裴愛(ài)華 谷呈朋 黃慧超 吳凱偉

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

1 概述

近年來(lái)，我國(guó)城市軌道交通處于高速發(fā)展階段，與此同時(shí)，三維建筑信息模型(BIM)技術(shù)作為建筑行業(yè)的全新技術(shù)也逐漸被應(yīng)用于城市軌道交通工程中[1]。城市軌道交通工程是一項(xiàng)多專(zhuān)業(yè)、多角色，在多約束、長(zhǎng)周期、大投入下的復(fù)雜系統(tǒng)工程，采用BIM技術(shù)是實(shí)現(xiàn)其高效率、規(guī)范化、低成本、全面協(xié)同的關(guān)鍵[2]。國(guó)內(nèi)軌道交通常用的BIM設(shè)計(jì)平臺(tái)主要有Revit、Bentley和Catia等。其中，Revit在目前國(guó)內(nèi)建筑市場(chǎng)核心建模軟件中市場(chǎng)占有率高，全球通用性強(qiáng)，并與歐特克旗下多款軟件數(shù)據(jù)交互性好[3]。

目前，城市軌道交通BIM設(shè)計(jì)主要基于Revit平臺(tái)，已有許多學(xué)者開(kāi)展相關(guān)研究，余元波以地鐵車(chē)站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)為例，從模塊化設(shè)計(jì)和自動(dòng)化設(shè)計(jì)兩個(gè)方面探討B(tài)IM正向設(shè)計(jì)方法[4]；李雙雙以武漢地鐵5號(hào)線(xiàn)楊園車(chē)站為例，開(kāi)展結(jié)構(gòu)施工圖正向設(shè)計(jì)應(yīng)用探索[5]；楊陳相以理論結(jié)合實(shí)際方法，研究基于BIM技術(shù)的地鐵車(chē)站建筑結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)方法[6]；阮曉晨等以廣州地鐵番禺廣場(chǎng)站為例，開(kāi)展地鐵車(chē)站施工管理中的應(yīng)用研究[7]；王志則從建設(shè)單位角度，對(duì)采用BIM技術(shù)把控項(xiàng)目質(zhì)量，提高軌道交通工程建造水平進(jìn)行探索[8]；邵志國(guó)等從運(yùn)營(yíng)角度開(kāi)展地鐵車(chē)站安全疏散模擬研究[9]。然而，對(duì)于城市軌道交通中的帶狀工程，Revit軟件內(nèi)置工具往往不能滿(mǎn)足高效的建設(shè)需求，還需結(jié)合各自工程特點(diǎn)在建設(shè)過(guò)程中開(kāi)展研究和探索[10-13]。

當(dāng)前，軌道工程主要依靠設(shè)計(jì)人員利用Revit內(nèi)置命令手工完成，過(guò)程中需頻繁進(jìn)行拾取、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、拉伸、放樣、融合等操作，機(jī)械重復(fù)性工作多，影響設(shè)計(jì)效率，難以高效地開(kāi)展BIM設(shè)計(jì)工作。

Dynamo是Revit的可視化編程工具，通過(guò)簡(jiǎn)單的節(jié)點(diǎn)連接可以實(shí)現(xiàn)“所見(jiàn)即所得”的編程模式。節(jié)點(diǎn)是Dynamo程序的基本組成單元，它可以進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。用戶(hù)只需要像搭積木—樣按照自己的需求將節(jié)點(diǎn)拖拽到編程窗口，并用流程線(xiàn)將節(jié)點(diǎn)連接起來(lái)，就可以實(shí)現(xiàn)特定功能。Dynamo節(jié)點(diǎn)由輸入接口和輸出接口兩部分組成，通過(guò)輸入接口指定要處理的數(shù)據(jù)，通過(guò)輸出接口獲取處理結(jié)果。Dynamo內(nèi)置許多常用的節(jié)點(diǎn)形成節(jié)點(diǎn)庫(kù)，如構(gòu)建點(diǎn)、構(gòu)建曲線(xiàn)、構(gòu)建面、拉伸操作、放樣操作、文件讀寫(xiě)等。除此之外， Dynamo還允許用戶(hù)通過(guò)Python編寫(xiě)自定義節(jié)點(diǎn)并加入到現(xiàn)有節(jié)點(diǎn)庫(kù)，讓用戶(hù)實(shí)現(xiàn)—些特殊需求[14-15]。以下針對(duì)軌道BIM設(shè)計(jì)特點(diǎn)，對(duì)基于Dynamo中Python腳本編程的方法進(jìn)行軌道結(jié)構(gòu)BIM設(shè)計(jì)方法的研究和探討。

2 軌道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及建模思路

軌道結(jié)構(gòu)主要由鋼軌、軌枕及扣件、道床3個(gè)部分構(gòu)成。城市軌道交通中，正線(xiàn)主要采用60 kg/m鋼軌、車(chē)輛段主要采用50 kg/m鋼軌。軌枕主要有埋入式長(zhǎng)枕、短枕及軌道板等。根據(jù)隧道形式，有矩形道床、圓形道床及馬蹄形道床等。其中，軌枕一般沿著線(xiàn)路中心線(xiàn)等間距布置，并根據(jù)線(xiàn)路方向、坡度及超高調(diào)整其放置方向，鋼軌和道床可視為一定形狀的斷面沿線(xiàn)路拉伸形成的實(shí)體，可根據(jù)超高、線(xiàn)下基礎(chǔ)形式等調(diào)整斷面形式和尺寸。

地鐵線(xiàn)路是由平縱斷面疊加起來(lái)的復(fù)雜空間曲線(xiàn)，尤其在豎緩曲線(xiàn)重合地段，無(wú)法通過(guò)數(shù)學(xué)方式表達(dá)，只能通過(guò)點(diǎn)坐標(biāo)的方式近似模擬。而Revit自適應(yīng)構(gòu)件是一類(lèi)高自由度的族類(lèi)型，可通過(guò)控制點(diǎn)動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)模型的形狀，適用于復(fù)雜概念設(shè)計(jì)與復(fù)雜曲面建模。因此，結(jié)合軌道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和Revit提供的建模方法，可采用自適應(yīng)構(gòu)件的方法建立軌道模型。

3 軌道部件自適應(yīng)構(gòu)件族建立

3.1 軌枕(軌道板)自適應(yīng)族

為使軌枕(軌道板)可以根據(jù)超高旋轉(zhuǎn)并垂直線(xiàn)路，需把軌枕(軌道板)族做成有3個(gè)自適應(yīng)點(diǎn)的自適應(yīng)構(gòu)件族。

(1)建立基于平面的軌枕(軌道板)族

首先分別建立扣件和軌枕(軌道板)的族文件，見(jiàn)圖1、圖2?？奂蛙壵砜梢杂贸Ｒ?guī)的建模方法，建立公制常規(guī)模型或公制體量模型，但族參數(shù)必須設(shè)置為基于平面的族，見(jiàn)圖3。根據(jù)不同階段的精度要求，可以建立不同精度的族模型，然后把扣件族文件載入到軌枕(軌道板)族中組裝成一個(gè)族文件。

圖1 扣件常規(guī)模型族

圖2 軌枕常規(guī)模型族

圖3 族屬性設(shè)置

(2)建立自適應(yīng)點(diǎn)

按照?qǐng)D4所示的順序及位置建立3個(gè)自適應(yīng)點(diǎn)，線(xiàn)12和線(xiàn)13的長(zhǎng)度為2 000 mm，且線(xiàn)12與線(xiàn)13垂直，線(xiàn)12控制軌枕(軌道板)的超高，線(xiàn)13控制軌枕(軌道板)的方向，點(diǎn)1為線(xiàn)路中心線(xiàn)上的點(diǎn)。這3個(gè)點(diǎn)根據(jù)軌枕放置的位置，采用Dynamo計(jì)算獲得。

圖4 軌枕(軌道板)族自適應(yīng)點(diǎn)

(3)設(shè)置工作平面放置軌枕(軌道板)族

設(shè)置工作平面前，首先繪制參照平面及參照線(xiàn)，并根據(jù)閉合環(huán)生成表面和三維捕捉選項(xiàng)(見(jiàn)圖5)，按照順序選擇1、2、3、1，由3個(gè)點(diǎn)生成參照平面，然后選擇此參照平面為工作平面。之后載入基于平面軌枕或軌道板族文件，再調(diào)整軌枕(軌道板)面到參考平面的距離以及方向，建成后的前視圖模型見(jiàn)圖6。

圖5 設(shè)置工作平面

圖6 軌道板自適應(yīng)族

3.2 道床及鋼軌自適應(yīng)構(gòu)件族

道床及鋼軌族是由多個(gè)相同斷面創(chuàng)建實(shí)心形狀的自適應(yīng)族，單個(gè)斷面由多個(gè)點(diǎn)組成。不同道床類(lèi)型和鋼軌可以建成多個(gè)自適應(yīng)構(gòu)件族，每個(gè)截面的自適應(yīng)點(diǎn)，通過(guò)Dynamo計(jì)算后，再賦給對(duì)應(yīng)的自適應(yīng)構(gòu)件。

以圓形道床為例，首先在參考標(biāo)高平面上定義一個(gè)道床截面所需的自適應(yīng)點(diǎn)，然后按照順序通過(guò)線(xiàn)把自適應(yīng)點(diǎn)連接起來(lái)(注意要選擇三維捕捉選項(xiàng))，圓弧采用“起點(diǎn)-終點(diǎn)-半徑弧”繪制，見(jiàn)圖7。

圖7 圓形道床自適應(yīng)點(diǎn)分布

切換到前視圖，在前視圖上再?gòu)?fù)制多個(gè)之前定義的道床截面，斷面數(shù)可根據(jù)精度要求進(jìn)行加密，全選所有截面，單擊創(chuàng)建形狀按鈕中的實(shí)心形狀，生成圓形道床族，見(jiàn)圖8。

圓形道床每個(gè)斷面由9個(gè)自適應(yīng)點(diǎn)組成，這9個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)可由軌道結(jié)構(gòu)高度、水溝深、道床半寬、橫坡、平直段半寬、平直段高度、盾構(gòu)半徑、軌道結(jié)構(gòu)高度以及線(xiàn)路位置、超高等參數(shù)通過(guò)Dynamo程序計(jì)算獲得。對(duì)于其他類(lèi)型道床及鋼軌，需補(bǔ)充相關(guān)算法，即可獲得不同道床及鋼軌模型。

圖8 圓形道床自適應(yīng)構(gòu)件族

4 線(xiàn)路空間曲線(xiàn)模擬計(jì)算

4.1 線(xiàn)路平縱斷面線(xiàn)路數(shù)據(jù)格式

由于Revit本身不能通過(guò)平縱斷面模擬線(xiàn)路三維曲線(xiàn)，故提出一種通過(guò)平縱斷面數(shù)據(jù)直接計(jì)算線(xiàn)路空間位置來(lái)布置軌道結(jié)構(gòu)的方法。

線(xiàn)路平面曲線(xiàn)一般由交點(diǎn)坐標(biāo)、曲線(xiàn)半徑、緩和曲線(xiàn)長(zhǎng)度等組成，見(jiàn)圖9。線(xiàn)路縱斷面由坡度、坡長(zhǎng)，變坡點(diǎn)高程、豎曲線(xiàn)半徑等組成，見(jiàn)圖10。

圖9 線(xiàn)路平面示意

圖10 線(xiàn)路縱斷面示意

線(xiàn)路平面曲線(xiàn)數(shù)據(jù)，可以采用交點(diǎn)法表示，見(jiàn)表1；縱斷面采用坡長(zhǎng)、坡度、變坡點(diǎn)高程及豎曲線(xiàn)半徑見(jiàn)表2。

表1 線(xiàn)路平面曲線(xiàn)數(shù)據(jù)格式

表2 線(xiàn)路縱斷面數(shù)據(jù)格式

4.2 線(xiàn)路三維坐標(biāo)及方向計(jì)算

(1)線(xiàn)路平面坐標(biāo)及方向計(jì)算

城市軌道交通線(xiàn)路一般采用三次拋物線(xiàn)形緩和曲線(xiàn)，要計(jì)算線(xiàn)路平面上的任意點(diǎn)坐標(biāo)及方向，首先要計(jì)算曲線(xiàn)常數(shù)。

① 曲線(xiàn)常數(shù)計(jì)算見(jiàn)圖11、式(1)

圖11 曲線(xiàn)常數(shù)計(jì)算模型>

(1)

式中，α為轉(zhuǎn)向角；β0為緩和曲線(xiàn)切線(xiàn)角；p為圓曲線(xiàn)移動(dòng)量；m為切垂距；T為切線(xiàn)長(zhǎng)；L0為圓曲線(xiàn)長(zhǎng)。

②直線(xiàn)上任意里程中線(xiàn)坐標(biāo)推導(dǎo)

要計(jì)算直線(xiàn)上任意里程坐標(biāo)，首先要計(jì)算緩直點(diǎn)(HZ)的坐標(biāo)，在世界坐標(biāo)系下，JD→HZ的方向角為δ，見(jiàn)圖12。HZ點(diǎn)坐標(biāo)參數(shù)方程見(jiàn)式(2)，則直線(xiàn)上任意點(diǎn)坐標(biāo)可以通過(guò)HZ點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算獲得，見(jiàn)式(3)。

圖12 曲線(xiàn)常數(shù)計(jì)算模型

(2)

(3)

式中，xJD、yJD為交點(diǎn)坐標(biāo)，取線(xiàn)路的原始數(shù)據(jù)；方向角δ可通過(guò)兩個(gè)交點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算獲得；li為直線(xiàn)點(diǎn)i到緩直點(diǎn)的距離，同時(shí)δ也是直線(xiàn)點(diǎn)i的方向。

③緩和曲線(xiàn)上任意里程中線(xiàn)坐標(biāo)推導(dǎo)

建立以直緩(ZH)點(diǎn)或緩直(HZ)點(diǎn)為原點(diǎn)、以對(duì)應(yīng)點(diǎn)切線(xiàn)為x軸、以對(duì)應(yīng)點(diǎn)切線(xiàn)垂線(xiàn)為y軸的二維直角坐標(biāo)系(見(jiàn)圖13)，利用緩和曲線(xiàn)參數(shù)方程，推導(dǎo)出局部坐標(biāo)系下緩和曲線(xiàn)上任意里程的中線(xiàn)坐標(biāo)及切線(xiàn)角，即

圖13 緩和曲線(xiàn)計(jì)算模型

(4)

④圓曲線(xiàn)上任意里程中線(xiàn)坐標(biāo)推導(dǎo)

以直緩(ZH)點(diǎn)或緩直(HZ)點(diǎn)為原點(diǎn)、以對(duì)應(yīng)點(diǎn)切線(xiàn)為x軸、以對(duì)應(yīng)點(diǎn)切線(xiàn)垂線(xiàn)為y軸建立二維直角坐標(biāo)系(見(jiàn)圖14)，利用圓曲線(xiàn)參數(shù)方程，可以推導(dǎo)出局部坐標(biāo)系下圓曲線(xiàn)上任意里程的中線(xiàn)坐標(biāo)及切線(xiàn)角，即

(5)

式中，αi為圓曲線(xiàn)的切向角；li為曲線(xiàn)點(diǎn)i的曲線(xiàn)長(zhǎng)；p為圓曲線(xiàn)移動(dòng)量；m為切垂距。

圖14 圓曲線(xiàn)計(jì)算模型

⑤局部坐標(biāo)的變換

通過(guò)二維直角坐標(biāo)系變換公式，可以推導(dǎo)出平面曲線(xiàn)上任意點(diǎn)坐標(biāo)。

(2)線(xiàn)路縱斷面高程及方向計(jì)算

縱斷面上直線(xiàn)段的高程可通過(guò)變坡點(diǎn)高程、坡度及計(jì)算點(diǎn)到變坡點(diǎn)距離通過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算獲得，下面主要介紹豎曲線(xiàn)地段高程的計(jì)算。計(jì)算模型見(jiàn)圖15，利用式(6)，可推導(dǎo)出豎曲線(xiàn)上任意點(diǎn)的高程Hi及切線(xiàn)方向γ，即

(6)

式中，i1為變坡點(diǎn)前坡度(上坡為正，下坡為負(fù))；i2為變坡點(diǎn)后坡度(上坡為正，下坡為負(fù))；li為到變坡點(diǎn)距離(變坡點(diǎn)前為正，變坡點(diǎn)后為負(fù))；HZ為變坡點(diǎn)高程；T為切線(xiàn)長(zhǎng)，T=R(i2-i1)/2；α=arctan(i1)；β=(T-li)/R。

圖15 豎曲線(xiàn)計(jì)算模型

5 軌道模型建立

采用Dynamo建立軌道BIM模型前，首先按照第3章的方法建立族庫(kù)，然后準(zhǔn)備線(xiàn)路數(shù)據(jù)和軌道數(shù)據(jù)，保存在Excel文件中。線(xiàn)路數(shù)據(jù)格式參考第4章，道床地段表數(shù)據(jù)格式見(jiàn)表3。

表3 道床地段表數(shù)據(jù)格式

道床類(lèi)型參數(shù)可根據(jù)不同道床給出各自的參數(shù)，通過(guò)這些參數(shù)可計(jì)算出各自適應(yīng)點(diǎn)坐標(biāo)，如3.2節(jié)中圓形道床，可由軌道結(jié)構(gòu)高度、水溝深、道床半寬、橫坡、平直段半寬、平直段高度、盾構(gòu)半徑、軌道結(jié)構(gòu)高度參數(shù)組成。自適應(yīng)族、線(xiàn)路數(shù)據(jù)及道床數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完成后，可采用Dynamo進(jìn)行道床布置。

Dynamo程序有兩種實(shí)現(xiàn)方式[16]。

(1)節(jié)點(diǎn)(Nodes)和接線(xiàn)(Wires)可視化編程方式。

節(jié)點(diǎn)作為在Dynamo的可視化編程中最基本的要素，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都有其功能，節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)接線(xiàn)按照一定的邏輯關(guān)系進(jìn)行連接，起到傳遞數(shù)據(jù)的作用，從而形成可視化程序，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)表達(dá)正確則可運(yùn)行程序得到想要的目標(biāo)效果。

(2)PythonScript二次開(kāi)發(fā)方式。

用PythonScript二次開(kāi)發(fā)是將所有節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)化為Python腳本代碼，然后打包成dll文件，再用Dynamo中用PythonScript節(jié)點(diǎn)調(diào)用該dll進(jìn)行建模，這種方法可以很好保護(hù)算法，以下采用此方法進(jìn)行軌道BIM模型建立。

軌道工程BIM建模流程為：通過(guò)對(duì)道床地段表進(jìn)行遍歷，獲得每段道床的起終點(diǎn)里程、鋼軌族、軌枕族及道床族名稱(chēng)；通過(guò)4.2節(jié)的方法，可以計(jì)算出道床段上各點(diǎn)的坐標(biāo)和方向；由坐標(biāo)和方向建立局部坐標(biāo)系，然后在局部坐標(biāo)系下計(jì)算出鋼軌、軌枕及道床自適應(yīng)構(gòu)件各自適應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)，然后按照規(guī)則進(jìn)行軌道結(jié)構(gòu)布置，其流程見(jiàn)圖16，最終成果模型見(jiàn)圖17。

圖16 軌道模型流程

圖17 軌道模型成果

6 結(jié)論

研究城市軌道交通軌道BIM建模設(shè)計(jì)方法，采用Dynamo計(jì)算線(xiàn)路空間位置、方向及自適應(yīng)構(gòu)件自適應(yīng)點(diǎn)坐標(biāo)，然后在Revit中生成自適應(yīng)構(gòu)件，建立軌道BIM模型。采用該方法可以建立不同精度的BIM模型，滿(mǎn)足不同設(shè)計(jì)階段的需求。該方法還可以通過(guò)擴(kuò)展不同道床自適應(yīng)構(gòu)件適應(yīng)點(diǎn)坐標(biāo)的算法，來(lái)實(shí)現(xiàn)多種道床類(lèi)型的模型建立。軌道BIM模型生成后，還可從中提取出相關(guān)的設(shè)計(jì)成果，如結(jié)構(gòu)分析報(bào)告、設(shè)計(jì)圖紙、接口設(shè)計(jì)資料、工程數(shù)量清單等，同時(shí)在此基礎(chǔ)上還可以進(jìn)一步開(kāi)展施工交底、施工模擬、碰撞檢測(cè)、運(yùn)維管理、結(jié)合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等數(shù)字化平臺(tái)構(gòu)建等研究。研究成果已在蘇州地鐵6號(hào)線(xiàn)、南通地鐵1號(hào)線(xiàn)等項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)及施工圖設(shè)計(jì)中進(jìn)行應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了軌道工程設(shè)計(jì)的高效BIM建模。