基于Revit的高速鐵路雙塊式無砟軌道BIM設計軟件研究

馬 彎,孫 立,王森榮,張 杰,閆亞飛

(1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063； 2.鐵路軌道安全服役湖北省重點實驗室,武漢 430063)

鐵路BIM設計主要以模型為載體、以信息為核心，通過全專業(yè)全過程之間的協(xié)同設計實現(xiàn)全生命周期信息管理與應用。自鐵路BIM聯(lián)盟成立以來，先后圍繞鐵路BIM基礎標準[1-3]、BIM關鍵技術[4-6]、BIM應用等方面開展系列研究，同時，依托福廈鐵路[7]、京張鐵路[8]、京雄鐵路[9]、牡佳鐵路[10]、西十鐵路[11-12]、川藏鐵路等[13-14]國鐵集團示范工程，推動BIM技術在鐵路場景落地。軌道工程作為高速鐵路的核心技術之一，目前針對試點項目，基于歐特克平臺[15-17]、奔特力平臺[18]、達索平臺[19]能夠初步實現(xiàn)軌道模型的創(chuàng)建，但建模方法、效率與精度仍有待進一步研究和提高。針對高速鐵路雙塊式無砟軌道結構，采用數(shù)據(jù)驅(qū)動的方式，基于Revit軟件探索鐵路工程中軌道BIM技術應用路線，為BIM正向設計的研究提供參考。

1 軌道BIM設計技術路線

鐵路設計是一項系統(tǒng)性工程，需線路、軌道、橋梁、隧道、路基、信號等多個專業(yè)協(xié)同。軌道位于路基、橋梁和隧道等基礎設施上，直接引導列車行駛，高速鐵路雙塊式無砟軌道由鋼軌、扣件、雙塊式軌枕、道床板、底座等組成，如圖1所示。針對軌道結構設計受線型與線下基礎結構影響大、軌道設計施工精度高、部件產(chǎn)品類型多、專業(yè)接口多等特點，根據(jù)專業(yè)接口信息，采用數(shù)據(jù)驅(qū)動的方式開展專業(yè)設計與協(xié)同設計，以商業(yè)軟件作為三維圖形引擎，進行同種類型不同參數(shù)模型創(chuàng)建與組裝，避免模型重復創(chuàng)建，提高BIM設計效率和精度。

圖1 雙塊式軌道結構布置

1.1 技術方案

高速鐵路雙塊式無砟軌道BIM的解決方案主要由兩部分組成，創(chuàng)建軌道構件參數(shù)化模型、以數(shù)據(jù)驅(qū)動的方式沿線路定位與組裝構件模型。

(1)依據(jù)《鐵路工程信息模型分類和編碼標準》[20]，對軌道結構進行分類與編碼。針對道床板、底座等尺寸隨線型、基礎結構變化的零構件，附加類型參數(shù)屬性形成參數(shù)化模型，通過修改長度、寬度、高度、超高角度等參數(shù)，形成同一構件在路基、橋梁、隧道不同線下基礎結構以及直線、曲線不同線型段布置的族模型。

(2)依托《鐵路工程信息模型數(shù)據(jù)存儲標準》[21]和軌道設計數(shù)據(jù)標準，針對軌道工程在平面圓曲線、緩和曲線、直線地段，縱斷面曲線、直線地段以及不同路基、橋梁、隧道基礎結構下的工況進行結構分析、專業(yè)設計和協(xié)同設計，形成軌道BIM數(shù)據(jù)模型，同時，結合參數(shù)化族模型，實現(xiàn)零構件模型沿線路特性的實例化設置，以二次開發(fā)的方式實現(xiàn)雙塊式軌道BIM正向設計。

1.2 開發(fā)環(huán)境及研究方案

為避免線路、路基、橋梁、隧道等專業(yè)變更造成的軌道重復設計，同時盡量減少商業(yè)軟件的影響，以數(shù)據(jù)驅(qū)動的方式，基于“數(shù)據(jù)與模型融合、分離、再融合”的思想構建雙塊式無砟軌道BIM設計軟件，如圖2所示。

圖2 雙塊式無砟軌道BIM設計軟件總體架構

(2)開發(fā)環(huán)境及方案

Autodesk Revit是建筑業(yè)BIM體系中使用較廣泛的軟件之一，用戶多、參數(shù)化能力強、技術較成熟。考慮長大帶狀線型處理功能較差、沿線路平縱斷面進行軌道標準件布置困難、對統(tǒng)一標準件大量應用時處理能力較弱等難點，雙塊式無砟軌道BIM設計軟件采用C#語言開展軌道專業(yè)設計、專業(yè)間協(xié)同設計，設計成果存儲于MySQL數(shù)據(jù)庫中，將Revit軟件作為三維圖形引擎進行二次開發(fā)，形成基于數(shù)據(jù)模型的沿線路不同地段軌道BIM模型。

2 軌道構件模型創(chuàng)建

2.1 軌道構件模型創(chuàng)建方法

軌道構件模型的布置核心在于沿線路的準確定位及曲線超高、線路坡度、方位角的表達，而以Revit軟件作為三維圖形引擎的實施難點在于，軟件中建立的常規(guī)族模型產(chǎn)生的相關約束導致族文件在項目中無法自由移動與旋轉(zhuǎn)，因此，提出兩種方式創(chuàng)建軌道構件模型。

(1)以自適應公制常規(guī)模型作為底座構件的族樣板文件，通過數(shù)據(jù)模型中的起點坐標、終點坐標與自適應點一一對應來表達線路的平面與縱斷面走向；以基于面的公制常規(guī)模型作為鋼軌、軌枕、扣件、凹槽與凸臺、道床板構件的族樣板文件，通過基于已存在的實例面布置構件的方法，即基于底座頂面布置模型，表達線路平面、縱斷面走向及軌道超高；除軌枕、扣件外其余模型均創(chuàng)建為參數(shù)化模型，同時構建參數(shù)之間的邏輯關聯(lián)，如圖3所示。利用Revit產(chǎn)品提供的API類庫實現(xiàn)構件模型與數(shù)據(jù)模型的交互，包含參數(shù)的輸入輸出與變更、自適應常規(guī)模型布置和基于面的公制常規(guī)模型布置。

圖3 構件模型創(chuàng)建方式

(2)以公制常規(guī)模型和基于面的公制常規(guī)模型作為軌道構件模型創(chuàng)建的族樣板文件，創(chuàng)建軌道嵌套族。首先，創(chuàng)建鋼軌、軌枕、扣件、道床板和底座參數(shù)化基礎族模型；然后，在公制常規(guī)模型中創(chuàng)建帶角度的參照平面作為基礎族載入的載體，通過多次嵌套實現(xiàn)構件模型繞X軸、Y軸、Z軸3個方向的歐拉旋轉(zhuǎn)，進而實現(xiàn)構件沿線路平面、縱坡布置和曲線超高的表達。利用Revit產(chǎn)品提供的API類庫參數(shù)的輸入輸出與變更(Parameter接口)、常規(guī)模型布置(FamilyInstance接口)即可實現(xiàn)模型與數(shù)據(jù)交互。

軌道工程構件固定幾何尺寸模型較少，鋼軌、道床、底座等模型均可通過參數(shù)修改實現(xiàn)同類不同參數(shù)模型的創(chuàng)建，因此，采用嵌套族方式軌道族模型，定義實例參數(shù)實現(xiàn)構件數(shù)據(jù)與模型的融合。

和諧理論的核心是一個系統(tǒng)的內(nèi)部各要素之間以及系統(tǒng)與外部環(huán)境之間都是相關的，且存在著一種和諧機制。在現(xiàn)實中，不和諧的狀態(tài)是絕對的，而和諧狀態(tài)則是相對的，因此和諧管理的目標即是使系統(tǒng)從不和諧狀態(tài)向和諧狀態(tài)轉(zhuǎn)變。

2.2 底座模型創(chuàng)建

底座基礎模型由底座體與凹槽兩部分嵌套組成，以鋼軌頂面為坐標原點，設置底座長寬高尺寸、超高、方位角、坡度、偏移值等參數(shù)；凹槽基于底座頂面放置，設置凹槽的尺寸參數(shù)、定位參數(shù)。通過2次基于面的嵌套，同時鎖定實例參數(shù)，實現(xiàn)底座模型在項目文件中的實例化，實例化參數(shù)包含軌道結構組成高度、軌枕間距、凹槽位置、底座尺寸、超高、方位角、坡度、里程，如圖4所示。

圖4 實例化底座模型

2.3 道床板模型創(chuàng)建

道床板模型由道床體與凸臺兩部分嵌套組成，以鋼軌頂面為坐標原點，設置道床長寬高尺寸、超高、方位角、坡度、偏移值等參數(shù)；凸臺基于道床板頂面放置，凸臺尺寸參數(shù)、定位參數(shù)與凹槽保持一致。通過2次基于面的嵌套，同時鎖定實例參數(shù)，實現(xiàn)道床板模型在項目文件中的實例化，實例化參數(shù)包含軌道結構組成高度、軌枕間距、凹槽位置、底座尺寸、超高、方位角、坡度、里程，如圖5所示。

圖5 實例化道床板模型

2.4 軌枕、扣件、鋼軌模型創(chuàng)建

軌枕、扣件等固定幾何尺寸模型不設置參數(shù)，以鋼軌頂面為坐標原點，通過2次基于面的嵌套完成模型創(chuàng)建。

鋼軌模型以鋼軌頂面為坐標原點，設置鋼軌長度、超高、方位角、坡度等參數(shù)。通過2次基于面的嵌套，同時鎖定實例參數(shù)，實現(xiàn)鋼軌模型在項目文件中的實例化。

3 軌道BIM設計

3.1 軌道BIM數(shù)據(jù)模型

(1)超高設計。基于列車通過速度、線路平面曲線半徑和緩和曲線長度等參數(shù)計算上下行線不同超高值對應的欠超高、過超高、超高順坡率、超高時變率，通過與規(guī)范允許值自動對比檢算，推薦超高設置值、限速值，超高設置值允許手動修改。

(2)配板設計。根據(jù)路基、橋梁、隧道段長度值以及輸入的道床板板縫(默認值為100 mm)、軌枕間距(默認值為630 mm)信息，在配板數(shù)據(jù)庫內(nèi)匹配，若無經(jīng)驗對應值，則以道床板板縫、軌枕間距、基礎結構長度、道床板基礎版型長度為既有信息，設置每塊板長、軌枕數(shù)量、軌枕間距調(diào)整的范圍和順序，同時，通過與數(shù)據(jù)庫內(nèi)既有長度對比分析，推薦配板數(shù)據(jù)，配板數(shù)據(jù)值允許手動修改，待確認后存入數(shù)據(jù)庫內(nèi)。

(3)數(shù)據(jù)模型。基于線路平縱斷面信息、路橋隧結構布置、軌道結構設計參數(shù)、超高設計、軌道配板設計以及接口專業(yè)信息、施工實時信息，生成軌道BIM數(shù)據(jù)模型，包含鋼軌頂面、軌枕頂面、道床板與底座各角點的絕對坐標值與相對坐標值、構件的方位角、超高、坡度、道床板配板等，如圖6所示。軌道數(shù)據(jù)模型作為BIM設計成果之一，為BIM模型創(chuàng)建、軌道結構制造與施工現(xiàn)場鋪設奠定數(shù)據(jù)基礎。

圖6 數(shù)據(jù)模型流程

3.2 軌道BIM三維模型

以數(shù)據(jù)驅(qū)動的方式實現(xiàn)構件模型與BIM數(shù)據(jù)模型的融合，通過讀取軌道BIM數(shù)據(jù)模型，調(diào)用、修改構件模型的實例化參數(shù)，進行沿線不同軌道構件的坐標和方向定位、裝配。

(1)設置項目基點。鐵路工程具有長大帶狀的線性工程特點，而Revit軟件自身具有空間界限，當絕對大地坐標系下的經(jīng)緯距值較大時，將導致模型的三維可視化發(fā)生變形，因此，對數(shù)據(jù)模型進行坐標轉(zhuǎn)換，根據(jù)基礎結構段落劃分軌道模型，每段軌道模型以某一固定點經(jīng)緯距(如基礎結構起點經(jīng)緯距)作為基點進行布置，基點設置如圖7所示。

圖7 項目基點設置

(2)軌道BIM數(shù)據(jù)模型與BIM三維模型以固定編碼為接口進行關聯(lián)，實現(xiàn)BIM模型與數(shù)據(jù)模型中屬性信息坡度、方位角、超高、相對坐標、絕對坐標等一一對應，融合為信息模型。

(3)軌道BIM三維模型創(chuàng)建通過調(diào)用參數(shù)化的軌道構件模型，動態(tài)調(diào)整直線、曲線等不同工況下以及路基、橋梁、隧道不同基礎結構下的構件參數(shù)方位角、超高、坡度、里程、基礎結構類型等，實現(xiàn)全線鋼軌、扣件、軌枕、道床板、底座等構件BIM模型的布置。

(4)變更設計。根據(jù)相關專業(yè)變更信息、施工過程前序工程現(xiàn)場實測信息，如橋梁實際長度、梁縫值等，修改對應的線路、路基、橋梁、隧道等參數(shù)，動態(tài)調(diào)整軌道BIM數(shù)據(jù)模型及BIM三維模型，實現(xiàn)BIM成果的更新。

4 實際工程應用

以福廈高鐵為試點進行BIM設計應用，正線軌道采用CRTS雙塊式無砟軌道結構，主要由60 kg/m鋼軌、WJ-8B扣件、SK-2型雙塊式軌枕、道床板、底座組成。首先，以沿線路左側鋼軌頂面為基準創(chuàng)建鋼軌、扣件、軌枕、道床板、底座、鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器、道岔等構件的參數(shù)化模型；其次，依次輸入福廈鐵路線路平面參數(shù)、縱斷面參數(shù)、斷鏈參數(shù)、橋表、隧表，進行軌道配板設計、超高設計等，一鍵式生成福廈高鐵軌道數(shù)據(jù)模型，如圖8、圖9所示；最后，通過選擇段落布置相應地段的軌道BIM模型，如圖10所示。

圖8 福廈鐵路線路信息

圖9 橋梁地段軌道BIM數(shù)據(jù)模型

圖10 橋梁地段軌道BIM三維模型

本項目實施過程采用數(shù)據(jù)驅(qū)動的方式，接口信息一經(jīng)輸入后可自動開展配板設計、超高設計、數(shù)據(jù)模型設計和BIM模型創(chuàng)建，專業(yè)間變更、協(xié)調(diào)對接可通過軟件提醒、數(shù)據(jù)更新自動完成BIM設計的更新，較傳統(tǒng)設計和模型創(chuàng)建減少40%時間，同時，BIM數(shù)據(jù)模型與三維模型能夠根據(jù)施工過程相關接口專業(yè)的實測數(shù)據(jù)進行實時更新，進而指導軌道工程數(shù)字化、信息化和智能化鋪設施工，有效促進軌道建設效率和質(zhì)量。

5 結論

結合雙塊式無砟軌道設計特點，圍繞直線、緩和曲線、圓曲線等不同線型工況與路基、橋梁、隧道不同基礎結構工況，探索研發(fā)了基于Revit軟件二次開發(fā)的雙塊式無砟軌道BIM設計軟件，主要結論如下。

(1)研發(fā)的雙塊式無砟軌道BIM設計軟件符合軌道專業(yè)設計與接口設計，可實現(xiàn)軌道工程專業(yè)設計與協(xié)同設計，能夠形成BIM數(shù)據(jù)模型及三維可視化模型。

(2)通過構建參數(shù)化嵌套族的方式，實現(xiàn)了軌道鋼軌、扣件、軌枕、道床板、底座等構件模型沿線路的準確定位及曲線超高、線路坡度、方位角的表達。

(3)雙塊式無砟軌道BIM設計過程以數(shù)據(jù)為核心，結合參數(shù)化構件模型的創(chuàng)建、調(diào)用與參數(shù)修改，基于數(shù)據(jù)模型可快速形成軌道BIM模型，減少了BIM設計過程中對商業(yè)平臺的依賴，提高了模型的精度，并為后期施工、運維管理提供數(shù)據(jù)與模型支撐。

(4)研究成果在福廈高鐵中進行實踐應用，通過輸入不同專業(yè)的信息自動形成軌道BIM模型，能夠根據(jù)專業(yè)信息的變更快速更新軌道模型，初步實現(xiàn)了雙塊式無砟軌道BIM正向設計。