún)?shù)化族：將結(jié)構(gòu)形式較固定的構(gòu)件族劃分為參數(shù)化族，直接通過調(diào)整參數(shù)數(shù)值生成不同類型的構(gòu)件，這類族的可調(diào)整性較強；將形狀結(jié)構(gòu)較為復雜但類型單一的構(gòu)件劃分為半?yún)?shù)化族，只設置少量必要的參數(shù)，可調(diào)整性較弱。參數(shù)化族和半?yún)?shù)化族最終組成鐵路工程族庫，可供鐵路BIM模型建立時調(diào)用。

基于此，鐵路工程參數(shù)化建模流程如圖1所示，其中，4個關(guān)鍵性的工作分別是：自建族族庫的分類、關(guān)鍵參數(shù)的確定、族樣板的合理選擇及族嵌套技巧的使用。

圖1 鐵路參數(shù)化建模流程Fig.1 Railway parametric modeling process

2 鐵路參數(shù)化建模過程

2.1 鐵路模型的實體拆分

鐵路整體結(jié)構(gòu)組成復雜，為簡化建模且結(jié)合后期實現(xiàn)鐵路工程實體的分類、檢索、信息傳遞等工作[7]，實體拆分的工作必不可少。但拆分過細會導致構(gòu)件數(shù)量眾多，后期模型拼接工作繁雜并會產(chǎn)生大量價值較低的信息，拆分過粗又會導致建模工作復雜且會導致必要信息的缺失，因而基于施工應用進行構(gòu)件拆分。首先根據(jù)功能組成，將鐵路工程實體拆分為鋼軌、軌枕、道岔、扣件系統(tǒng)、防爬設備5個部分，以利于分工合作、高效建模工作的展開，然后按照各部分組成結(jié)構(gòu)的特點和獨立性進行細分，每個部分細分到最低一級應與模型建立的“族”相對應[8]。基于鐵道工程特有而普遍使用的構(gòu)件考慮，本文以軌枕和彈條Ⅱ型扣件為對象進行建模說明，拆分結(jié)果見表1。

表1 部分鐵路構(gòu)件實體拆分Table 1 Entity split of some railway components

2.2 自建族族庫的分類

2.2.1 參數(shù)化族

參數(shù)化族是以參數(shù)作為核心變量，按統(tǒng)一族類型構(gòu)建。其族的設定面向由于外形尺寸、施工要求等因素發(fā)生變化而改變的構(gòu)件，該類族的建立核心是確定關(guān)鍵參數(shù)，然后套用設計好的族類型，即可快速完成與項目匹配的構(gòu)件模型。

依據(jù)國家鐵路局發(fā)布的鐵道行業(yè)標準《TB10082—2017鐵路軌道設計規(guī)范》，將常用的混凝土軌枕分為新Ⅱ型、Ⅲa型、Ⅲb型、Ⅲc型混凝土軌枕及新Ⅲ型、Ⅲqc型混凝土橋枕等共8種混凝土軌枕類型。通過對相關(guān)規(guī)范的解讀和工程實際的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)要形成不同類型的軌枕，主要需要修改軌枕涉及的相關(guān)幾何尺寸，因此采用參數(shù)化的思路構(gòu)建軌枕族。

2.2.2 半?yún)?shù)化族

半?yún)?shù)化族是以模型形體創(chuàng)建(不具備參數(shù)調(diào)整屬性)和非幾何參數(shù)的設置為核心進行構(gòu)建。其族的設定主要面向幾何形體復雜的構(gòu)件，其關(guān)鍵首先是族幾何形體的構(gòu)造，而后是根據(jù)后期相關(guān)應用所需要的信息確定非幾何參數(shù)的設定，即可完成可直接調(diào)用的構(gòu)件模型。

由表2還可知，273.75 K反應體系水合物的轉(zhuǎn)化率為70.18%，273.95 K反應體系的轉(zhuǎn)化率約為69.28%，說明溫度越低，甲烷生成水合物的條件越溫和，越有利于甲烷生成水合物，因此，甲烷的最終氣體消耗量和水合物的轉(zhuǎn)化率隨反應溫度減小均呈遞增趨勢。

彈條扣件系統(tǒng)分為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ4種類型，扣件系統(tǒng)由彈條、螺母、螺母道釘、平墊圈等構(gòu)件組成，其中彈條屬于較為復雜的不規(guī)則空間曲線結(jié)構(gòu)，不同型號的彈條實體形狀雖然差別大，但最常用的就是Ⅱ型彈條扣件系統(tǒng)中的彈條。彈條形狀不規(guī)則，難以通過設置簡單的幾何參數(shù)來建模，因此采用半?yún)?shù)化思路構(gòu)建彈條扣件族。

2.3 參數(shù)化族的建立

2.3.1 關(guān)鍵參數(shù)的選擇

1)關(guān)鍵幾何參數(shù)的確定

以軌枕為例，軌枕形狀變化多，則對應的幾何參數(shù)也相對較多，如表2所示，單是軌枕構(gòu)件，涉及的幾何參數(shù)有20個之多。若把所有的幾何參數(shù)都設置為變量參數(shù)，一是可能造成建模的沖突；二是輸入?yún)?shù)過多，造成建模效率降低。因此，在對鐵路工程組成部位拆分基礎(chǔ)上，以一定的構(gòu)件類型為對象，從數(shù)據(jù)的變動性、關(guān)聯(lián)性和實用性3個方面確定決定其構(gòu)件模型形狀的關(guān)鍵幾何參數(shù)。對表2所列不同類型的混凝土軌枕的幾何參數(shù)和其各截面數(shù)據(jù)進行比較，發(fā)現(xiàn)各軌枕的承軌槽坡度、承軌槽長度、邊距1、邊距2、倒角長的值都相同，因此將軌枕的承軌槽坡度、承軌槽長度、邊距1、邊距2、倒角長設置為固定值，不另外設參數(shù)。

表2 常用軌枕幾何參數(shù)Table 2 Common sleeper geometric parameters

軌枕的軌枕長度、軌枕最大寬度、高度、頂面寬度、底面寬度、端部長、漸變區(qū)、邊距3、漸變區(qū)長、軌中一半長度、高度尺寸等幾何參數(shù)因軌枕的類型不同，數(shù)值均有改變。依據(jù)設計規(guī)范和軌枕截面結(jié)構(gòu)(如圖2)，軌枕的幾何參數(shù)存在相關(guān)關(guān)系：

圖2 軌枕縱截面Fig.2 Longitudinal section view of sleeper

承軌槽高端高度=承軌槽低端高度+承軌槽坡度*承軌槽長度；

軌中一半長度=1/2*軌枕長－50－端部長－14－305－15－邊距3－漸變區(qū)長。

基于上述分析，軌枕族的關(guān)鍵幾何參數(shù)確定為：軌枕長度、軌枕最大寬度、軌枕截面尺寸、倒角長、端部長、邊距3、漸變區(qū)長以及除承軌槽高端高度外的高度尺寸參數(shù)。

2)非幾何參數(shù)的確定

BIM模型的價值不在于建模，而在于應用。幾何參數(shù)只能確定模型的形狀，遠不能滿足BIM應用的需要[9]。因此基于后期模型應用的需要，構(gòu)建的參數(shù)族除了設置幾何參數(shù)外，還需要設置非幾何參數(shù)，即除幾何信息外的所有信息。若將所有的非幾何信息都進行參數(shù)設置，則會造成大量低價值信息冗沉和建模效率降低。因此，基于模型后期應用階段所需的信息進行參數(shù)設定，并充分利用參數(shù)與參數(shù)間的關(guān)聯(lián)性，以達到減少可變參數(shù)的個數(shù)并增強模型參數(shù)驅(qū)動靈活性的效果。

例如需將軌枕模型應用于構(gòu)件的生產(chǎn)加工，則需對軌枕的材質(zhì)、混凝土強度、預應力鋼筋型號、用鋼量、預留孔或預埋件這幾個非幾何信息中的物理信息進行參數(shù)設置。若需將軌枕模型應用于后期運維管理，則需將施工單位、通過旅客列車設計速度、通過列車軸重、軌枕重量、用鋼量、設計承載彎矩、靜載抗裂彎矩、疲勞試驗最大荷載、扣件類型等其他所需要的非幾何參數(shù)(安裝信息、廠家信息、技術(shù)參數(shù)等)進行參數(shù)設置。在此基礎(chǔ)上，利用參數(shù)與參數(shù)間的關(guān)系并結(jié)合Re‐vit中的函數(shù)語言，亦可通過非幾何參數(shù)驅(qū)動幾何形體，例如在軌枕族中設置一個“通過旅客列車設計速度”的非幾何參數(shù)，根據(jù)《TB 10082—2017鐵路軌道設計規(guī)范》規(guī)定：當在客貨共線的Ⅰ級鐵路下旅客列車設計速度≤120 km/h時采用新Ⅱ型、Ⅲ型混凝土軌枕都滿足要求，當設計速度>120 km/h時應采用Ⅲ型混凝土軌枕，此時可在軌枕長參數(shù)后設置“IF(旅客列車設計速度>120 km/h，軌枕長=2 600 mm，軌枕長=2 500 mm)”函數(shù)(如果旅客列車設計速度大于120 km/h，則軌枕長取2 600 mm，否則取2 500 mm)，以及在其他關(guān)鍵幾何變量參數(shù)后設置IF函數(shù)，此后只需輸入非幾何參數(shù)“旅客列車設計速度”的值，便可直接驅(qū)動參數(shù)使其成為Ⅱ型軌枕或Ⅲ型軌枕。

2.3.2 軌枕族與扣件系統(tǒng)的三維參數(shù)化建模

單個軌枕族無特殊性質(zhì)要求，選擇在公制常規(guī)模型族樣板中進行族創(chuàng)建。先繪制好截面輪廓，而后在族編輯器內(nèi)布局參照平面[10]，將繪制好的截面輪廓放置在合適位置，再給布置好的參照平面和截面輪廓添加約束及標簽，輪廓定位到布局好的參照平面的過程中需對軌枕進行參數(shù)化處理，結(jié)合上文確定的關(guān)鍵幾何參數(shù)進行參數(shù)設定，把所繪制輪廓與參照平面進行鎖定?；赗evit平臺，使用拉伸、空心融合、剪切等命令形成軌枕端部的楔形、過渡階段的梯形以及中間部分的矩形，從而生成軌枕族，如圖3。再根據(jù)各類型混凝土枕的尺寸，只需修改參數(shù)新建幾個“族類型”，各個型號的混凝土軌枕也就完成了。

圖3 軌枕族Fig.3 Sleeper family

2.4 半?yún)?shù)化族的建立

對于形狀結(jié)構(gòu)較為復雜但類型單一的構(gòu)件采用半?yún)?shù)化方式建族，以Ⅱ型彈條為例。Ⅱ型彈條屬于不規(guī)則的空間曲線結(jié)構(gòu)，不同類型彈條的幾何形體變化較大，參數(shù)驅(qū)動不能直接得到不同類型的彈條，如圖4，因此基于Revit平臺的“自適應公制常規(guī)模型”族樣板并采用半?yún)?shù)化方式建族。首先對彈條的幾何形體進行分析，確定決定II型彈條尺寸的控制點：最高點、最低點、次高點等，如圖5；基于Revit平臺繪制其平面軌跡并按該路徑放樣即可得到II型彈條族，如圖4。此時，形成的II型彈條族為固定形態(tài)，不具備可調(diào)性幾何參數(shù)，若有新形式的彈條，需要按此思路重新建族。

圖4 Ⅱ型彈條Fig.4 Type II elastic strip

圖5 彈條控制點Fig.5 Elastic strip control points

2.5 模型的拼接

構(gòu)件族創(chuàng)建后，需要對構(gòu)件進行拼接以形成鐵路整體模型?；跍p少工作量的考慮，通過分析構(gòu)件自身的特性[11]，將前期創(chuàng)建好的族在Revit平臺上用一個族樣板中進行整合，形成一個整體的嵌套族。例如，單個軌枕族建立后，考慮到軌枕隨鋼軌呈線性布置，將單個軌枕族載入“基于線的公制常規(guī)模型”族樣板，再將扣件系統(tǒng)各子族也載入并按圖紙放置于軌枕上，形成一個軌枕族和扣件系統(tǒng)各子族相整合的嵌套族(如圖7)，同時將參數(shù)進行關(guān)聯(lián)，使子構(gòu)件的參數(shù)能夠直接在嵌套族中進行修改。為了讓嵌套族的布置更靈活，將嵌套族的個數(shù)參數(shù)化并與軌枕間距和參照線長形成參數(shù)相關(guān)：個數(shù)=參照線長/軌枕間距。由此形成一個具有線性布置特點的嵌套族(如圖8)。載入項目后拾取鐵路中心參照線進行放置，減少了鐵路模型拼裝過程的工作量。

圖6 Ⅱ型彈條族Fig.6 Type II elastic strip family

圖7 嵌套族Fig.7 Nested Family

圖8 基于線的嵌套族Fig.8 Line-based nested family

3 參數(shù)化建模方法的工程應用

3.1 工程概況

本項目為柳州市航二路延長線工程(以下簡稱寧鐵項目)，初始里程為K0+814.274，終點里程為K1+494.98，共680.706 m。其 中K1+280~K1+494.98段共214.98 m為下穿柳南南站四場段隧道，涉及17組道岔和21股道。鐵路線路的拆除涉及利益方眾多，拆除工藝及時間需要進行充分論證，鐵路線路的分布位置與影響范圍是決定鐵路段是采取加固暗挖案還是拆除明挖方案的關(guān)鍵性因素，在傳統(tǒng)手段下卻難以直觀的呈現(xiàn)。項目方提出了采用BIM技術(shù)對鐵路線路進行模型建立從而明確各鐵路線路的影響范圍的要求，因此按上述流程完成三維鐵路模型的創(chuàng)建。

3.2 寧鐵項目鐵路三維模型的創(chuàng)建

通過對原始資料、CAD圖紙和鐵路工程圖集進行解讀，分析所涉及的鐵路線路實體組成。按上述建模方法，根據(jù)實體拆分后的構(gòu)件和圖集信息構(gòu)建了軌枕族、彈條族、鋼軌族、螺母族、螺紋道釘族、橡膠墊板族、平墊圈族、軌距桿族、擋板座族、道岔嵌套族，并進行了參數(shù)設置。其中基于建立的軌枕族，通過修改幾何參數(shù)，快速建立了S-2型、J-2型、YⅡ-F型、TKG-Ⅱ型、新Ⅱ型、Ⅲa型、Ⅲb型、Ⅲc型8種類型的軌枕,而后在“基于線的公制常規(guī)模型”中進行接頭零件與鋼軌的嵌套(圖9(a))和扣件系統(tǒng)與軌枕的嵌套，在“公制常規(guī)模型”中進行道岔區(qū)域各子構(gòu)件的嵌套(圖9(c))，道岔部分結(jié)構(gòu)尤其復雜，本項目所涉及的道岔全部為9號單開道岔，但從整個鐵路工程來看，道岔種類繁多，道岔參數(shù)化建模的靈敏度還有待研究。最后將CAD圖紙作為模型的定位線導入Revit中，嵌套族載入項目后拾取各段定位線進行自動放置，并在道岔部分添加軌距桿(9(b))。最終構(gòu)建該鐵路三維模型(圖9(d)，9(e))，以及整體的寧鐵項目模型(圖9(f))。

圖9 部分鐵路模型Fig.9 Part of the railway model

3.3 模型創(chuàng)建效果分析

該項目采用參數(shù)化建模的方法，結(jié)合族模板的性質(zhì)和族嵌套的技巧，基于創(chuàng)建的參數(shù)族和半?yún)?shù)族，僅需要2 h左右即可完成該項目涉及的隧道上方區(qū)域21股道三維鐵路BIM模型的建立，相比其他建模方法，提高了建模效率，如表3所示。寧鐵項目鐵路部分涉及參數(shù)化族構(gòu)件6種，半?yún)?shù)化族構(gòu)件3種，軌枕個數(shù)7 800個，扣件個數(shù)15 600個，三維視圖旋轉(zhuǎn)瀏覽寧鐵項目整體模型時的平均幀率為12幀/s，模型運行順暢，視圖效果好，為了測試模型上限，將鐵路模型加長到數(shù)十公里，在單股鐵路加長到約為18 km(軌枕30 000個，扣件個數(shù)60 000個)時會由于模型體量過大，運行卡頓(電腦型號：聯(lián)想30BYA0JMCW操作系統(tǒng)：Mi‐crosoft Windows 10教育版(64位)CPU(英特爾)In‐tel(R)Xeon(R)W-2145 CPU@3.70 GHz(3 696 MHz)主板：聯(lián)想1036內(nèi)存：64.00 GB(2 666 MHz)主硬盤：510 GB(1837CE800184已使用時間：2 145小時)顯卡：NVIDIA Quadro P5000(16 384 MB))，輕量化模型有待進一步完善。

表3 模型創(chuàng)建效果分析Table 3 Model creation effect analysis

同時在模型中，設置的幾何參數(shù)、物理參數(shù)、安裝參數(shù)、技術(shù)參數(shù)等在后續(xù)工程進行成本、進度、運維、預制構(gòu)件加工等工程應用時，能夠快速的形成相關(guān)管理分析數(shù)據(jù)，為柳州市航二路延長線工程的成功建設發(fā)揮了積極的推動作用。此外，創(chuàng)建了扣件系統(tǒng)、軌枕、鋼軌、聯(lián)結(jié)扣件、道岔等構(gòu)件族，最終將完善為鐵路特有的企業(yè)族庫，其他鐵路項目可直接調(diào)用，模型創(chuàng)建所耗費的時間將大幅下降，從而能夠把更多的時間放在精細化管理上，進一步提升工程效益。

4 結(jié)論

1)提出鐵路工程的建模流程，并基于該流程，針對構(gòu)件族形成了參數(shù)化建模和半?yún)?shù)化建模的2個模式。

2)針對參數(shù)化族，提出構(gòu)件關(guān)鍵幾何參數(shù)的確定方法以及非幾何參數(shù)確定思路。

3)通過結(jié)合Revit平臺族模板和族嵌套的技巧，利用構(gòu)建的構(gòu)件族，快速建立鐵路三維模型。

4)結(jié)合寧鐵項目，驗證了該參數(shù)化建模方法可以提高鐵路三維模型的建模效率，并有利于輔助企業(yè)族庫的建立。