基于BIM設計的道岔設備建模方法研究

楊文成

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 概述

目前，我國鐵路設計院仍主要采用二維AutoCAD軟件進行鐵路設計工作，以二維圖紙作為最終成果。鐵路項目是一個龐大的系統性工程，從項目的規劃設計到配合施工，設計單位往往需要對方案進行反復修改，設計變更、廢棄工程等問題也亟待通過更科學的設計手段去改善。鐵路開通后，各運營維護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字化技術提高運營服務水平，保障設備維護質量。

道岔設備是整個車站布置的核心控制要素，站線及警信等重要設施都是通過道岔來確定其位置，故道岔設備模型的準確性直接關系到站場設計質量及鐵路行車安全。目前，國內外鐵路BIM設計軟件中，對道岔和股道提供良好支持的軟件較少[1-6]，以下結合鐵路站場設計，對主流BIM軟件平臺進行探索學習[7-13]，以期通過道岔數據庫的構建，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 線性站場道岔設計思路

OpenRail軟件是鐵路基礎設施建筑領域內較成熟的BIM設計軟件，其功能包括鐵路領域的深化設計與建模，并且集成了測量、線路、路基、軌道等多個專業性功能模塊。OpenRail軟件內嵌MicroStation平臺，具有更多的可擴充性[16-19]。站場道岔模型的BIM設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、側股設備的中心線。

(2)利用MicroStation功能直接繪制各種道岔的實體三維模型(以cell文件格式進行存儲)，并通過OpenRail軟件中樁號及坐標信息引用插入。該思路有利于站場道岔BIM模型一次完成，但不利于設計工作中的反復修改，并且在設計前期需要投入大量時間進行實體三維道岔模型的繪制，對設計單位而言生產效率較差，故不作推薦。

2.2 站場專業道岔選用方法

我國標準鐵路采用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、復式交分道岔等類型；根據不同標準的鋼軌軌型，有43 kg/m、50 kg/m、60 kg/m、75 kg/m等種類；此外，也常根據道岔號數進行分類，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護成本。

在鐵路道岔設計中，首先通過岔心來定位，然后根據站線的需求選擇道岔開向，最后對道岔岔尾末端直線段進行延伸。站場中每個道岔的選用都是根據鋼軌型號、速度標準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軟件基礎上增加了軌道交通設計的功能，其道岔管理模塊為鐵路道岔的繪制提供了部分歐美標準道岔參數。創建標準道岔模型時，可以對該軟件的內嵌道岔數據進行復制，然后逐項進行信息修改，以建立個人道岔數據庫。該方法雖然簡單易懂，但修改后的道岔數據僅支持個體軟件環境，無法在團隊中進行便捷復制。另一種方法是通過可擴展標記語言(XML)編寫道岔數據庫，可以非常方便地進行復用、推廣。故以下重點對更優的xml文件道岔數據庫方法進行深入的探討。

(1)XML語言概述

XML語言在表達形式上與HTML語言非常相似，都是主要用于完成傳輸和存儲數據的語言[20]，可彌補HTML語言無法描述數據、可讀性差、搜索時間長等缺點。在XML文件編寫過程中，需要注意區分大小寫，并且元素標記名稱應在整個文件中保持其唯一性[21-23]。XML文件中，聲明語句后應緊跟一個根元素(根元素有且僅有一個，后面所有子元素都應只是在根元素下的分支表達)，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束都需有對應標記去完成閉合[24-28]。

(2)關鍵元素分析

在OpenRail軟件中，首先將道岔設備的各關鍵組成部分以中心線幾何特征為要素進行直線、曲線等的抽象化處理，并針對不同道岔類型提供相對應的處理方案，如單開道岔主要以直股、側股和道岔角構成，交分道岔主要以兩個直股和道岔角構成。以單開道岔為例，展開進一步研究。

OpenRail軌道交通模塊中的“RAIL TURNOUT IMPORT”命令可以導入XML語言編寫的道岔數據庫文件。為使道岔數據庫代碼簡潔、易懂，規定道岔數據庫文件中根元素為，各分支元素為各種不同道岔型號類，用不同的元素來表示，不同型號道岔數據的元素標記信息應包含下面幾類。

①道岔設備概述類：類型，導曲線線形，圖紙名稱，圖號；

②直股元素類：道岔全長，道岔角(道岔號數)，岔尾長；

③側股元素：導曲線，導曲線兩側的直線，如圖1所示。

圖1 側股元素組成

在鐵路設計的不同階段，道岔數據庫中道岔模型元素的細化程度也有所不同。站場專業的道岔模型主要用于定位站線起始點及連接關系，如圖2所示，可通過直股、岔心、側股及道岔角對道岔數據進行錄入。

圖2 線性簡化后的單開道岔示意

(3) XML文件編寫方法研究

對道岔數據庫進行標準化處理，對XML文件中各類元素及標記建立統一命名規則，以便于道岔數據庫的長期維護。道岔數據庫中主要元素及標記命名規則見表1。

表1 道岔數據庫主要元素命名規則

根據表1的命名規則，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《鐵路道岔參數手冊》進行查詢，并以道岔數據庫元素標記值的形式加以表達。

3 實例分析

為了說明道岔數據庫的創建過程，選用9號、12號、18號三種站場設計中常用單開道岔，對道岔數據庫XML文件編寫進行探討，實例中采用的各道岔尺寸參數見表2。

表2 三種常用單開道岔參數

根據道岔數據庫XML文件編寫方法及表2中各道岔尺寸參數，對CZ2209道岔的OpenRail道岔數據代碼進行分析：

//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(轍叉角的余切值)；length0To2是直股岔心至岔尾的長度，length0To3是側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道岔數據庫代碼中，直股長度、轍叉角、岔尾長度等具有不同的參數值，對應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道岔數據庫文件還需要根據實際情況添加聲明語句和根元素，并在文件最后進行分支元素代碼閉合。

4 結束語

基于OpenRail軟件平臺，從鐵路BIM設計中站場專業角度出發，對道岔設備建模方法進行研究，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，對鐵路設計中站場BIM設計及建模具有一定的借鑒價值。

由于道岔設備各項細部尺寸的制定原理仍有所欠缺，待補充道岔導曲線、轍岔計算等方面的理論后，可以對站場道岔BIM模型進行進一步的完善。