基于Bentley平臺的鐵路路基參數化構件庫研究

謝先當 劉厚強

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

隨著BIM技術在鐵路工程領域應用的不斷深入[1-3]，鐵路路基工程需要探索合適的應用方案[4]。Bentley平臺在基礎設施領域提供了有效的解決方案[5]，專門針對鐵路工程開發的一款綜合的、功能齊全的設計軟件OpenRail Designer(以下簡稱：ORD)。功能涵蓋測量、地質、線路、路基、隧道、軌道、給排水、地下管網等多個專業，支持更大體量信息模型，同時還增加了參數化建模、用戶自定義屬性、注釋標簽、報表、二維表等新功能。但在鐵路路基工程探索應用中仍不能完全滿足設計的實際需求，需進行二次開發提高設計效率和設計質量。

由于ORD的參數化功能較弱，模型的可變更性差，創建模型時存在大量的重復工作，并且隨著設計階段的改變，需重新創建新的模型，模型的重復利用率低，模型功能單一。因此，需建立專業工程構件庫，以提高模型的重復利用率，豐富模型的使用功能。實踐證明，建立參數化構件庫是一種行之有效的方法[6-8]。

為方便實現鐵路路基構件的參數化，在制作構件之前須對構件建立的方式進行合理的設計。本文[9]提出了3種構件設計方式：(1)根據裝配方式的不同將構件分為點、線、面3種構件，路基專業的點構件主要包括樁、托梁、擋土板、復合地基帽石、錨桿、錨索、用地界樁等；線構件主要包括水溝、擋土墻、護肩等；面構件主要包括骨架護坡、框架梁、水平鋪設土工格柵等；(2)采用面向對象方法將構件按工程類型分為土石方構件、支擋工程構件、防護工程構件、地基處理構件、排水工程構件、調配構件、防災監控構件及其他構件；(3)根據參數的可變性將構件分為不可參變構件和參數化構件兩大類，對于尺寸較為固定的構件(如監測裝置、錨具等)建立不可參變構件；對于尺寸多變的構件(如擋土墻、樁等)需建立參數化構件，本文主要研究參數化構件庫的建立方法。

1 ORD軟件使用現狀

ORD軟件創建路基模型的基本流程如下：(1)建立路基橫斷面廊道模板；(2)沿線路拉伸模板構建路基模型；(3)手動建立復雜不可參變構件；(4)裝配構件并建立模型。本文對使用ORD開展鐵路路基參數化構件設計的現狀進行了梳理，如表1所示。

表1 ORD鐵路路基設計解決方案及存在問題表

從表1可以看出，采用ORD軟件的原生功能開展鐵路路基工程設計可完成路基本體、排水溝、側溝等簡單構件的參數化廊道模板定制，然而諸如擋土墻、過渡段、護坡工程、地基處理等復雜構件無法使用廊道模板建立，只能依靠純手工建模的方式建立不可參變構件，此種方式存在建模效率低、模型重復利用率低等問題，故需要基于ORD軟件開展鐵路路基參數化構件庫建立的研究。

2 參數化構件庫創建關鍵技術

構件制作主要考慮構件三維實體模型的構建以及屬性信息的附加。三維實體模型遵循由點生成線、 線生成面、 面生成體的設計方式；屬性信息采用Bentley 的ECSchema工具附加；二者均需要進行大量二次開發。構件的幾何屬性和非幾何屬性需專業人員測試修改，逐步完善直至合理；構件屬性應方便擴充、刪減和修改。構件入庫的目的是方便構件的統一管理，通過二次開發的方式將構件創建模塊集成到軟件中，即可實現構件的統一管理。

構件的價值在于共享，想要確保構件在共享使用過程中的便捷性與高效性，既要在構件的設計過程中采用科學、合理的方法，也要對構件進行有效的管理，因此必須建立完善的BIM構件庫。鐵路路基BIM構件庫建立主要包括5個步驟，如圖1所示。

圖1 路基構件庫建立流程圖

2.1 構件擬定

根據鐵路路基工程專業的特點，綜合構件裝配方式和面向對象的方法，對路基參數化構件的設計方式進行分析。首先采用面向對象方法對路基構件進行分類，包括：土石方工程、支擋工程、護坡工程、排水工程、地基處理、檢測系統、接口工程，各類工程中所包含的具體構件，如表2所示；再根據構件裝配方式不同，對構件進行分類，如表3所示；最后綜合兩類方法對構件進行設計。

表2 路基構件分類表(根據面向對象方法)

表3 路基構件分類表(根據裝配方式)

2.2 構件分析

對具體構件，首先需要分析其幾何屬性與非幾何屬性，確定最佳的屬性描述方法；其次分析構件的裝配操作，確定最佳的裝配方法；最后分析構件的功能，擴充必要的功能屬性(便于系統分析)。本文以路塹重力式擋土墻為例進行說明。

(1)屬性分析

①幾何屬性包括：墻高(H)、截面尺寸(b、B、B′、x、h1、Δh1、Δb2、Δh2)、面積、墻胸坡率、墻背坡率、埋深、最大墻高、最小墻高。

②非幾何屬性包括：通用圖號、起止里程、材料、編碼。

(2)裝配方法

①按裝配方式劃分，路塹重力式擋土墻屬于線構件，線構件的裝配需要1條空間基線(空間折線和曲線)，構件幾何屬性主要用于定義基線的法面上的幾何形態；②根據參數的可變性原則，需建立參數化構件以適應擋土墻尺寸多變的特點；③根據面向對象的設計思路，路基專業的構件均派生于1個共同的路基構件基類，基類中采用裝配純虛擬函數來控制構件的裝配操作。本專業可分出土石方構件、支擋工程構件、防護工程構件、地基處理構件、排水工程構件、調配構件、防災監控構件及其他構件(例如用地界樁)，路肩重力式擋土墻派生于路基支擋工程構件類。

(3)功能分析

重力式擋土墻主要以墻自身自重抵抗土體側壓力，其主要力學分析屬性包括：墻背土體綜合內摩擦角(φ)、墻背土體重度(γ)、基底內摩擦角(f)、基底趾部應力(σ趾)、基底踵部應力(σ踵)。

2.3 構件制作

采用標準化參數和數字化幾何與非幾何信息(包括不可參數化的構件)，實現構件的幾何信息描述，確定裝配操作參數，擴充構件系統功能屬性。

(1)參數準備：在SQLite數據庫中錄入構件的幾何屬性、非幾何屬性及功能屬性參數。

(2)構件裝配：為便于統一平臺展示與管理，同時確保操作的簡便性與高效性，在構件制作時，坐標系統一采用右手笛卡爾坐標系。在ORD軟件上進行二次開發，編寫三維模型創建工具，通過調用數據庫中的幾何參數繪制三維實體模型；編寫裝配命令工具，定義裝配原則、裝配參數以及裝配方法。

(3)信息附加：首先基于ORD編寫ECSchema信息附加的工具，然后定義構件屬性的參數類(任意屬性均可定義)，并根據ECSchema基本架構劃分屬性的層級關系，裝配構件的同時，EC工具能夠動態創建ECSchema，并將屬性信息附加到構件上。

(4)構件修改：修改構件參數，構件的幾何形狀及包含的屬性信息隨之改變。

構件的屬性支持增刪、修改功能，建設工程在不同的階段對構件的幾何精度等級和信息深度等級要求不同，在不同的階段建立不同的屬性信息數據庫、三維圖形繪制工具以及裝配方法，以滿足不同階段的需求。

2.4 測試修改

構件建立完成后，需核對構件外觀和屬性名稱的正確性；測試幾何信息、非幾何信息以及功能屬性的完整性；測試裝配操作的靈活性、裝配位置的準確性；提高構件的穩定性。

(1)構件裝配操作測試

構件裝配測試如圖2所示。點擊路塹重力式擋土墻按鈕，在二維頂視圖設計窗口中點擊構件放置基線，生成1條垂直于線路并可沿線路拖動的標記線，然后輸入起始里程，水平拖動標記線，在起始里程和標記線之間生成1條紅色帶狀線(表示構件放置的區間)，最后輸入終止里程，確認后彈出構件參數對話框(如圖3所示)，修改對話框中的默認參數，確認后可完成構件的放置。

圖2 構件裝配測試圖

圖3 構件參數對話框圖

經過反復測試與修改，采用上述方式裝配構件可快速、精確完成構件的布置。

(2)構件外觀與屬性測試

構件裝配完成后，由經驗豐富的路基專業設計人員，檢查構件外觀的正確性與屬性信息的準確性、完整性。測試主要內容包括：①構件自身外觀的正確性；②構件與周邊工程相對位置的合理性；③構件形狀是否能隨參數的修改而變化；④構件屬性設置是否合理，是否方便擴充、刪減和修改，如圖4所示。

圖4 構件外觀與屬性測試圖

經測試修改后，構件的外觀正確，屬性設置合理。

2.5 審核入庫

構件設計完畢，經過必要的測試與審核后，可進行入庫工作。構件入庫的目的是方便構件的統一管理，通過二次開發的方式將構件創建模塊集成到ORD軟件中，即可實現構件的統一管理，完成構件入庫，構件庫中部分構件如圖5所示。

圖5 路基專業部分構件圖

3 工程應用研究

3.1 工程概況

某鐵路工程為單線電氣化I級客貨共線鐵路，設計時速160 km/h。工程地處青藏高原東南緣，橫斷山脈中段，地表多為草原、旱地。本試點路基段施工圖設計里程為DK 128+000～DK 135+159.57，線路總長 7 159.57 m，路堤長 6 489.57 m，路塹長670 m。主要路基工程有：挖方、填方、水泥攪拌樁、人字形截水骨架護坡、衡重式樁基托梁擋土墻、衡重式路肩墻、側溝、排水溝等。

3.2 構件裝配

鐵路路基屬帶狀工程，路基構件的裝配與模型的建立需要依托線路數據、地形數據以及地層橫斷面數據。通過基于ORD開發的專業數據接口，將數據讀入、保存并生成相應的線路、地形以及地層橫斷面模型，為路基構件的裝配與模型的建立做好數據準備工作。

在構件裝配之前，首先根據該鐵路工程的路基設計原則生成填挖方邊坡模型(參數化構件的裝配均在該模型的基礎上進行)，然后工程設計人員根據已有的設計資料并結合自身的經驗即可根據需要進行構件的裝配。構件的裝配采用二、三維交互設計的方式，設計人員在二維平面圖中設計，同時生成三維模型，呈現出更為直觀的設計效果。構件裝配完成，可切換到橫斷面視圖，進一步驗證構件裝配的合理性。

參數化構件裝配完成后，如需修改構件幾何尺寸與相關屬性信息，不需刪除構件重新裝配，可直接在構件的參數對話框中修改相應的參數，即可完成修改，快速實現構件的重新裝配。裝配完成的構件如圖6所示。

圖6 路基工程構件圖

3.3 構件應用

參數化構件相對于一般幾何構件的優勢在于數據的可傳遞性，合理應用構件的參數可大大提高設計的精度與效率。并且利用參數化構件進行二維出圖與工程量計算，具有很高的應用價值。

依托參數化構件進行路基工程的平面圖、工點圖與橫斷面圖的出圖。繪制二維圖形需要提取已裝配完成的構件的參數，再利用參數繪制二維輪廓，即可生成二維設計圖。二維設計圖與模型一樣均由參數驅動修改，可有效提高出圖效率。工程量的計算，針對點、線、面構件各自的特點制定不同的工程量統計方法。計算時從已建立完成的模型中獲取工程構件，并統計該構件的數量、材料類型和單位等數據，逐個統計完成后進行匯總，最后快速輸出工程數量表單。參數化構件的應用將大大提高工程數量計算的效率與精度。

4 結論

建立參數化構件庫是提高BIM設計效率的有效方法，構件的參數化設計需要通過二次開發來實現。通過對構件設計方式進行分析，并依托ORD進行二次開發，在構建三維實體模型的同時，使用ECSchema工具附加屬性。對構件的實體模型、裝配方式、幾何屬性及非幾何屬性測試、修改并完善后，將構件創建模塊集成到ORD中，完成構件入庫，實現構件的統一管理。

實踐證明，參數化構件的應用大大提高了鐵路路基BIM建模的效率，能更高效的輔助設計人員進行路基工程設計。同時，參數化構件在鐵路路基二維出圖和工程量計算方面具有廣泛的應用前景，需專業人員繼續深入研究。