裴愛華 谷呈朋 黃慧超 吳凱偉

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 概述

近年來，我國城市軌道交通處于高速發(fā)展階段，與此同時，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多專業(yè)、多角色，在多約束、長周期、大投入下的復(fù)雜系統(tǒng)工程，采用BIM技術(shù)是實現(xiàn)其高效率、規(guī)范化、低成本、全面協(xié)同的關(guān)鍵[2]。國內(nèi)軌道交通常用的BIM設(shè)計平臺主要有Revit、Bentley和Catia等。其中，Revit在目前國內(nèi)建筑市場核心建模軟件中市場占有率高，全球通用性強，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)計主要基于Revit平臺，已有許多學(xué)者開展相關(guān)研究，余元波以地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)為例，從模塊化設(shè)計和自動化設(shè)計兩個方面探討B(tài)IM正向設(shè)計方法[4]；李雙雙以武漢地鐵5號線楊園車站為例，開展結(jié)構(gòu)施工圖正向設(shè)計應(yīng)用探索[5]；楊陳相以理論結(jié)合實際方法，研究基于BIM技術(shù)的地鐵車站建筑結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計方法[6]；阮曉晨等以廣州地鐵番禺廣場站為例，開展地鐵車站施工管理中的應(yīng)用研究[7]；王志則從建設(shè)單位角度，對采用BIM技術(shù)把控項目質(zhì)量，提高軌道交通工程建造水平進行探索[8]；邵志國等從運營角度開展地鐵車站安全疏散模擬研究[9]。然而，對于城市軌道交通中的帶狀工程，Revit軟件內(nèi)置工具往往不能滿足高效的建設(shè)需求，還需結(jié)合各自工程特點在建設(shè)過程中開展研究和探索[10-13]。

當(dāng)前，軌道工程主要依靠設(shè)計人員利用Revit內(nèi)置命令手工完成，過程中需頻繁進行拾取、移動、旋轉(zhuǎn)、拉伸、放樣、融合等操作，機械重復(fù)性工作多，影響設(shè)計效率，難以高效地開展BIM設(shè)計工作。

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

2 軌道結(jié)構(gòu)特點及建模思路

軌道結(jié)構(gòu)主要由鋼軌、軌枕及扣件、道床3個部分構(gòu)成。城市軌道交通中，正線主要采用60 kg/m鋼軌、車輛段主要采用50 kg/m鋼軌。軌枕主要有埋入式長枕、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，軌枕一般沿著線路中心線等間距布置，并根據(jù)線路方向、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路拉伸形成的實體，可根據(jù)超高、線下基礎(chǔ)形式等調(diào)整斷面形式和尺寸。

地鐵線路是由平縱斷面疊加起來的復(fù)雜空間曲線，尤其在豎緩曲線重合地段，無法通過數(shù)學(xué)方式表達，只能通過點坐標(biāo)的方式近似模擬。而Revit自適應(yīng)構(gòu)件是一類高自由度的族類型，可通過控制點動態(tài)驅(qū)動模型的形狀，適用于復(fù)雜概念設(shè)計與復(fù)雜曲面建模。因此，結(jié)合軌道結(jié)構(gòu)特點和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)并垂直線路，需把軌枕(軌道板)族做成有3個自適應(yīng)點的自適應(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

按照圖4所示的順序及位置建立3個自適應(yīng)點，線12和線13的長度為2 000 mm，且線12與線13垂直，線12控制軌枕(軌道板)的超高，線13控制軌枕(軌道板)的方向，點1為線路中心線上的點。這3個點根據(jù)軌枕放置的位置，采用Dynamo計算獲得。

圖4 軌枕(軌道板)族自適應(yīng)點

(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，并根據(jù)閉合環(huán)生成表面和三維捕捉選項(見圖5)，按照順序選擇1、2、3、1，由3個點生成參照平面，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相同斷面創(chuàng)建實心形狀的自適應(yīng)族，單個斷面由多個點組成。不同道床類型和鋼軌可以建成多個自適應(yīng)構(gòu)件族，每個截面的自適應(yīng)點，通過Dynamo計算后，再賦給對應(yīng)的自適應(yīng)構(gòu)件。

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

圖7 圓形道床自適應(yīng)點分布

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

圓形道床每個斷面由9個自適應(yīng)點組成，這9個點的坐標(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)高度以及線路位置、超高等參數(shù)通過Dynamo程序計算獲得。對于其他類型道床及鋼軌，需補充相關(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 線路空間曲線模擬計算

4.1 線路平縱斷面線路數(shù)據(jù)格式

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

線路平面曲線一般由交點坐標(biāo)、曲線半徑、緩和曲線長度等組成，見圖9。線路縱斷面由坡度、坡長，變坡點高程、豎曲線半徑等組成，見圖10。

圖9 線路平面示意

圖10 線路縱斷面示意

線路平面曲線數(shù)據(jù)，可以采用交點法表示，見表1；縱斷面采用坡長、坡度、變坡點高程及豎曲線半徑見表2。

表1 線路平面曲線數(shù)據(jù)格式

表2 線路縱斷面數(shù)據(jù)格式

4.2 線路三維坐標(biāo)及方向計算

(1)線路平面坐標(biāo)及方向計算

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

① 曲線常數(shù)計算見圖11、式(1)

圖11 曲線常數(shù)計算模型>

(1)

式中，α為轉(zhuǎn)向角；β0為緩和曲線切線角；p為圓曲線移動量；m為切垂距；T為切線長；L0為圓曲線長。

②直線上任意里程中線坐標(biāo)推導(dǎo)

要計算直線上任意里程坐標(biāo)，首先要計算緩直點(HZ)的坐標(biāo)，在世界坐標(biāo)系下，JD→HZ的方向角為δ，見圖12。HZ點坐標(biāo)參數(shù)方程見式(2)，則直線上任意點坐標(biāo)可以通過HZ點坐標(biāo)計算獲得，見式(3)。

圖12 曲線常數(shù)計算模型

(2)

(3)

式中，xJD、yJD為交點坐標(biāo)，取線路的原始數(shù)據(jù)；方向角δ可通過兩個交點坐標(biāo)計算獲得；li為直線點i到緩直點的距離，同時δ也是直線點i的方向。

③緩和曲線上任意里程中線坐標(biāo)推導(dǎo)

建立以直緩(ZH)點或緩直(HZ)點為原點、以對應(yīng)點切線為x軸、以對應(yīng)點切線垂線為y軸的二維直角坐標(biāo)系(見圖13)，利用緩和曲線參數(shù)方程，推導(dǎo)出局部坐標(biāo)系下緩和曲線上任意里程的中線坐標(biāo)及切線角，即

圖13 緩和曲線計算模型

(4)

④圓曲線上任意里程中線坐標(biāo)推導(dǎo)

以直緩(ZH)點或緩直(HZ)點為原點、以對應(yīng)點切線為x軸、以對應(yīng)點切線垂線為y軸建立二維直角坐標(biāo)系(見圖14)，利用圓曲線參數(shù)方程，可以推導(dǎo)出局部坐標(biāo)系下圓曲線上任意里程的中線坐標(biāo)及切線角，即

(5)

式中，αi為圓曲線的切向角；li為曲線點i的曲線長；p為圓曲線移動量；m為切垂距。

圖14 圓曲線計算模型

⑤局部坐標(biāo)的變換

通過二維直角坐標(biāo)系變換公式，可以推導(dǎo)出平面曲線上任意點坐標(biāo)。

(2)線路縱斷面高程及方向計算

縱斷面上直線段的高程可通過變坡點高程、坡度及計算點到變坡點距離通過簡單計算獲得，下面主要介紹豎曲線地段高程的計算。計算模型見圖15，利用式(6)，可推導(dǎo)出豎曲線上任意點的高程Hi及切線方向γ，即

(6)

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

圖15 豎曲線計算模型

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，然后準(zhǔn)備線路數(shù)據(jù)和軌道數(shù)據(jù)，保存在Excel文件中。線路數(shù)據(jù)格式參考第4章，道床地段表數(shù)據(jù)格式見表3。

表3 道床地段表數(shù)據(jù)格式

道床類型參數(shù)可根據(jù)不同道床給出各自的參數(shù)，通過這些參數(shù)可計算出各自適應(yīng)點坐標(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、線路數(shù)據(jù)及道床數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完成后，可采用Dynamo進行道床布置。

Dynamo程序有兩種實現(xiàn)方式[16]。

(1)節(jié)點(Nodes)和接線(Wires)可視化編程方式。

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

(2)PythonScript二次開發(fā)方式。

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

軌道工程BIM建模流程為：通過對道床地段表進行遍歷，獲得每段道床的起終點里程、鋼軌族、軌枕族及道床族名稱；通過4.2節(jié)的方法，可以計算出道床段上各點的坐標(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)系下計算出鋼軌、軌枕及道床自適應(yīng)構(gòu)件各自適應(yīng)點的坐標(biāo)，然后按照規(guī)則進行軌道結(jié)構(gòu)布置，其流程見圖16，最終成果模型見圖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)計方法，采用Dynamo計算線路空間位置、方向及自適應(yīng)構(gòu)件自適應(yīng)點坐標(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，滿足不同設(shè)計階段的需求。該方法還可以通過擴展不同道床自適應(yīng)構(gòu)件適應(yīng)點坐標(biāo)的算法，來實現(xiàn)多種道床類型的模型建立。軌道BIM模型生成后，還可從中提取出相關(guān)的設(shè)計成果，如結(jié)構(gòu)分析報告、設(shè)計圖紙、接口設(shè)計資料、工程數(shù)量清單等，同時在此基礎(chǔ)上還可以進一步開展施工交底、施工模擬、碰撞檢測、運維管理、結(jié)合監(jiān)測系統(tǒng)等數(shù)字化平臺構(gòu)建等研究。研究成果已在蘇州地鐵6號線、南通地鐵1號線等項目初步設(shè)計及施工圖設(shè)計中進行應(yīng)用，實現(xiàn)了軌道工程設(shè)計的高效BIM建模。