鐵路路基排水BIM設計方法研究

■ 孔國梁 蘇林 李頂峰

鐵路路基排水BIM設計方法研究

■ 孔國梁 蘇林 李頂峰

基于BIM技術開展鐵路路基排水設計是深化和優化設計的需要。重點闡述在AutoCAD平臺基于數字地面模型和實體反應器技術，實現多視口、平面交互式、縱斷面自動化設計的排水平縱聯動協同設計；在達索系統基于參數化模板，創建附加IFC分類和屬性信息的排水BIM模型。研究結果表明，通過AutoCAD和達索軟件接力完成鐵路路基排水BIM設計，降低了開發難度，操作方便，自動化程度高，有助于深化排水設計，提高排水的系統性、直觀性和信息化，具有推廣應用價值。

鐵路；路基；排水；BIM；協同設計

0 引言

當前，BIM作為推進鐵路工程建設信息化的主要技術支撐，其價值和重要性已得到行業的持續關注和普遍認可，推廣應用BIM技術已成為建設數字化鐵路的必然選擇。目前鐵路路基排水二維設計一般采用斷面法，先在路基橫斷面兩側設置水溝，再結合平面地形確定排水流向，逐個斷面檢查并調整水溝高程及橫向位置，完成水溝的橫斷面和平面設計。斷面法排水設計對斷面間的排水關注不夠或根本沒有體現，而在排水BIM設計中，依托三維地形曲面和影像數據，生成的三維排水溝模型跟地形、路基、橋梁、涵洞、隧道等模型相互集成融合，排水設計成果的系統性和直觀性顯著增強，并且創建的BIM模型附加了屬性信息，據此進行的工程數量計算也更加精確。

在達索系統下開展BIM設計，一般先進行用于定位的點、線、面、坐標系等骨架設計，再通過參數化模板的實例化生成BIM模型。而在達索系統下要直接進行排水溝的平縱斷面骨架線設計，開發的難度、周期和工作量都很大，可通過AutoCAD二次開發技術，基于數字地面模型、地面影像、路基、橋梁、隧道等專業模型，先快速完成排水平縱斷面骨架線設計，再導入達索系統進行三維建模，進行三維展示和合理性檢查，最終高效地完成排水BIM設計。

1 基于ObjectARX的排水平縱協同設計

ObjectARX是AutoCAD新一代的二次開發工具，能夠以C++/C#為基礎，面向對象的開發環境和應用程序接口，真正快速地訪問AutoCAD圖形數據庫，且以動態鏈接庫的形式簡潔高效地實現許多復雜的功能［1］。在此首先探討在VS2008平臺上采用ObjectARX2010軟件包，實現排水溝溝底空間曲線的平縱協同設計方法。

1.1 創建數模、視口，導入路橋隧模型和地面影像

利用測繪專業采集并進行分類處理后的雷達點云數據，構建數字地面模型，按照種類不同，可分為Delaunay三角網和方格網數模。在進行排水設計之初，完成數模的初始化，并常駐內存，保證設計期間可以重復使用數模計算地面高程，直至退出CAD程序時，清理數模對象。

在CAD中創建2個視口作為路基排水設計的平縱視口，平面視口在上方，顯示鐵路路基排水的平面自定義實體；縱斷面視口在下方，顯示鐵路路基排水的縱斷面自定義實體；平縱視口的大小比例可由用戶自定義調整。

將達索系統下創建的路基、橋梁、隧道模型連同地面影像的俯視圖片插入CAD圖，勾繪路基邊坡和隧道洞口刷坡的邊界線，按照排水設計一般原則，天溝邊緣至塹頂距離不宜小于5 m，排水溝邊緣至坡腳距離不宜小于2 m，并結合地面坡度走向，設計排水溝的初始平面位置。濟青高鐵青陽隧道洞口排水平縱協同設計見圖1。

圖1 濟青高鐵青陽隧道洞口排水平縱協同設計

1.2 排水平面交互式設計

基于ObjectARX進行CAD二次開發時，常用到字典來管理數據庫對象，自定義實體技術創建定制多種屬性和方法的設計模型，夾點拖動技術進行模型的交互式編輯。

字典是AutoCAD的一種容器對象，用于組織和管理數據庫實體對象。在排水設計中，通過派生構建自定義字典，包括各條水溝平面、當前水溝平面、各條水溝縱斷面、當前水溝縱斷面的實體對象編碼。

自定義實體是ARX為開發者提供的具有圖形表現的定制數據庫對象類，一般由AcDbEntity類派生，開發者一般需要重載繪制、炸碎、夾點拖動等關鍵函數。創建排水平面自定義實體，是在平面視口中逐個添加水溝平面交點，創建由直線段和圓弧組成的平面水溝溝底中心線，曲線半徑采用不小于溝底寬度的10倍，且不小于5 m。

將排水溝平面交點、夾直線中點作為水溝平面交互式編輯的夾點，通過夾點拖動修改排水溝平面位置。此外，還包含了排水溝平面模型的拆分、連接、倒置等編輯功能。

1.3 排水縱斷面自動化設計

通過自動更新地面線、坡度自動模擬和順坡等手段，必要時輔以少量的交互式調整，基本上實現了縱斷面的自動化設計。

地面線自動更新是根據平面位置調整，利用數模重新計算并繪制排水溝縱斷面地面線。

坡度自動模擬是基于最小二乘法原理，對地面線進行直線模擬并進行分坡處理［2］，縱斷面自定義實體繪制時按照坡度向上和向下，采用不同的顏色繪制坡長、坡度及坡段線，并標注坡段上指定間隔位置處的填挖量，便于直觀地檢查水溝溝底高程是否滿足順坡要求。

自動順坡是選擇一段水溝的最高點，進行單面坡或人字坡排水設計，可以減少手動調坡的工作量。最后通過少量的交互式調整，如插入、刪除、移動變坡點，使排水縱斷面在滿足順坡要求的前提下與地面線更加貼合。排水縱斷面見圖2。

圖2 排水縱斷面圖

1.4 排水平縱協同設計

應用ObjectARX反應器技術，實現排水平縱斷面實體按里程同步顯示、平縱斷面實體間的及時協同更新功能。ARX提供了一系列反應器類（Reactor）來監視不同類型的事件或者消息［3］。在排水平縱協同設計中，使用最多的2種反應器是編輯器反應器和數據庫反應器。

編輯器反應器由AcEditorReactor類派生，用來監視AutoCAD命令。在排水設計中，通過重載該類的viewChanged（）函數，可以實現在平面視口中，鼠標中鍵移動（pan命令）查看水溝平面時，觸發該函數，計算鼠標所在位置對應的平面里程，進而在縱斷面視口中將該里程的水溝縱斷面顯示到縱斷面視口中央；反之，移動查看縱斷面，也可以按里程同步顯示對應位置的水溝平面。

數據庫反應器由AcDbDatabaseReactor類派生，用來監視數據庫對象的創建、修改或刪除。在排水設計中，通過重載該類的objectAppended（）、objectModified（）、objectErased（）等關鍵函數，實現水溝平面創建、修改，刪除時自動創建、修改、刪除對應的縱斷面。

1.5 成果導入達索系統

根據排水平縱斷面設計成果及標準溝深，按1 m的間隔計算排水溝溝底空間曲線坐標，在CAD里生成三維多段線，為了滿足達索系統下水溝截面按此空間曲線掃掠成體的要求，在CAD里把該三維多段線轉換成三維樣條曲線。

另外，為了避免達索系統下因輸入三維地形曲面造成水溝實例化緩慢，計算每米水溝斷面上水溝兩側與地面的交點，形成水溝兩側與地面相交的2條三維多段線。

最后將每條水溝的溝底中心三維樣條曲線、水溝兩側與地面的2條交線，通過高版本的CAD軟件（如CAD2015）或Microstation軟件，輸出igs格式的文件，即可導入達索系統。

2 基于達索系統創建排水溝BIM模型

在達索系統內創建排水溝BIM模型，首先要結合鐵路BIM技術標準研究最新成果，完成排水IFC標準在達索系統的部署，然后創建參數化的排水設計模板，最后通過模板實例化完成排水溝BIM模型的創建。

2.1 排水IFC標準的應用根據鐵路管線系統IFC標準的最新研究成果［4］，使用IfcDistributionSystem表達各種類型的排水溝構成的排水系統，預定義類型屬性取值為“STORMWATER”，屬性集為“Pset_DS_ DrainageDitchCommon”。使用IfcPipeSegment表達整個排水系統中的一段排水溝、槽、管，預定義類型屬性取值為“GUTTER”，屬性集為“Pset_PS_DitchSegmentCommon”［5］。在達索系統Enovia平臺上通過定義擴展類型的方式，完成IFC分類和屬性集在達索系統的部署，為應用和驗證排水IFC標準創造了前提條件。

2.2 排水溝參數化模板的創建

創建功能強大的參數化模板，并不斷積累豐富形成模板庫，實現專業設計功能，是達索系統BIM設計的主要特色。創建并優化后的等截面排水溝模板IFC分類為IfcPipeSegment，屬性集為“Pset_PS_ DitchSegmentCommon”，輸入元素為溝底空間曲線和兩側地面交線，輸入參數包括水溝底寬、溝深、底厚、壁厚等，輸出為水溝截面沿溝底空間線掃掠形成的水溝本體、水溝兩側延伸到地面的曲面、水溝本體的體積、水溝挖土方體積等，并對輸出成果進行顏色配置（見圖3）。

圖3 排水溝模板截面、參數及輸出成果

不同截面之間的排水溝相連時，應設置溝底寬度漸變率為1/20的過渡段，該段排水溝采用變截面排水溝模板，創建方法與等截面排水溝模板類似，不同之處在于輸入截面參數為起終點2個截面的參數，水溝本體為變截面掃掠。

3 BIM試點項目排水設計案例

應用上述方法，先后在京沈客專、濟青高鐵、陽大鐵路BIM試點項目中，進行了排水BIM設計，部分成果見圖4—圖7。

在實現路基排水BIM設計的主體部分后，還應對排水末端的消能設施，排水溝的交匯，排水溝與涵洞、路塹側溝的銜接等建模問題，開展進一步研究。

圖4 京沈客專路基及橋下排水

4 結束語

采用CAD二次開發實現排水平縱聯動協同設計，再將成果導入達索系統，創建排水BIM模型的方法，通過實際項目應用驗證，其自動化程度高，成功實現了鐵路路基排水BIM設計的整體解決方案，深化了排水設計成果，提高了排水的系統性、直觀性和信息化水平，對開展排水設計協調性檢查和推動BIM技術在施工中的應用具有重要價值。

圖5 京沈客專含過渡段排水

圖6 濟青高鐵青陽隧道洞口排水

圖7 陽大鐵路隧道路基及橋下排水

［1］ 江思敏，曹默，胡春江. AutoCAD2000開發工具［M］. 北京：人民郵電出版社，1999.

［2］ 孔國梁，李頂峰. 鐵路縱斷面自動設計與優化方法研究［J］. 鐵道工程學報，2012（12）：40-44.

［3］ 趙清清，王建勇. ARX反應器智能管理技術在BIM施工圖中的應用［J］. 土木建筑工程信息技術，2013（12）：111-114.

［4］ 鐵路BIM聯盟. 鐵路工程信息模型數據存儲標準：1.0版［J］. 鐵路技術創新，2016（1）：123-124.

［5］ 楊緒坤，毛寧. 基于IFC4的鐵路管線系統數據存儲標準研究［J］. 鐵路技術創新，2015（6）：28-33.

孔國梁：鐵道第三勘察設計院集團有限公司，高級工程師，天津，300251
蘇 林：鐵道第三勘察設計院集團有限公司，高級工程師，天津，300251
李頂峰：鐵道第三勘察設計院集團有限公司，高級工程師，天津，300251

責任編輯 盧敏

U212.38；TP319

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1672-061X（2016）03-0042-04