陳 勇，熊佳興

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031）

1 鐵路構(gòu)筑物BIM 快速建立技術(shù)

鐵路選線設(shè)計(jì)作為鐵路建設(shè)的先行和基礎(chǔ)，是一項(xiàng)總攬全局的核心工作。鐵路線路在三維空間中以多段線表示，結(jié)合三維GIS 環(huán)境可直觀的展現(xiàn)線路沿線地理、地質(zhì)信息與線路的相對關(guān)系，而鐵路實(shí)體最終是以線路沿線的路基、橋梁、隧道等鐵路構(gòu)筑物表征，因此在線位比選過程中如能直觀地查看鐵路沿線構(gòu)筑物與環(huán)境的關(guān)系，對線路方案的確定大有裨益[1]。為能在設(shè)計(jì)線路時(shí)能直觀展示鐵路沿線路基、橋梁、隧道等構(gòu)筑物，可采用BIM+GIS 的方式呈現(xiàn)鐵路BIM 構(gòu)筑物模型與環(huán)境的相對位置，由于鐵路線路長、構(gòu)筑物多，在定線過程中需要一種具有參數(shù)化、快速、人工干預(yù)少的BIM 模型建立方式，且在建立BIM 模型時(shí)僅需處理與環(huán)境的銜接和相對位置關(guān)系，無須處理鐵路構(gòu)筑物內(nèi)部的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。因此，本文開展了鐵路構(gòu)筑物BIM 模型快速建立技術(shù)研究[2]。

1.1 路基BIM 快速建立技術(shù)

路基工程包含路堤、路塹、地基處理、擋土墻、邊坡防護(hù)、排水等工程，選線階段的BIM 構(gòu)筑物模型應(yīng)盡量簡化[3]，只建立路基BIM 時(shí)采用簡化路堤和路塹模型[4]。路堤和路塹BIM 建立時(shí)，為反映與周圍環(huán)境的關(guān)系，著重處理BIM 與地形銜接問題，其建模思路以參數(shù)化路基斷面為基礎(chǔ)，利用斷面在線路上的具體位置，結(jié)合三維地形模型形成實(shí)際三維空間中的路基斷面，通過相鄰路基斷面形成路基本體模型，具體步驟如圖1 所示。

圖1 路基快速建模流程

首先確定路基的開始與結(jié)束里程，并根據(jù)地形情況確定路基斷面間隔大小，從而確定所有路基斷面的空間位置。在地形變化較小時(shí)，可降低精度把路基斷面間隔加大以降低模型大小。在地形變化較大時(shí)，為提高與地面銜接處理精度和路基BIM 模型精度，則可適當(dāng)加密路基斷面。依據(jù)路基斷面參數(shù)，形成每個(gè)路基斷面的路基表層斷面模型再形成分段路基體。連接相鄰路基斷面的路肩點(diǎn)形成路肩線，并結(jié)合地形判斷路肩線位置在地形上或下。若路肩線在地形上，則利用路堤邊坡坡度參數(shù)與路肩線向下對地形進(jìn)行放坡計(jì)算，并用地形交線、路肩線、路基斷面、路肩放坡線形成路堤Mesh 幾何模型。若路肩線在地形下，則利用路堤邊坡坡度參數(shù)與路肩線向上對地形進(jìn)行放坡計(jì)算，并用地形交線、路肩線、路基斷面、路肩放坡線形成路塹Mesh幾何模型。最后采用Mesh 布爾操作，將各分段路基體融合形成整段路基幾何模型，并附加路基位置與路基斷面參數(shù)等信息，構(gòu)成路基BIM。路基快速建模模型如圖2 所示。

圖2 路基快速建模模型

1.2 橋梁BIM 快速建立技術(shù)

橋梁類型包含簡支梁橋、連續(xù)梁橋、斜拉橋、懸索橋、鋼拱橋等，選線階段的構(gòu)筑物BIM 應(yīng)盡量簡化[5]，采用簡支梁橋形式建立橋梁BIM。簡支梁模型建立時(shí)，為反映與周圍環(huán)境的關(guān)系，著重處理橋臺(tái)、橋墩與地形銜接，簡支梁梁布跨等問題，其建模思路主要是先計(jì)算簡支梁布置數(shù)據(jù)，在依據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行橋臺(tái)、橋墩位置計(jì)算，通過參數(shù)化橋臺(tái)與橋墩模型處理與地形的相交關(guān)系，最后對橋墩進(jìn)行布梁完成橋梁BIM。橋梁快速建模流程如圖3 所示。橋梁快速建模信息初始化如圖4 所示。

圖3 橋梁快速建模流程

圖4 橋梁快速建模信息初始化

首先確定橋梁的里程范圍，并根據(jù)起止里程計(jì)算橋梁預(yù)估長度。依據(jù)計(jì)算的橋梁預(yù)估長度與簡支梁類型參數(shù)，進(jìn)行布跨分析，得到最優(yōu)的簡支梁布跨方案，固定橋梁中心點(diǎn)。依據(jù)簡支梁布跨方案從中心點(diǎn)向大、小里程沿線路進(jìn)行梁布置位置計(jì)算，并結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)線間距數(shù)據(jù)得出橋墩、橋臺(tái)的平面位置。橋墩建模時(shí)，結(jié)合線路縱斷面參數(shù)、橋梁段軌道結(jié)構(gòu)高度、簡支梁高度得到墩頂高程，通過橋墩平面位置、墩頂高程計(jì)算墩頂?shù)降匦蔚母卟?，從而確定墩高并利用參數(shù)化模型進(jìn)行橋墩建模。橋臺(tái)建模時(shí)，結(jié)合線路縱斷面參數(shù)、橋梁段軌道結(jié)構(gòu)高度先建立橋臺(tái)主體模型，如圖5 所示。

圖5 橋梁快速建模模型

1.3 隧道BIM 快速建立技術(shù)

選線階段簡化的隧道BIM 應(yīng)包含洞門、洞門邊坡、洞身等部分[6]。BIM 建立時(shí)，為反映與周圍環(huán)境的關(guān)系，著重處理洞門開挖與地形銜接的問題，其建模思路主要是先計(jì)算洞門位置，通過參數(shù)化洞門與洞門邊坡模型處理與地形的相交關(guān)系，最后依據(jù)線路創(chuàng)建洞身BIM 形成隧道BIM。隧道快速建模流程如圖6 所示。

圖6 隧道快速建模流程

隧道BIM 建模時(shí)需要確定的參數(shù)包括：隧道段軌道結(jié)構(gòu)高度、單雙線、標(biāo)準(zhǔn)線間距、洞門類型、洞身類型等。依據(jù)線路三維模型，計(jì)算隧道進(jìn)口與出口的空間位置。依據(jù)隧道段軌道結(jié)構(gòu)高度、單雙線、標(biāo)準(zhǔn)線間距、洞門類型等參數(shù)，利用參數(shù)化洞門單元?jiǎng)?chuàng)建洞門模型。隨后獲取洞門放坡線，按默認(rèn)坡度沿洞門放坡線向上與地形求交，獲取與地面求交后采用洞門放坡線與地面交線形成洞門放坡Mesh 面。依據(jù)洞門模型獲取洞身的起終點(diǎn)位置，根據(jù)軌道結(jié)構(gòu)高度、單雙線、標(biāo)準(zhǔn)線間距、洞身類型等參數(shù)創(chuàng)建隧道輪廓斷面，并沿線路進(jìn)行掃描放樣形成隧道洞身模型，如圖7 所示。

圖7 隧道快速建模模型

2 基于線路的路基、橋梁、隧道BIM 快速建立技術(shù)

基于線路的構(gòu)筑物BIM 快速建立主要依托線路數(shù)據(jù)的中橋、隧、路分段信息，并利用路基、橋梁、隧道BIM 的快速建模技術(shù)實(shí)現(xiàn)。建模思路為先建立橋梁、隧道BIM 并確定橋梁、隧道的實(shí)際分界點(diǎn)，然后根據(jù)實(shí)際分界點(diǎn)數(shù)據(jù)計(jì)算路基BIM 的起止里程并創(chuàng)建路基BIM。為快速實(shí)現(xiàn)路基、橋梁、隧道的一鍵快速建模過程，基于Open Rail Designer 軟件研發(fā)了線路快速初始化模型工具。其主要建模步驟包括：①導(dǎo)入線路模型工程文件。②導(dǎo)入地形模型工程文件。③確定路基、橋梁、隧道參數(shù)。④自動(dòng)創(chuàng)建模型。基于線路的BIM 快速建模如圖8 所示。

圖8 基于線路的BIM 快速建模

軟件可根據(jù)線位和地模信息自動(dòng)生成三維概念模型，輸入的參數(shù)較少，減少人為干預(yù)。在ThinkPad-T480上試用耗時(shí)情況如下：36km 線路，建立三維線路耗時(shí)34s、建立地模耗時(shí)92s、三維概念模型初始化185s，地形模型剖切208s。整套流程共計(jì)15min，相對于傳統(tǒng)手動(dòng)建模效率提高近40 倍。

3 結(jié)語

一鍵導(dǎo)入基于AutoCAD 的鐵路線路軟件的設(shè)計(jì)成果，快速完成基于BIM 平臺(tái)的線路中線創(chuàng)建和信息附加、地形建模、鐵路建模、地形與鐵路模型的融合等。在成渝中線、濟(jì)棗高鐵、廣珠澳高鐵等項(xiàng)目中試用驗(yàn)證，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著，能大幅提高工作效率、質(zhì)量和水平。后續(xù)可進(jìn)一步研究站場、站后各專業(yè)的快速建模，實(shí)現(xiàn)各專業(yè)BIM 接口的串聯(lián)。