基于BIM設(shè)計的道岔設(shè)備建模方法研究

楊文成

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

1 概述

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

道岔設(shè)備是整個車站布置的核心控制要素，站線及警信等重要設(shè)施都是通過道岔來確定其位置，故道岔設(shè)備模型的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到站場設(shè)計質(zhì)量及鐵路行車安全。目前，國內(nèi)外鐵路BIM設(shè)計軟件中，對道岔和股道提供良好支持的軟件較少[1-6]，以下結(jié)合鐵路站場設(shè)計，對主流BIM軟件平臺進(jìn)行探索學(xué)習(xí)[7-13]，以期通過道岔數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建，減少鐵路站場三維模型制作周期[14-15]，提高鐵路站場計算機輔助設(shè)計水平。

2 基于OpenRail軟件平臺的站場道岔BIM建模方法研究

2.1 線性站場道岔設(shè)計思路

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)計軟件，其功能包括鐵路領(lǐng)域的深化設(shè)計與建模，并且集成了測量、線路、路基、軌道等多個專業(yè)性功能模塊。OpenRail軟件內(nèi)嵌MicroStation平臺，具有更多的可擴充性[16-19]。站場道岔模型的BIM設(shè)計可以分為兩種思路：

(1)運用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體三維模型(以cell文件格式進(jìn)行存儲)，并通過OpenRail軟件中樁號及坐標(biāo)信息引用插入。該思路有利于站場道岔BIM模型一次完成，但不利于設(shè)計工作中的反復(fù)修改，并且在設(shè)計前期需要投入大量時間進(jìn)行實體三維道岔模型的繪制，對設(shè)計單位而言生產(chǎn)效率較差，故不作推薦。

2.2 站場專業(yè)道岔選用方法

我國標(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道岔、對稱道岔、交叉渡線、復(fù)式交分道岔等類型；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；此外，也常根據(jù)道岔號數(shù)進(jìn)行分類，如9號、12號、18號、42號等類型。各類道岔中，單開道岔是最為常用的類型，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)計中，首先通過岔心來定位，然后根據(jù)站線的需求選擇道岔開向，最后對道岔岔尾末端直線段進(jìn)行延伸。站場中每個道岔的選用都是根據(jù)鋼軌型號、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，可以對該軟件的內(nèi)嵌道岔數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)制，然后逐項進(jìn)行信息修改，以建立個人道岔數(shù)據(jù)庫。該方法雖然簡單易懂，但修改后的道岔數(shù)據(jù)僅支持個體軟件環(huán)境，無法在團(tuán)隊中進(jìn)行便捷復(fù)制。另一種方法是通過可擴展標(biāo)記語言(XML)編寫道岔數(shù)據(jù)庫，可以非常方便地進(jìn)行復(fù)用、推廣。故以下重點對更優(yōu)的xml文件道岔數(shù)據(jù)庫方法進(jìn)行深入的探討。

(1)XML語言概述

XML語言在表達(dá)形式上與HTML語言非常相似，都是主要用于完成傳輸和存儲數(shù)據(jù)的語言[20]，可彌補HTML語言無法描述數(shù)據(jù)、可讀性差、搜索時間長等缺點。在XML文件編寫過程中，需要注意區(qū)分大小寫，并且元素標(biāo)記名稱應(yīng)在整個文件中保持其唯一性[21-23]。XML文件中，聲明語句后應(yīng)緊跟一個根元素(根元素有且僅有一個，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修飾，并且各元素的開始與結(jié)束都需有對應(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，并針對不同道岔類型提供相對應(yīng)的處理方案，如單開道岔主要以直股、側(cè)股和道岔角構(gòu)成，交分道岔主要以兩個直股和道岔角構(gòu)成。以單開道岔為例，展開進(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語言編寫的道岔數(shù)據(jù)庫文件。為使道岔數(shù)據(jù)庫代碼簡潔、易懂，規(guī)定道岔數(shù)據(jù)庫文件中根元素為，各分支元素為各種不同道岔型號類，用不同的元素來表示，不同型號道岔數(shù)據(jù)的元素標(biāo)記信息應(yīng)包含下面幾類。

①道岔設(shè)備概述類：類型，導(dǎo)曲線線形，圖紙名稱，圖號；

②直股元素類：道岔全長，道岔角(道岔號數(shù))，岔尾長；

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)計的不同階段，道岔數(shù)據(jù)庫中道岔模型元素的細(xì)化程度也有所不同。站場專業(yè)的道岔模型主要用于定位站線起始點及連接關(guān)系，如圖2所示，可通過直股、岔心、側(cè)股及道岔角對道岔數(shù)據(jù)進(jìn)行錄入。

圖2 線性簡化后的單開道岔示意

(3) XML文件編寫方法研究

對道岔數(shù)據(jù)庫進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，對XML文件中各類元素及標(biāo)記建立統(tǒng)一命名規(guī)則，以便于道岔數(shù)據(jù)庫的長期維護(hù)。道岔數(shù)據(jù)庫中主要元素及標(biāo)記命名規(guī)則見表1。

表1 道岔數(shù)據(jù)庫主要元素命名規(guī)則

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

3 實例分析

為了說明道岔數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建過程，選用9號、12號、18號三種站場設(shè)計中常用單開道岔，對道岔數(shù)據(jù)庫XML文件編寫進(jìn)行探討，實例中采用的各道岔尺寸參數(shù)見表2。

表2 三種常用單開道岔參數(shù)

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

//道岔元素。

//道岔類型及圖號。

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

//轍岔長度形式和長度。

//導(dǎo)曲線的半徑值和弧長。

//道岔后插鋼軌的形式和長度。

//對分支元素進(jìn)行代碼閉合

通過對上述代碼的分析可知，SC330道岔和客專線(08)016道岔的OpenRail道岔數(shù)據(jù)庫代碼中，直股長度、轍叉角、岔尾長度等具有不同的參數(shù)值，對應(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)庫文件還需要根據(jù)實際情況添加聲明語句和根元素，并在文件最后進(jìn)行分支元素代碼閉合。

4 結(jié)束語

基于OpenRail軟件平臺，從鐵路BIM設(shè)計中站場專業(yè)角度出發(fā)，對道岔設(shè)備建模方法進(jìn)行研究，該方法可用于站場BIM模型的快速布置，并能夠以XML文件的形式高效推廣，對鐵路設(shè)計中站場BIM設(shè)計及建模具有一定的借鑒價值。

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