基于BIM的鐵路路基三維建模方法研究

薛宇騰 黃新文

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

1 概述

BIM(Building Information Modeling)是一種信息化技術(shù)[1-4]，可服務(wù)于鐵路工程建設(shè)、運(yùn)營(yíng)、維護(hù)等階段，滿足新時(shí)代鐵路建設(shè)發(fā)展的要求[5]。目前，中國(guó)鐵路總公司已開(kāi)始大力推動(dòng)其在鐵路工程建設(shè)中的應(yīng)用[6]。在鐵路工程設(shè)計(jì)階段，BIM可以充分滿足三維可視化的設(shè)計(jì)需求，解決傳統(tǒng)鐵路設(shè)計(jì)中存在的設(shè)計(jì)不全面、設(shè)計(jì)意圖表達(dá)不明確等問(wèn)題。三維信息模型是BIM技術(shù)的基礎(chǔ)[7]，模型的構(gòu)建方法則是值得研究的重要問(wèn)題。

2 研究現(xiàn)狀

董興干[8]等采用既有的二維設(shè)計(jì)資料或者設(shè)計(jì)內(nèi)容的參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行三維建模，這種方法雖然實(shí)現(xiàn)了二維成果到三維成果的快速轉(zhuǎn)化，但其設(shè)計(jì)過(guò)程沒(méi)有利用三維可視化的優(yōu)勢(shì)。潘兵宏等[9-10]采用空間四邊形來(lái)模擬路基的三維模型。王明生等[11]利用原始地形數(shù)據(jù)，使用三角網(wǎng)模型實(shí)現(xiàn)路基三維建模。聶良濤[12]提出以不規(guī)則三角網(wǎng)方法解決路基與地形模型的契合問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)路基邊坡等與地形模型的交互。劉厚強(qiáng)等[13]研發(fā)了三維路基設(shè)計(jì)軟件，從數(shù)據(jù)錄入到橫斷面設(shè)計(jì)均保留了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，通過(guò)前后相鄰斷面基準(zhǔn)點(diǎn)的捕捉，實(shí)現(xiàn)路基結(jié)構(gòu)體的添加。曹琨等[14]采用了基于Revit軟件的參數(shù)化方法進(jìn)行路基建模。孔國(guó)梁等[17]基于CAD和達(dá)索系統(tǒng)，創(chuàng)建路基排水模型，為路基排水三維設(shè)計(jì)提供了解決方案。

綜上所述，以往的研究經(jīng)歷了從二維到三維的過(guò)程，在各自的研究領(lǐng)域解決了許多具體問(wèn)題。其中，三角網(wǎng)和參數(shù)化建模的方法能較好地用于路基建模。以下結(jié)合前人的研究成果，從三維正向設(shè)計(jì)出發(fā)，對(duì)鐵路路基三維建模方法進(jìn)行探索和研究。

3 三維建模基礎(chǔ)方法

三維模型本質(zhì)上是點(diǎn)、線等各類信息的數(shù)據(jù)集合，它可以是手動(dòng)建立的，也可以按照一定的算法生成。雖然三維建模軟件種類多、特點(diǎn)各異，但是其幾何造型技術(shù)卻是相通的，以下列舉幾種常見(jiàn)的建模方法。

此時(shí)，英法蘇中4個(gè)勝利集團(tuán)的盟友代表，應(yīng)美國(guó)政府之邀正在觀“戰(zhàn)”。當(dāng)核爆炸的蘑菇云升起時(shí)，趙忠堯成了中國(guó)第一個(gè)親眼看到原子彈爆炸的人！他注視著冉冉升起的蘑菇云，將目測(cè)出的數(shù)據(jù)牢記在自己的腦海之中。

3.1 基本體素造型

基本體素造型是運(yùn)用軟件工具所提供的簡(jiǎn)單形體(體素)，以組合或者合并、相減等布爾運(yùn)算構(gòu)造模型的方法。目前，常用的三維建模軟件都提供了豐富的基本幾何形體，如立方體、圓柱、球、圓臺(tái)、圓錐、圓環(huán)、棱臺(tái)、棱錐等，充分利用這些形體，可以使建模過(guò)程便捷快速。如路基截水滲溝方形檢查井就是在簡(jiǎn)單形體基礎(chǔ)上，通過(guò)相減布爾運(yùn)算再與其他形體組合構(gòu)建的三維模型，圖1表現(xiàn)了一個(gè)方形檢查井的建模流程。

橫斷面編輯模塊支持標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)物的創(chuàng)建、調(diào)取和裝配，使得繪制和編輯工作更為方便快速，基于構(gòu)件庫(kù)的理念也為后期二次開(kāi)發(fā)提供了便利。可以對(duì)任意里程地形進(jìn)行剖切并開(kāi)展橫斷面設(shè)計(jì)，也可加密一定里程范圍的橫斷面骨架數(shù)量，使模型更為真實(shí)合理。該方法保留了基于二維橫斷面的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)習(xí)慣，還提供了二維、三維的交互過(guò)程，充分利用了三維建模軟件可視化的特點(diǎn)。通過(guò)三維視角可以鳥(niǎo)瞰整個(gè)模型，為措施制定提供更加有利的條件(效果展示如圖5所示)[18]。

圖1 方形檢查井模型示意

3.2 拉伸旋轉(zhuǎn)掃描變換法造型

(3)缺點(diǎn)和不足

圖2 拉伸構(gòu)建模型示意

3.3 放樣法造型

放樣法能夠?qū)O為復(fù)雜的形體進(jìn)行造型(尤其是變截面形式的三維模型)。其基本原理是將三維空間中的多個(gè)變化截面以一定路徑相連接，形成三維模型，圖3是一個(gè)變截面水溝的建模過(guò)程。受地層、地形面等因素的影響，路基的形式、尺寸變化較多，而放樣法恰好適用于這種情況。

圖3 過(guò)渡段模型示意

4 基于Bentley平臺(tái)的三維建模方法

由于建模內(nèi)容是三維的，一些二維設(shè)計(jì)中較少考慮的問(wèn)題在三維建模時(shí)會(huì)暴露出來(lái)，如各種類型的過(guò)渡段設(shè)計(jì)，其快速建模插件的開(kāi)發(fā)沒(méi)有跟上，給建模帶來(lái)了諸多的問(wèn)題。

活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)，市民獲得了豐厚的優(yōu)惠產(chǎn)品，主辦方還向家政企業(yè)和家政從業(yè)人員送醫(yī)療、送保險(xiǎn)、送金融，一批家政先進(jìn)模范受到表彰。開(kāi)幕式上，家政人員向市民展示了誠(chéng)信服務(wù)風(fēng)采，并表演了精彩的文藝節(jié)目。

(1)關(guān)鍵技術(shù)

4.1 線狀構(gòu)造物建模方法

民國(guó)初期獨(dú)立組織機(jī)構(gòu)的公共體育場(chǎng)主要分布在華東地區(qū)的部分中心城市，如江蘇、安徽、江西、浙江等中心城市以及江蘇省部分縣。南京政府時(shí)期數(shù)量增多，如福建、山東、湖北、云南等省立公共體育場(chǎng)也有獨(dú)立組織機(jī)構(gòu)，江蘇、安徽、江西、浙江等省縣立公共體育場(chǎng)場(chǎng)長(zhǎng)數(shù)量增加。抗日戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期福建、江西、湖北等省立公共體育場(chǎng)組織機(jī)構(gòu)內(nèi)遷，福建、江西兩省各縣獨(dú)立公共體育場(chǎng)增加，專職場(chǎng)長(zhǎng)數(shù)量增加明顯。此外，大后方如云南、四川兩省也有一定數(shù)量的獨(dú)立組織機(jī)構(gòu)公共體育場(chǎng)以及專職場(chǎng)長(zhǎng)。抗日戰(zhàn)爭(zhēng)勝利后，獨(dú)立組織機(jī)構(gòu)數(shù)量有一定恢復(fù)，但是專職場(chǎng)長(zhǎng)多分布在中心城市以及戰(zhàn)爭(zhēng)影響不大的大后方幾個(gè)省。

圖4 線狀構(gòu)造物建模流程

探測(cè)器著陸小行星運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，兩者之間的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于軌道半徑，通過(guò)近似線性化模型來(lái)描述兩者之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，可將公式（1）變化為以下表達(dá)式：

線狀構(gòu)造物建模是建立在設(shè)計(jì)路基橫斷面的基礎(chǔ)上。因此，路基橫斷面繪制和編輯是重點(diǎn)。基于Bentley平臺(tái)的設(shè)計(jì)軟件提供了一套橫斷面編輯模塊，可對(duì)路基橫斷面進(jìn)行頂層設(shè)計(jì)。該模塊能夠?qū)c(diǎn)、線、面添加約束，創(chuàng)建構(gòu)件位置信息的約束關(guān)系；另外，借由末端條件(坡腳、塹頂?shù)汝P(guān)鍵點(diǎn))，可以自動(dòng)追蹤地形面模型。

(2)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

基本思路：在三維建模軟件下，依據(jù)設(shè)計(jì)原則編輯并生成路基構(gòu)件橫斷面骨架，通過(guò)放樣或者拉伸造型方式連接橫斷面骨架，生成四邊形或三角形的網(wǎng)格體，利用三維模型可視化的特點(diǎn)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ秃侠硇裕瑢?duì)不合理段落的橫斷面進(jìn)行調(diào)整直至符合規(guī)范。最后，利用各類基礎(chǔ)造型方法對(duì)各種結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)設(shè)計(jì)(建模流程如圖4所示)。

首先投資者的投資信心不足，投資農(nóng)業(yè)既要承擔(dān)氣候、環(huán)境等自然風(fēng)險(xiǎn)，又要承擔(dān)市場(chǎng)銷(xiāo)售風(fēng)險(xiǎn)，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力不強(qiáng)。其次農(nóng)村經(jīng)濟(jì)缺乏金融支持，農(nóng)民除在信用社獲得小額貸款外，在其他機(jī)構(gòu)很難獲得金融支持。一些涉農(nóng)企業(yè)由于無(wú)資產(chǎn)抵押，也很難獲得銀行貸款。再者，扶持政策多變，2018年開(kāi)始，中央和省降低了對(duì)于無(wú)人飛機(jī)、自動(dòng)導(dǎo)航駕駛系統(tǒng)等的補(bǔ)助標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 路基結(jié)構(gòu)物與地形模型結(jié)合效果

拉伸旋轉(zhuǎn)掃描變換法造型是由一個(gè)點(diǎn)、一條線、一個(gè)面或一個(gè)形體沿某一路徑運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的。通常先繪制一個(gè)二維的橫斷面，再通過(guò)拉伸或旋轉(zhuǎn)生成物體的造型。如圖2所示，路基的定截面懸臂式擋土墻即可通過(guò)拉伸構(gòu)建模型，路基邊坡的空心磚結(jié)構(gòu)同樣可用此種方法建模。對(duì)于截面固定但形狀較為復(fù)雜的構(gòu)造物，運(yùn)用沿線拉伸或旋轉(zhuǎn)成體的方法最為快捷。

從路基的造型特點(diǎn)進(jìn)行分類，可將路基結(jié)構(gòu)物分為線狀構(gòu)造物和不連續(xù)構(gòu)造物：線狀構(gòu)造物是指路基中連續(xù)不間斷的構(gòu)筑物，其方向與線路走向一致，路基的主要結(jié)構(gòu)大都屬于線狀構(gòu)造物，如基床、路基本體、排水溝等；不連續(xù)構(gòu)造物是路基中由一種或多種形狀和體素組成、在空間上相對(duì)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)，并在一定里程范圍內(nèi)有規(guī)律的分布，如樁板墻(變截面擋土墻)、邊坡骨架防護(hù)、樁基礎(chǔ)等。

4.2 不連續(xù)構(gòu)造物建模方法

不連續(xù)構(gòu)造物主要由標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件組成，與地層、地形面也緊密關(guān)聯(lián)。因此，采用參數(shù)化的建模方法(參數(shù)包括構(gòu)件本身的幾何信息，也包括地層、地形影響帶來(lái)的定位信息)可以給設(shè)計(jì)帶來(lái)很大的便利。

在社會(huì)治理系統(tǒng)的建構(gòu)過(guò)程中，共建是共治的前提和基礎(chǔ)，共治是共建的歸宿和目的。由于產(chǎn)生的歷史背景、具體國(guó)情不同，我國(guó)社會(huì)治理系統(tǒng)的共建共治在國(guó)家制度層面，與西方社會(huì)治理有著本質(zhì)的區(qū)別，它既具有中國(guó)特色又體現(xiàn)中國(guó)經(jīng)驗(yàn)，既有中國(guó)特色共建的內(nèi)在邏輯，又體現(xiàn)中國(guó)經(jīng)驗(yàn)的合作共治，是內(nèi)在邏輯的共建與外在共治功能的統(tǒng)一。

(1)樁板墻和扶壁式擋土墻建模

兩種類型擋土墻的共同特點(diǎn)是整體結(jié)構(gòu)由若干個(gè)一定長(zhǎng)度和尺寸的單元組成，每個(gè)單元都含有相同的構(gòu)件，但構(gòu)件的尺寸不同，故建模思路是按單元構(gòu)建模型。基于參數(shù)化建模方法，開(kāi)發(fā)了幾種快速建模插件，可對(duì)參數(shù)構(gòu)建的截面進(jìn)行拉伸再相互拼接來(lái)構(gòu)建模型(如圖5、圖6所示)。一組參數(shù)對(duì)應(yīng)一組構(gòu)件模型，根據(jù)設(shè)計(jì)者的需求錄入?yún)?shù)，或者根據(jù)三維線位、地形面模型計(jì)算獲得。最終，軟件根據(jù)參數(shù)自動(dòng)生成具有相應(yīng)尺寸和位置的模型(如圖7所示)。

圖6 樁板墻快速建模

圖7 扶壁式擋土墻快速建模

(2)樁基礎(chǔ)建模

以基本體素圓柱體即可實(shí)現(xiàn)三維建模，樁的三維建模關(guān)鍵是確定樁的布置范圍(長(zhǎng)度、寬度等)、布置方式(正方形、三角形等)、樁徑、樁長(zhǎng)等參數(shù)。其參數(shù)化的建模思路與擋土墻一致，參數(shù)類型與二維設(shè)計(jì)基本相同，開(kāi)發(fā)軟件的界面和建模效果如圖8。

圖8 樁基礎(chǔ)快速建模