基于BIM的城市軌道交通配線設計方法

樊美斌

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

引言

近年來，軌道交通設計信息化水平得到大幅提升，特別是以三維數字技術為基礎的建筑信息模型(Building Information Modelling，BIM)，可形象直觀地開展三維設計與分析，能承載設計、施工、運營整個生命周期工程信息，進行各類分析、仿真，現已成為軌道交通設計信息化的重要發展方向[1]。

軌道交通工程體系龐大，包括線路、橋梁、隧道、路基、站場、四電等相關專業。學術界與工程界針對不同專業構筑物的特點，分別開展了大量的技術與應用研究。趙月悅[2]建立了一整套高速鐵路橋梁構件庫，實現了標準橋梁的BIM精細快速建模，對特殊復雜橋梁開展BIM正向設計，并基于BIM技術進行結構分析、方案優化、出圖算量。隧道BIM技術也開展了廣泛研究[3]，曹建濤[4]提出了基于參數化建模的隧道BIM正向設計流程和方法；張文勝[5]將點云與BIM技術相結合，形成了一套新的隧道線路布設和結構設計方法。路基方面，薛宇騰[6]針對連續線狀路基體和不連續擋墻等構筑物，分別提出了基于網格和參數化的BIM三維建模方法；靳猛[7]探索了一整套鐵路路基BIM正向設計技術。站場方面，馬彎[8]提出了基于BIM的鐵路中間站三維設計方法；劉沛[9]基于BIM技術開展了鐵路車輛站場場坪三維設計關鍵技術研究；卞友艷[10]探索了站場路基多專業協同設計解決方案。在四電領域，大量學者深入研究了基于BIM的設備、管線三維布置及碰撞檢測技術[11]。國內各大設計院已開始綜合運用各專業的BIM研究成果完成整條鐵路設計[12-13]。

與橋梁、隧道、路基、站場、四電等具體工點不同，線路專業的設計任務是確定整條鐵路的三維空間位置及布設路橋隧站等工點。因此，線路BIM研究重點是如何表達設計中的三維線位與周圍復雜環境的空間關系，線路-橋梁-隧道-路基-站場是否協調匹配。現有線路BIM研究也主要集中在：基于3D、GIS、BIM等技術構建形象直觀的三維選線環境[14-17]，以及如何根據三維空間線形快速自動建立涵蓋橋梁、隧道、路基、站場等構筑物的BIM鐵路概略模型[18-21]。但目前這些研究尚無法實現長大線路方案的實時建模更新，因此未廣泛應用。Autodesk公司Civil3D，Bentley旗下Open Road/Rail Designer，西安緯地HintBIM在一定程度上實現了線路的BIM化設計，但這些軟件主要面向公路線路設計或由公路線路設計軟件改造而來，不太符合軌道交通線路設計模式和流程，使用較為繁瑣不便。

配線是城市軌道交通線路中除正線外，為空載列車提供折返、停放、檢查、轉線及出入段作業的線路。合理的配線設計對地鐵功能更優實性有重要影響[22-23]，對保證整個城市軌道交通的最大通過能力、節約設備費用、降低運營成本都有著重要意義。目前，尚無面向軌道交通配線設計的BIM軟件系統，因此，亟需開展配線BIM設計方法研究與系統開發。

1 軌道交通配線BIM數據模型

1.1 軌道交通配線特征

BIM的基礎是定義科學的數據模型對構筑物或設備的工程信息進行準確刻畫。開展基于BIM配線設計，首先需確定設計階段刻畫配線所需的工程信息。配線從功能上可分為：一般單渡線、交叉渡線、單折返線、雙折返線、存車線、縮短單渡線、越行線、車輛基地出入線、聯絡線、支線與主線接軌配線、安全線等，種類繁多、形式多變。本研究通過對大量軌道交通配線分析總結，發現配線設計具有模塊化和多樣化的特征。

模塊化：配線中的一般單渡線、交叉渡線、單折返線、雙折返線、存車線、縮短單渡線、越行線通常是由道岔、直線股道、圓曲線股道、車擋等單元按照固定模式組合而成。不同的設計方案主要是道岔號數、直股長度、圓曲線股道半徑等參數存在差異。對于此類配線設計需求，適合定制一系列BIM標準模塊，通過改變參數，便捷地完成配線設計。

多樣化：雖然很多配線可表示成帶參數的標準模塊。但由于工程實踐中會面臨各種不同的需求，這些配線又充滿了變化，需對標準模塊化配線形式進行必要調整。因此，在模塊化基礎上配線BIM設計還需具備足夠的靈活性，以應對多樣化需求。

為滿足配線模塊化和多樣化設計需求，鐘晶[23]提出了模塊法與單元法相結合的設計模式。本文借鑒該思想，研究了新的配線BIM設計方法。通過對大量配線方案的系統分析、聚類、提煉，認為應當將配線先分解為道岔、直股、曲股、車擋等基本單元；然后，定義各類單元的數據模型；再通過關聯約束模型將各單元組合成完整配線，并處理相互間的約束關系。基于該思路，建立軌道交通配線BIM數據模型，包括配線單元刻畫模型和單元間關聯約束模型。

1.2 配線單元刻畫模型

所有的配線本質是由一系列配線單元(道岔、直線股道、圓曲線股道、緩和曲線股道、車擋)按照一定約束條件相互連接組合而成。因此，對配線設計信息進行描述，首先應對各單元進行準確刻畫。本研究定義了一個通用的8元組數據結構，對各類配線單元進行描述，見表1。該8元組可定義成數組，在后續BIM配線設計軟件開發中，只需一個二維數組就可以描述出整個配線所有組成單元的信息。

表1 配線各類單元8元組數據結構

1.3 單元間關聯約束模型

上述單元刻畫模型可描述出配線各組成單元的設計階段屬性，但無法刻畫出各單元之間的關聯約束關系。配線中各單元間的復雜關聯關系可分解為兩兩單元之間的關系，通過對各類配線方案分析，可聚類為：引出、接入、前銜、后接4類。下面以某典型存車線為例進行介紹，如圖1所示。

圖1 某典型存車線

引出、接入：道岔A、D分別從正線左線和右線引出；道岔H、F分別接入正線左線與右線。此時存在的約束條件為：道岔A/D的岔心點必須位于左/右線上，且道岔的正向方向必須與左/右線一致。接入的約束條件類似。

前銜、后接：道岔A從正線左線引出后，后面布置了一段直線股道，該直線股道之后又布置了道岔B，此時直股與道岔A為前銜關系，與道岔B為后接關系。對于前銜關系，當前單元起點坐標必須與其前銜單元終點坐標一致，且切線方位角相同；后接則是終點坐標與后接單元起點一致，切線方位角相同。

基于上述分析，可為整個配線添加一個列表S，記錄下每個單元的ID；并為每個單元添加一個如下的4元組數據，便可刻畫出配線內所有單元之間的復雜關系。

R={TF，IDF，TB，IDB}

(1)

式中，TF為前端關系類型，包括引出、前銜；IDF為前端關聯單元的ID；TB為后端關系類型，包括接入、后接；IDB為后端關聯單元的ID。

通過上述配線單元刻畫模型與關聯約束模型，可以描述出各類復雜配線，為配線BIM設計奠定基礎。

2 軌道交通配線BIM設計方法

在建立了軌道交通配線BIM的數據模型后，需研究符合設計人員習慣的BIM設計方法。前已述及，配線具有模塊化與多樣化特征，針對模塊化適合定制一系列BIM標準模塊，通過改變參數，便捷地完成配線設計。針對多樣化則可開發自由拼接各類型單元的設計工具實現。

2.1 軌道交通配線模塊定制

本研究通過對大量設計案例的系統分析，將常用配線聚類為如圖2～圖8的7大類14小類配線標準模塊，并定義了各類配線參數。設計人員僅需拾取2條正線，給定配線參數，即可由系統自動完成復雜計算，形成配線的BIM數據，生成整個配線。

圖2 一般單渡線

圖3 交叉渡線

圖4 縮短渡線

圖5 單折返線

圖6 雙折返線

圖7 存車線

圖8 越行線

2.2 軌道交通配線模塊法計算

選定模塊類型，給定模塊參數后，如何計算出配線中各單元數據，并建立單元間關聯約束關系，是實現配線BIM設計的核心算法。以單折返線為例介紹。

圖9為本文定制的單折返線模塊法參數設置界面，單折返線參數計算示意如圖10所示。設計人員拾取兩正線后，自動計算雙線線間距s；然后輸入參數，中間平行直股到右線間距d，岔心到車擋距離L1，左右線引出點里程差L2，引出曲線半徑R1，車擋長度c，以及道岔參數；再指定該配線是順/逆線路里程增加方向布設，曲線從左/右線引出。各單元數據計算如下。

圖9 單折返線模塊法設計對話框

圖10 單折返線參數計算示意

已知正線的方位角α，可通過岔號n計算轍叉角β

(2)

獲取單折返線插入點①處線路里程，通過里程轉坐標函數，求得點①的全局坐標(x1，y1)。根據點①的全局坐標值與線間距s，線路方位角α，可求得輔助點②的全局坐標(x2，y2)。

x2=x1-s×sinα

y2=y1-s×cosα

(3)

根據點②全局坐標，距離L2和線路方位角α，可求得點③的全局坐標(x3，y3)。

x3=x2+L2×cosα

y3=y2+L2×sinα

(4)

根據點③的坐標與距離d，轍叉角β，方位角α，求得點④的全局坐標(x4,y4)。

p=(s-d)/sinα

(5)

x4=x3+p×cos(α-β)

y4=y3+p×sin(α-β)

(6)

式中，p為點③、點④間直線距離。

根據點④的坐標，方位角α及距離L1，可求得點⑤的全局坐標(x5，y5)。

x5=x4+L1×cosα

y5=y4+L1×sinα

(7)

圓曲線段的求解，需先求出交點⑥的全局坐標，并以此為基準，根據傳入的曲線半徑參數R1，計算圓曲線端點坐標。首先，根據點①坐標及線路方位角α，距離d，求得點⑥的全局坐標。

x6=x1+(d/sinβ)×cos(α+β)

y6=y1+(d/sinβ)×sin(α+β)

(8)

求出上述點后，可按下式計算圓曲線的圓心(xO，yO)、起點(xS，yS)、終點(xE，yE)。

xO=x6+R1/cos(β/2)×cos(π/2-α-β/2)

yO=y6-R1/cos(β/2)×sin(π/2-α-β/2)

(9)

xS=xO-R1×cos(π/2-α-β)

yS=yO+R1×sin(π/2-α-β)

(10)

xE=xO-R1×sinα

yE=yO+R1×cosα

(11)

至此，單折返線配線中所有單元的自身刻畫信息計算完成。在此基礎上，只需加上各單元之間固定的關聯約束數據，即可形成單折返線的線路設計階段BIM數據模型。

2.3 軌道交通配線積木法設計

上述模塊法設計可滿足大部分常用配線的設計需求。針對實際工程中多樣化的其他配線，可采用積木法靈活設計。所謂積木法就是把道岔、直股、曲股、車擋等單元視為一個個積木，設計人員可自由地通過各類積木的搭建組合成任意類型的配線。由于本研究建立了各單元的刻畫模型和單元間的關聯約束模型，可以十分方便地完成積木法設計。用戶在前臺對各類單元修改，只需更新各單元自身的刻畫數據；用戶在進行積木的拼接過程中，只需對應更新單元關聯約束關系即可。且關聯約束模型可在設計過程中實時檢測和維護單元間的關系，確保在調整配線中每個單元時，相關單元準確、自動更新。

3 配線BIM設計系統開發

在解決上述配線BIM數據模型和關鍵算法的基礎上，開發了配線BIM設計系統，對開發過程中的一些關鍵技術進行論述。

3.1 開發平臺的選擇

BIM平臺目前使用最廣泛的有Autodesk公司旗下的Revit，法國Dassault公司旗下的CATIA和Bentley公司旗下的OpenRail Designer。Revit主要面向建筑設計、結構設計以及暖通、電氣、給排水等工程設計，具有開放靈活的接口供用戶使用和二次開發。CATIA軟件的優勢在于其強大的曲面設計功能，軟件交互操作簡便，模塊的全相關性大大縮短了建模周期，多應用于航空航天、汽車輪船等復雜曲面高精度建模需求行業。上述兩平臺建模精度高，適用于精細化程度較高的專業，但這些軟件對長大線域工程的處理能力不足，難以滿足動輒數十成百上千公里的線路專業BIM設計的需求。配線需從正線引出接入，必須與線路設計同BIM平臺，因此，上述平臺不太適合。OpenRail Designer是Bentley公司開發的面向鐵路線路設計的BIM系統，底層SDK已具備了一定的線路設計功能，且對大場景的處理能力較強，因此，在OpenRail Designer平臺上進行二次開發。

3.2 基于命名組的配線各單元關聯組合方法

OpenRail Designer可直接生成直線、曲線股道等配線單元，但其本身并未考慮配線設計功能，需開發者自己將各類單元組合，定制出配線實體。本研究采用命名組技術實現該功能。

命名組是Bentley旗下軟件二次開發中經常涉及的底層類，類中的函數可實現豐富的功能。常用功能有，若將幾個單元或線元添加到同一命名組中，激活命名組后，只要選中其中一個單元或線元，即可選中整個命名組并對整體進行操作。取消激活后可對各單元單獨操作。命名組的優勢在于，既保留了原始單元或線元信息又能在有需求時將其融為一體，十分適合配線這類由各類基本單元組合而成的實體設計。基于命名組技術，設計人員只需輸入配線的各類參數，程序便可基于本研究建立的配線BIM數據模型和算法得出各個單元數據，轉換為OpenRail Designer內部的元素；然后，將這些元素添加到泛型數組；再調用創建命名組函數CreateNamedGroup為泛型數組中的元素創建命名組，并將該命名組添加到模型空間中，實現對單折返線配線單元的整體插入，同時可將單元間的關聯約束數據存入。由于所有單元構成了一個可分可合的整體，后續的拾取、編輯、刷新、刪除、分解操作均易于實現。

3.3 配線BIM三維自動建模

三維可視化是BIM的重要特征，本研究開發的BIM配線設計系統具有二維和三維2種形態，設計人員可根據需要切換或同時顯示。三維模型可隨配線參數快速生成，具體流程如下。

(1)在系統內預設道岔、軌枕、扣件三維模型和不同類型的鋼軌截面。

(2)根據用戶輸入的配線設計參數計算軌道三維空間中線、道岔、車擋的空間位置。

(3)沿軌道三維空間中線放樣2條鋼軌截面，并以共享單元的方式按間距布置軌枕、扣件三維模型。

(4)根據計算出的道岔、車擋空間位置放置相應三維模型。

(5)將各類模型整合，形成完整的配線三維模型。

最終生成的三維配線模型如圖11、圖12所示。

圖11 越行線BIM三維模型

圖12 雙折返線BIM三維模型

3.4 系統開發與應用

基于上述模型與方法，課題組采用C號、C++、OpenRail Designer SDK等工具，基于Visual Studio 2017和Bentley平臺，開發了城市軌道交通配線設計系統，系統菜單如圖13所示。

車站模塊提供了車站的新建、導入、編輯功能；線路平面設計模塊提供了各種常用的線形單元設計及便利的連接功能，實現積木法配線設計；平面模塊法部分可實現各種配線的參數化設計；此外，本系統還提供了配線縱斷面設計、配線示意圖輸出等功能。該系統已在南昌、武漢、蘇州等多地軌道交通線路中應用。

圖13 配線BIM設計系統主要功能菜單

首先，該設計系統將傳統二維配線布置提升為“所見及所設”的三維BIM設計，有利于方案展示匯報，及時發現設計不足，便于跨專業交流溝通；其次，在沒有專門的配線BIM設計系統前，只能通過繁瑣的分段建模完成整個配線的BIM設計，一旦配線參數發生改變，可能需全部重做。采用該系統后，只需直接修改設計參數或相關單元，便可數秒內自動完成整個配線BIM模型的更新；最后，由于該配線BIM模型中記錄并管理了所有設計參數，可與相關專業的軟件系統建立無縫銜接，避免和減少互提資料的錯漏缺問題，提高多專業數據互用效率。總體而言，本配線BIM設計系統相比于傳統方法，在配線設計、建模速度、方案展示、專業互提資料等方面綜合效率提升約20%。

4 結語

針對城市軌道交通配線BIM設計方法開展研究，主要取得了以下成果。

(1)建立了配線BIM數據模型，包括刻畫道岔、車擋、直線股道、曲線股道等各單元自身設計信息的單元數據模型和描述單元間關聯約束的單元關系模型。

(2)定制了一系列配線BIM標準化模塊，研制了各模塊中所有單元數據的計算方法，結合配線數據模型，建立了模塊法和積木法2類快速便捷的配線設計模式，以及配線BIM三維自動建模方法。

(3)在OpenRail Designer平臺上研發了軌道交通BIM配線設計系統，相比于傳統方法在配線設計、建模速度、方案展示、專業互提資料等方面綜合效率提升約20%。