基于BIM的軌行區(qū)軌道三維設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究

袁菁江 尹華拓 張新亞

(1.湖南省交通運(yùn)輸廳科技信息中心，長(zhǎng)沙 410029； 2. 廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣州 510010)

在建設(shè)粵港澳大灣區(qū)“一小時(shí)城軌交通圈”的新形勢(shì)下，提高建設(shè)質(zhì)量，發(fā)揮裝配式建筑優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)智能化、信息化、自動(dòng)化軌道設(shè)計(jì)很有必要[1-3]。

BIM技術(shù)是裝配式建筑發(fā)展的重要輔助手段之一，可應(yīng)用于裝配式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工以及運(yùn)維等各個(gè)階段。裝配式工藝對(duì)各專業(yè)的協(xié)同設(shè)計(jì)提出更高要求，BIM技術(shù)在協(xié)同設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、施工模擬等方面有先天的優(yōu)勢(shì)[4-8]。

目前，對(duì)于車站、場(chǎng)房等單體工程，已逐步實(shí)現(xiàn)利用BIM技術(shù)進(jìn)行正向設(shè)計(jì)。然而，對(duì)于連接車站與車站之間的軌行區(qū)，沿著線路走向具有不規(guī)則變化的特點(diǎn)，BIM建模存在諸多困難[9-10]。

軌道作為軌行區(qū)的重要組成部分，包含大量組成部件，其建模需要綜合考慮線路條件、限界條件、超高因素等不同設(shè)計(jì)規(guī)則，若采用“手動(dòng)放置，局部再調(diào)整”的傳統(tǒng)建模方法，存在建模效率低、精度差等問(wèn)題[11-12]。因此，如何實(shí)現(xiàn)軌行區(qū)軌道沿線路走向自動(dòng)調(diào)整布置，成為軌行區(qū)軌道三維設(shè)計(jì)中亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

利用Revit軟件自身的功能和其二次開(kāi)發(fā)工具Dynamo插件，以三維線路為基礎(chǔ)，輔以參數(shù)化道床橫斷面設(shè)計(jì)及自適應(yīng)構(gòu)件族的方式，設(shè)計(jì)出能夠沿線路走向自動(dòng)調(diào)整且各部件批量、有序裝配的軌行區(qū)軌道BIM模型，可顯著提高設(shè)計(jì)工作的效率，有效避免二維設(shè)計(jì)中因相對(duì)位置不直觀造成的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。

基于Dynamo插件，可以進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)、重復(fù)性操作自動(dòng)化、模擬和分析等。以建立參數(shù)化扣件彈條模型為例，其開(kāi)發(fā)思路見(jiàn)圖1。通過(guò)調(diào)整彈條中心線坐標(biāo)和彈條截面尺寸，即可實(shí)現(xiàn)不同形式、尺寸彈條的參數(shù)化建模。

圖1 參數(shù)化扣件彈條模型

1 軌行區(qū)軌道BIM設(shè)計(jì)流程

為減少重復(fù)建模，實(shí)現(xiàn)軌道部件模型沿線路走向有序裝配，軌行區(qū)軌道BIM設(shè)計(jì)流程如下。

(1)根據(jù)線路、限界、超高資料，生成軌道設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)文件。

(2)建立鋼軌模型。

(3)建立參數(shù)化道床橫斷面設(shè)計(jì)及道床模型。

(4)設(shè)置扣件、軌枕或預(yù)制板等自適應(yīng)構(gòu)件族。

(5)沿線路走向批量有序裝配軌道部件模型。

軌行區(qū)軌道BIM設(shè)計(jì)流程見(jiàn)圖2。

圖2 軌行區(qū)軌道BIM設(shè)計(jì)流程

2 軌行區(qū)軌道BIM設(shè)計(jì)內(nèi)容

2.1 軌道設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)文件

根據(jù)線路、限界、行車等專業(yè)設(shè)計(jì)資料，整理生成包含線路平面數(shù)據(jù)、縱斷面數(shù)據(jù)、曲線超高值、盾構(gòu)尺寸、限界尺寸、鋪軌地段劃分等相關(guān)信息的軌道設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)文件。

2.2 鋼軌建模

以城市軌道交通中常用的60 kg/m鋼軌為例，根據(jù)實(shí)際橫斷面，以軌頂為原點(diǎn)1(X=0，Y=0)依次選取27個(gè)鋼軌斷面尺寸關(guān)鍵定位點(diǎn)，各個(gè)關(guān)鍵定位點(diǎn)坐標(biāo)見(jiàn)表1。連接所有的點(diǎn)組成一個(gè)閉合的鋼軌斷面(見(jiàn)圖3)。

表1 60 kg/m鋼軌斷面尺寸關(guān)鍵定位點(diǎn)

圖3 60 kg/m鋼軌斷面

由圖3可知，“X=0，Y=0”代表此位置在特定里程剖面正好位于線路上，沒(méi)有偏差。對(duì)于某一特定里程位置，根據(jù)線路中心線、軌道結(jié)構(gòu)高度、確定設(shè)計(jì)軌頂面，再結(jié)合鋼軌軌距，可確定左右鋼軌與線路中心的相對(duì)位置。

按照線路的平面曲線、豎曲線數(shù)據(jù)形成三維空間線路，對(duì)鋼軌斷面進(jìn)行空間放樣，擬合好的鋼軌斷面按規(guī)定的路徑表現(xiàn)，即可完成鋼軌建模。

2.3 參數(shù)化道床橫斷面設(shè)計(jì)

在Revit軟件中，一般采用以下2種方式實(shí)現(xiàn)二維截面輪廓沿規(guī)定路徑建立三維模型。

①放樣：沿規(guī)定路徑表現(xiàn)固定的截面輪廓。

②融合放樣：沿規(guī)定路徑光滑、自然表現(xiàn)變化的截面輪廓[13-14]。

對(duì)于直線地段，沿空間線路放樣即可完成道床建模；對(duì)于曲線地段，由于曲線超高、隧道中心線與線路中心線不一致，需要采用融合放樣的方法建模。可通過(guò)設(shè)置道床長(zhǎng)度、道床縫值實(shí)現(xiàn)道床等間距斷開(kāi)。

以區(qū)間圓形隧道曲線地段直角水溝整體道床為例(見(jiàn)圖4)，對(duì)于某一特定里程位置，可以根據(jù)如下步驟實(shí)現(xiàn)道床橫斷面的參數(shù)化設(shè)計(jì)。

圖4 曲線地段道床橫斷面(單位：mm)

(1)基于垂直盾構(gòu)圓R1最低點(diǎn)PE，繪制隧道中心線；

(2)設(shè)曲線偏移量d=8h/7，h為曲線超高值；

(3)將隧道中心線朝外軌抬高方向偏移d，得到線路中心線；

(4)令線路中心線于限界圓R2的交點(diǎn)為PD；

(5)將點(diǎn)PD垂直向上移軌道結(jié)構(gòu)高度h1，得到設(shè)計(jì)軌頂面點(diǎn)PO；

(6)線路中心線向左右各偏移1/2軌道結(jié)構(gòu)寬度k，得到直線Y1、Y2；

(7)過(guò)PO作線路中心線的垂線X1，向上下各偏移h/2，h為曲線超高值，得到直線X2、X3；

(8)X1再向下偏移水溝深度h2，得到直線X4；

(9)直線X4與直線Y1、Y2、盾構(gòu)圓R1的交點(diǎn)分別為P1、P2、P6、P7；

(10)以PO為圓心，半徑752.5 mm(左、右鋼軌標(biāo)準(zhǔn)軌頂間距1 505 mm)畫圓，分別交直線X2、X3于PB、PC；

(11)連接點(diǎn)PB、PC，將該直線向下平移246 mm(軌面到道床面的高度)得到直線L2；

(12)直線L2與直線Y2交點(diǎn)為P3；

(13)連接點(diǎn)P0、點(diǎn)PA(過(guò)點(diǎn)P0作直線L2的垂線，垂足為點(diǎn)PA)，向右偏移1 050 mm(1/2軌枕長(zhǎng)度)，交直線L2于點(diǎn)P4；

(14)過(guò)點(diǎn)P4，作直線X1的平行線，交直線Y1為點(diǎn)P5；

(15)連接點(diǎn)P1～P7，即和盾構(gòu)圓R1組成該位置的道床橫斷面。

在Revit軟件中，可以設(shè)置一個(gè)滿足建模精度要求的步長(zhǎng)值，每間隔一個(gè)步長(zhǎng)對(duì)應(yīng)一個(gè)特定里程位置，讀取該位置的軌道設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)文件，按照上述方式進(jìn)行參數(shù)化道床橫斷面設(shè)計(jì)。將各個(gè)道床截面沿空間線路進(jìn)行融合放樣，即可實(shí)現(xiàn)全線的道床建模。

2.4 自適應(yīng)構(gòu)件族設(shè)置

在Revit軟件中，根據(jù)實(shí)際尺寸提前建立扣件模型、軌枕模型、預(yù)制板模型，組成軌道構(gòu)件族庫(kù)，建立好的模型見(jiàn)圖5。

圖5 軌道構(gòu)件族模型

由于扣件是直接安裝在軌枕或預(yù)制板上的，為提高建模速率，可將扣件模型和軌枕模型或預(yù)制板模型整合到一個(gè)模型族中，見(jiàn)圖6、圖7。

圖6 扣件-軌枕組合模型

圖7 扣件-預(yù)制板組合模型

為提高不同環(huán)境下同類型構(gòu)件的建模效率，需使用Revit軟件中的自適應(yīng)構(gòu)件，利用自適應(yīng)構(gòu)件可以布置多個(gè)符合用戶定義限制條件的構(gòu)件。

自適應(yīng)點(diǎn)是在設(shè)計(jì)環(huán)境中自適應(yīng)構(gòu)件的修改參照點(diǎn)[15-16]。自適應(yīng)點(diǎn)可用于放置構(gòu)件，按載入構(gòu)件時(shí)的放置順序進(jìn)行編號(hào)。通過(guò)多次拾取建立參數(shù)關(guān)聯(lián)并進(jìn)行偏移，這樣各點(diǎn)基于自適應(yīng)點(diǎn)建立關(guān)聯(lián)約束；移動(dòng)自適應(yīng)點(diǎn)，其參數(shù)關(guān)聯(lián)點(diǎn)也隨之變化。

為實(shí)現(xiàn)扣件-軌枕組合模型或扣件-預(yù)制板組合模型在道床模型中的有序放置，需要將扣件-軌枕組合模型族或扣件-預(yù)制板組合模型族設(shè)置為帶自適應(yīng)點(diǎn)的自適應(yīng)構(gòu)件族[17-21]。

對(duì)于扣件-預(yù)制板自適應(yīng)構(gòu)件族，以線路中心線與設(shè)計(jì)軌頂面的交點(diǎn)為原點(diǎn)建立平面直角坐標(biāo)系，X軸為垂直于線路方向的軸線，Y軸為線路敷設(shè)方向的軸線。在此坐標(biāo)系中取(-1 000，0)放置自適應(yīng)點(diǎn)1，取(1 000，0)放置自適應(yīng)點(diǎn)2，用于控制扣件-預(yù)制板組合模型沿線路方向橫向的超高姿態(tài)(平面曲線)。在此坐標(biāo)系中取(0，1 000)或(0，-1 000)放置自適應(yīng)點(diǎn)3，用于控制扣件-預(yù)制板組合模型沿線路方向縱向的平面姿態(tài)(豎曲線)。

同理，可設(shè)置扣件-軌枕組合自適應(yīng)構(gòu)件族。設(shè)置好自適應(yīng)構(gòu)件族見(jiàn)圖8、圖9。

圖8 扣件-預(yù)制板自適應(yīng)構(gòu)件族(單位：mm)

圖9 扣件-軌枕自適應(yīng)構(gòu)件族(單位：mm)

利用Revit軟件二次開(kāi)發(fā)工具Dynamo插件，每一個(gè)預(yù)制板間距或軌枕間距自動(dòng)拾取一個(gè)斷面。依次讀取并驅(qū)動(dòng)各個(gè)斷面中自適應(yīng)構(gòu)件族的3個(gè)自適應(yīng)點(diǎn)，即可實(shí)現(xiàn)扣件-預(yù)制板自適應(yīng)構(gòu)件族或扣件-軌枕組合自適應(yīng)構(gòu)件族沿三維線路方向的自動(dòng)布設(shè)裝配。

3 軌行區(qū)軌道BIM設(shè)計(jì)應(yīng)用

以廣州市軌道交通22號(hào)線某軌行區(qū)軌道系統(tǒng)BIM設(shè)計(jì)為例，該區(qū)間一般地段采用現(xiàn)澆雙塊式軌枕整體道床，減振地段采用裝配式預(yù)制減振墊浮置板整體道床。

圖10 軌行區(qū)軌道快速建模插件操作界面

在Revit軟件中，加載軌行區(qū)軌道快速建模插件，該插件的操作界面見(jiàn)圖10。根據(jù)該區(qū)間實(shí)際的線路、限界、行車等專業(yè)資料，在插件中依次導(dǎo)入線路平面數(shù)據(jù)、縱斷面數(shù)據(jù)、曲線超高值、減振地段劃分等相關(guān)軌道設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，并設(shè)置模型起、終點(diǎn)里程、軌道結(jié)構(gòu)高度、道床長(zhǎng)度、軌枕間距等相關(guān)參數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)整個(gè)軌行區(qū)內(nèi)各類型軌道部件沿線路走向批量、有序裝配建模。建立好的軌行區(qū)軌道BIM模型見(jiàn)圖11。通過(guò)放大模型視圖比例，可以直觀地反映該區(qū)間一般地段雙塊式軌枕及減振地段預(yù)制浮置板整體道床的布置情況，見(jiàn)圖12。

圖11 廣州地鐵22號(hào)線某軌行區(qū)軌道系統(tǒng)BIM模型

圖12 雙塊式軌枕及預(yù)制浮置板整體道床布置

建立好的軌行區(qū)軌道BIM模型可進(jìn)一步與隧道、橋梁模型進(jìn)行合模，完整的軌道交通BIM模型見(jiàn)圖13。

圖13 軌行區(qū)隧道-軌道BIM模型

4 結(jié)論

(1)利用Revit軟件自身功能和其二次開(kāi)發(fā)工具Dynamo插件，以三維線路為基礎(chǔ)，輔以參數(shù)化道床橫斷面設(shè)計(jì)及自適應(yīng)構(gòu)件族的方式，設(shè)計(jì)出能夠沿線路走向自動(dòng)調(diào)整且各部件批量有序裝配的軌行區(qū)軌道BIM模型，可用于三維設(shè)計(jì)交底并模擬施工工法，提高設(shè)計(jì)工作效率，有效避免二維設(shè)計(jì)中因相對(duì)位置不直觀造成的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。

(2)以廣州市軌道交通22號(hào)線某軌行區(qū)軌道系統(tǒng)BIM設(shè)計(jì)為例，利用該模型可直觀查看鋼軌、扣件、軌枕、預(yù)制板、水溝的空間位置，構(gòu)造尺寸等是否滿足工程要求，并且通過(guò)更新線路數(shù)據(jù)，即可完成對(duì)模型的修改，可直接利用三維模型進(jìn)行軌枕道床等結(jié)構(gòu)斷面出圖，實(shí)現(xiàn)BIM正向設(shè)計(jì)。

(3)軌行區(qū)軌道BIM模型可進(jìn)一步與隧道、橋梁模型進(jìn)行合模，生成完整軌道交通BIM模型，并與其他軌行區(qū)專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)，進(jìn)行碰撞檢查，提示沖突位置，指導(dǎo)專業(yè)接口合理設(shè)計(jì)。