基于ORD 平臺的鐵路線路BIM 快速建模

陳 勇，熊佳興

（中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031）

1 鐵路構筑物BIM 快速建立技術

鐵路選線設計作為鐵路建設的先行和基礎，是一項總攬全局的核心工作。鐵路線路在三維空間中以多段線表示，結合三維GIS 環境可直觀的展現線路沿線地理、地質信息與線路的相對關系，而鐵路實體最終是以線路沿線的路基、橋梁、隧道等鐵路構筑物表征，因此在線位比選過程中如能直觀地查看鐵路沿線構筑物與環境的關系，對線路方案的確定大有裨益[1]。為能在設計線路時能直觀展示鐵路沿線路基、橋梁、隧道等構筑物，可采用BIM+GIS 的方式呈現鐵路BIM 構筑物模型與環境的相對位置，由于鐵路線路長、構筑物多，在定線過程中需要一種具有參數化、快速、人工干預少的BIM 模型建立方式，且在建立BIM 模型時僅需處理與環境的銜接和相對位置關系，無須處理鐵路構筑物內部的復雜結構。因此，本文開展了鐵路構筑物BIM 模型快速建立技術研究[2]。

1.1 路基BIM 快速建立技術

路基工程包含路堤、路塹、地基處理、擋土墻、邊坡防護、排水等工程，選線階段的BIM 構筑物模型應盡量簡化[3]，只建立路基BIM 時采用簡化路堤和路塹模型[4]。路堤和路塹BIM 建立時，為反映與周圍環境的關系，著重處理BIM 與地形銜接問題，其建模思路以參數化路基斷面為基礎，利用斷面在線路上的具體位置，結合三維地形模型形成實際三維空間中的路基斷面，通過相鄰路基斷面形成路基本體模型，具體步驟如圖1 所示。

圖1 路基快速建模流程

首先確定路基的開始與結束里程，并根據地形情況確定路基斷面間隔大小，從而確定所有路基斷面的空間位置。在地形變化較小時，可降低精度把路基斷面間隔加大以降低模型大小。在地形變化較大時，為提高與地面銜接處理精度和路基BIM 模型精度，則可適當加密路基斷面。依據路基斷面參數，形成每個路基斷面的路基表層斷面模型再形成分段路基體。連接相鄰路基斷面的路肩點形成路肩線，并結合地形判斷路肩線位置在地形上或下。若路肩線在地形上，則利用路堤邊坡坡度參數與路肩線向下對地形進行放坡計算，并用地形交線、路肩線、路基斷面、路肩放坡線形成路堤Mesh 幾何模型。若路肩線在地形下，則利用路堤邊坡坡度參數與路肩線向上對地形進行放坡計算，并用地形交線、路肩線、路基斷面、路肩放坡線形成路塹Mesh幾何模型。最后采用Mesh 布爾操作，將各分段路基體融合形成整段路基幾何模型，并附加路基位置與路基斷面參數等信息，構成路基BIM。路基快速建模模型如圖2 所示。

圖2 路基快速建模模型

1.2 橋梁BIM 快速建立技術

橋梁類型包含簡支梁橋、連續梁橋、斜拉橋、懸索橋、鋼拱橋等，選線階段的構筑物BIM 應盡量簡化[5]，采用簡支梁橋形式建立橋梁BIM。簡支梁模型建立時，為反映與周圍環境的關系，著重處理橋臺、橋墩與地形銜接，簡支梁梁布跨等問題，其建模思路主要是先計算簡支梁布置數據，在依據數據進行橋臺、橋墩位置計算，通過參數化橋臺與橋墩模型處理與地形的相交關系，最后對橋墩進行布梁完成橋梁BIM。橋梁快速建模流程如圖3 所示。橋梁快速建模信息初始化如圖4 所示。

圖3 橋梁快速建模流程

圖4 橋梁快速建模信息初始化

首先確定橋梁的里程范圍，并根據起止里程計算橋梁預估長度。依據計算的橋梁預估長度與簡支梁類型參數，進行布跨分析，得到最優的簡支梁布跨方案，固定橋梁中心點。依據簡支梁布跨方案從中心點向大、小里程沿線路進行梁布置位置計算，并結合標準線間距數據得出橋墩、橋臺的平面位置。橋墩建模時，結合線路縱斷面參數、橋梁段軌道結構高度、簡支梁高度得到墩頂高程，通過橋墩平面位置、墩頂高程計算墩頂到地形的高差，從而確定墩高并利用參數化模型進行橋墩建模。橋臺建模時，結合線路縱斷面參數、橋梁段軌道結構高度先建立橋臺主體模型，如圖5 所示。

圖5 橋梁快速建模模型

1.3 隧道BIM 快速建立技術

選線階段簡化的隧道BIM 應包含洞門、洞門邊坡、洞身等部分[6]。BIM 建立時，為反映與周圍環境的關系，著重處理洞門開挖與地形銜接的問題，其建模思路主要是先計算洞門位置，通過參數化洞門與洞門邊坡模型處理與地形的相交關系，最后依據線路創建洞身BIM 形成隧道BIM。隧道快速建模流程如圖6 所示。

圖6 隧道快速建模流程

隧道BIM 建模時需要確定的參數包括：隧道段軌道結構高度、單雙線、標準線間距、洞門類型、洞身類型等。依據線路三維模型，計算隧道進口與出口的空間位置。依據隧道段軌道結構高度、單雙線、標準線間距、洞門類型等參數，利用參數化洞門單元創建洞門模型。隨后獲取洞門放坡線，按默認坡度沿洞門放坡線向上與地形求交，獲取與地面求交后采用洞門放坡線與地面交線形成洞門放坡Mesh 面。依據洞門模型獲取洞身的起終點位置，根據軌道結構高度、單雙線、標準線間距、洞身類型等參數創建隧道輪廓斷面，并沿線路進行掃描放樣形成隧道洞身模型，如圖7 所示。

圖7 隧道快速建模模型

2 基于線路的路基、橋梁、隧道BIM 快速建立技術

基于線路的構筑物BIM 快速建立主要依托線路數據的中橋、隧、路分段信息，并利用路基、橋梁、隧道BIM 的快速建模技術實現。建模思路為先建立橋梁、隧道BIM 并確定橋梁、隧道的實際分界點，然后根據實際分界點數據計算路基BIM 的起止里程并創建路基BIM。為快速實現路基、橋梁、隧道的一鍵快速建模過程，基于Open Rail Designer 軟件研發了線路快速初始化模型工具。其主要建模步驟包括：①導入線路模型工程文件。②導入地形模型工程文件。③確定路基、橋梁、隧道參數。④自動創建模型。基于線路的BIM 快速建模如圖8 所示。

圖8 基于線路的BIM 快速建模

軟件可根據線位和地模信息自動生成三維概念模型，輸入的參數較少，減少人為干預。在ThinkPad-T480上試用耗時情況如下：36km 線路，建立三維線路耗時34s、建立地模耗時92s、三維概念模型初始化185s，地形模型剖切208s。整套流程共計15min，相對于傳統手動建模效率提高近40 倍。

3 結語

一鍵導入基于AutoCAD 的鐵路線路軟件的設計成果，快速完成基于BIM 平臺的線路中線創建和信息附加、地形建模、鐵路建模、地形與鐵路模型的融合等。在成渝中線、濟棗高鐵、廣珠澳高鐵等項目中試用驗證，運行穩定可靠，經濟效益和社會效益顯著，能大幅提高工作效率、質量和水平。后續可進一步研究站場、站后各專業的快速建模，實現各專業BIM 接口的串聯。