■ 孔国梁 苏林 李顶峰
铁路路基排水BIM设计方法研究
■ 孔国梁 苏林 李顶峰
基于BIM技术开展铁路路基排水设计是深化和优化设计的需要。重点阐述在AutoCAD平台基于数字地面模型和实体反应器技术,实现多视口、平面交互式、纵断面自动化设计的排水平纵联动协同设计;在达索系统基于参数化模板,创建附加IFC分类和属性信息的排水BIM模型。研究结果表明,通过AutoCAD和达索软件接力完成铁路路基排水BIM设计,降低了开发难度,操作方便,自动化程度高,有助于深化排水设计,提高排水的系统性、直观性和信息化,具有推广应用价值。
铁路;路基;排水;BIM;协同设计
当前,BIM作为推进铁路工程建设信息化的主要技术支撑,其价值和重要性已得到行业的持续关注和普遍认可,推广应用BIM技术已成为建设数字化铁路的必然选择。目前铁路路基排水二维设计一般采用断面法,先在路基横断面两侧设置水沟,再结合平面地形确定排水流向,逐个断面检查并调整水沟高程及横向位置,完成水沟的横断面和平面设计。断面法排水设计对断面间的排水关注不够或根本没有体现,而在排水BIM设计中,依托三维地形曲面和影像数据,生成的三维排水沟模型跟地形、路基、桥梁、涵洞、隧道等模型相互集成融合,排水设计成果的系统性和直观性显著增强,并且创建的BIM模型附加了属性信息,据此进行的工程数量计算也更加精确。
在达索系统下开展BIM设计,一般先进行用于定位的点、线、面、坐标系等骨架设计,再通过参数化模板的实例化生成BIM模型。而在达索系统下要直接进行排水沟的平纵断面骨架线设计,开发的难度、周期和工作量都很大,可通过AutoCAD二次开发技术,基于数字地面模型、地面影像、路基、桥梁、隧道等专业模型,先快速完成排水平纵断面骨架线设计,再导入达索系统进行三维建模,进行三维展示和合理性检查,最终高效地完成排水BIM设计。
ObjectARX是AutoCAD新一代的二次开发工具,能够以C++/C#为基础,面向对象的开发环境和应用程序接口,真正快速地访问AutoCAD图形数据库,且以动态链接库的形式简洁高效地实现许多复杂的功能[1]。在此首先探讨在VS2008平台上采用ObjectARX2010软件包,实现排水沟沟底空间曲线的平纵协同设计方法。
1.1 创建数模、视口,导入路桥隧模型和地面影像
利用测绘专业采集并进行分类处理后的雷达点云数据,构建数字地面模型,按照种类不同,可分为Delaunay三角网和方格网数模。在进行排水设计之初,完成数模的初始化,并常驻内存,保证设计期间可以重复使用数模计算地面高程,直至退出CAD程序时,清理数模对象。
在CAD中创建2个视口作为路基排水设计的平纵视口,平面视口在上方,显示铁路路基排水的平面自定义实体;纵断面视口在下方,显示铁路路基排水的纵断面自定义实体;平纵视口的大小比例可由用户自定义调整。
将达索系统下创建的路基、桥梁、隧道模型连同地面影像的俯视图片插入CAD图,勾绘路基边坡和隧道洞口刷坡的边界线,按照排水设计一般原则,天沟边缘至堑顶距离不宜小于5 m,排水沟边缘至坡脚距离不宜小于2 m,并结合地面坡度走向,设计排水沟的初始平面位置。济青高铁青阳隧道洞口排水平纵协同设计见图1。
图1 济青高铁青阳隧道洞口排水平纵协同设计
1.2 排水平面交互式设计
基于ObjectARX进行CAD二次开发时,常用到字典来管理数据库对象,自定义实体技术创建定制多种属性和方法的设计模型,夹点拖动技术进行模型的交互式编辑。
字典是AutoCAD的一种容器对象,用于组织和管理数据库实体对象。在排水设计中,通过派生构建自定义字典,包括各条水沟平面、当前水沟平面、各条水沟纵断面、当前水沟纵断面的实体对象编码。
自定义实体是ARX为开发者提供的具有图形表现的定制数据库对象类,一般由AcDbEntity类派生,开发者一般需要重载绘制、炸碎、夹点拖动等关键函数。创建排水平面自定义实体,是在平面视口中逐个添加水沟平面交点,创建由直线段和圆弧组成的平面水沟沟底中心线,曲线半径采用不小于沟底宽度的10倍,且不小于5 m。
将排水沟平面交点、夹直线中点作为水沟平面交互式编辑的夹点,通过夹点拖动修改排水沟平面位置。此外,还包含了排水沟平面模型的拆分、连接、倒置等编辑功能。
1.3 排水纵断面自动化设计
通过自动更新地面线、坡度自动模拟和顺坡等手段,必要时辅以少量的交互式调整,基本上实现了纵断面的自动化设计。
地面线自动更新是根据平面位置调整,利用数模重新计算并绘制排水沟纵断面地面线。
坡度自动模拟是基于最小二乘法原理,对地面线进行直线模拟并进行分坡处理[2],纵断面自定义实体绘制时按照坡度向上和向下,采用不同的颜色绘制坡长、坡度及坡段线,并标注坡段上指定间隔位置处的填挖量,便于直观地检查水沟沟底高程是否满足顺坡要求。
自动顺坡是选择一段水沟的最高点,进行单面坡或人字坡排水设计,可以减少手动调坡的工作量。最后通过少量的交互式调整,如插入、删除、移动变坡点,使排水纵断面在满足顺坡要求的前提下与地面线更加贴合。排水纵断面见图2。
图2 排水纵断面图
1.4 排水平纵协同设计
应用ObjectARX反应器技术,实现排水平纵断面实体按里程同步显示、平纵断面实体间的及时协同更新功能。ARX提供了一系列反应器类(Reactor)来监视不同类型的事件或者消息[3]。在排水平纵协同设计中,使用最多的2种反应器是编辑器反应器和数据库反应器。
编辑器反应器由AcEditorReactor类派生,用来监视AutoCAD命令。在排水设计中,通过重载该类的viewChanged()函数,可以实现在平面视口中,鼠标中键移动(pan命令)查看水沟平面时,触发该函数,计算鼠标所在位置对应的平面里程,进而在纵断面视口中将该里程的水沟纵断面显示到纵断面视口中央;反之,移动查看纵断面,也可以按里程同步显示对应位置的水沟平面。
数据库反应器由AcDbDatabaseReactor类派生,用来监视数据库对象的创建、修改或删除。在排水设计中,通过重载该类的objectAppended()、objectModified()、objectErased()等关键函数,实现水沟平面创建、修改,删除时自动创建、修改、删除对应的纵断面。
1.5 成果导入达索系统
根据排水平纵断面设计成果及标准沟深,按1 m的间隔计算排水沟沟底空间曲线坐标,在CAD里生成三维多段线,为了满足达索系统下水沟截面按此空间曲线扫掠成体的要求,在CAD里把该三维多段线转换成三维样条曲线。
另外,为了避免达索系统下因输入三维地形曲面造成水沟实例化缓慢,计算每米水沟断面上水沟两侧与地面的交点,形成水沟两侧与地面相交的2条三维多段线。
最后将每条水沟的沟底中心三维样条曲线、水沟两侧与地面的2条交线,通过高版本的CAD软件(如CAD2015)或Microstation软件,输出igs格式的文件,即可导入达索系统。
在达索系统内创建排水沟BIM模型,首先要结合铁路BIM技术标准研究最新成果,完成排水IFC标准在达索系统的部署,然后创建参数化的排水设计模板,最后通过模板实例化完成排水沟BIM模型的创建。
2.1 排水IFC标准的应用根据铁路管线系统IFC标准的最新研究成果[4],使用IfcDistributionSystem表达各种类型的排水沟构成的排水系统,预定义类型属性取值为“STORMWATER”,属性集为“Pset_DS_ DrainageDitchCommon”。使用IfcPipeSegment表达整个排水系统中的一段排水沟、槽、管,预定义类型属性取值为“GUTTER”,属性集为“Pset_PS_DitchSegmentCommon”[5]。在达索系统Enovia平台上通过定义扩展类型的方式,完成IFC分类和属性集在达索系统的部署,为应用和验证排水IFC标准创造了前提条件。
2.2 排水沟参数化模板的创建
创建功能强大的参数化模板,并不断积累丰富形成模板库,实现专业设计功能,是达索系统BIM设计的主要特色。创建并优化后的等截面排水沟模板IFC分类为IfcPipeSegment,属性集为“Pset_PS_ DitchSegmentCommon”,输入元素为沟底空间曲线和两侧地面交线,输入参数包括水沟底宽、沟深、底厚、壁厚等,输出为水沟截面沿沟底空间线扫掠形成的水沟本体、水沟两侧延伸到地面的曲面、水沟本体的体积、水沟挖土方体积等,并对输出成果进行颜色配置(见图3)。
图3 排水沟模板截面、参数及输出成果
不同截面之间的排水沟相连时,应设置沟底宽度渐变率为1/20的过渡段,该段排水沟采用变截面排水沟模板,创建方法与等截面排水沟模板类似,不同之处在于输入截面参数为起终点2个截面的参数,水沟本体为变截面扫掠。
应用上述方法,先后在京沈客专、济青高铁、阳大铁路BIM试点项目中,进行了排水BIM设计,部分成果见图4—图7。
在实现路基排水BIM设计的主体部分后,还应对排水末端的消能设施,排水沟的交汇,排水沟与涵洞、路堑侧沟的衔接等建模问题,开展进一步研究。
图4 京沈客专路基及桥下排水
采用CAD二次开发实现排水平纵联动协同设计,再将成果导入达索系统,创建排水BIM模型的方法,通过实际项目应用验证,其自动化程度高,成功实现了铁路路基排水BIM设计的整体解决方案,深化了排水设计成果,提高了排水的系统性、直观性和信息化水平,对开展排水设计协调性检查和推动BIM技术在施工中的应用具有重要价值。
图5 京沈客专含过渡段排水
图6 济青高铁青阳隧道洞口排水
图7 阳大铁路隧道路基及桥下排水
[1] 江思敏,曹默,胡春江. AutoCAD2000开发工具[M]. 北京:人民邮电出版社,1999.
[2] 孔国梁,李顶峰. 铁路纵断面自动设计与优化方法研究[J]. 铁道工程学报,2012(12):40-44.
[3] 赵清清,王建勇. ARX反应器智能管理技术在BIM施工图中的应用[J]. 土木建筑工程信息技术,2013(12):111-114.
[4] 铁路BIM联盟. 铁路工程信息模型数据存储标准:1.0版[J]. 铁路技术创新,2016(1):123-124.
[5] 杨绪坤,毛宁. 基于IFC4的铁路管线系统数据存储标准研究[J]. 铁路技术创新,2015(6):28-33.
孔国梁:铁道第三勘察设计院集团有限公司,高级工程师,天津,300251
苏 林:铁道第三勘察设计院集团有限公司,高级工程师,天津,300251
李顶峰:铁道第三勘察设计院集团有限公司,高级工程师,天津,300251
责任编辑 卢敏
U212.38;TP319
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1672-061X(2016)03-0042-04