基于BIM的城市轨道交通配线设计方法

樊美斌

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

引言

近年来，轨道交通设计信息化水平得到大幅提升，特别是以三维数字技术为基础的建筑信息模型(Building Information Modelling，BIM)，可形象直观地开展三维设计与分析，能承载设计、施工、运营整个生命周期工程信息，进行各类分析、仿真，现已成为轨道交通设计信息化的重要发展方向[1]。

轨道交通工程体系庞大，包括线路、桥梁、隧道、路基、站场、四电等相关专业。学术界与工程界针对不同专业构筑物的特点，分别开展了大量的技术与应用研究。赵月悦[2]建立了一整套高速铁路桥梁构件库，实现了标准桥梁的BIM精细快速建模，对特殊复杂桥梁开展BIM正向设计，并基于BIM技术进行结构分析、方案优化、出图算量。隧道BIM技术也开展了广泛研究[3]，曹建涛[4]提出了基于参数化建模的隧道BIM正向设计流程和方法；张文胜[5]将点云与BIM技术相结合，形成了一套新的隧道线路布设和结构设计方法。路基方面，薛宇腾[6]针对连续线状路基体和不连续挡墙等构筑物，分别提出了基于网格和参数化的BIM三维建模方法；靳猛[7]探索了一整套铁路路基BIM正向设计技术。站场方面，马弯[8]提出了基于BIM的铁路中间站三维设计方法；刘沛[9]基于BIM技术开展了铁路车辆站场场坪三维设计关键技术研究；卞友艳[10]探索了站场路基多专业协同设计解决方案。在四电领域，大量学者深入研究了基于BIM的设备、管线三维布置及碰撞检测技术[11]。国内各大设计院已开始综合运用各专业的BIM研究成果完成整条铁路设计[12-13]。

与桥梁、隧道、路基、站场、四电等具体工点不同，线路专业的设计任务是确定整条铁路的三维空间位置及布设路桥隧站等工点。因此，线路BIM研究重点是如何表达设计中的三维线位与周围复杂环境的空间关系，线路-桥梁-隧道-路基-站场是否协调匹配。现有线路BIM研究也主要集中在：基于3D、GIS、BIM等技术构建形象直观的三维选线环境[14-17]，以及如何根据三维空间线形快速自动建立涵盖桥梁、隧道、路基、站场等构筑物的BIM铁路概略模型[18-21]。但目前这些研究尚无法实现长大线路方案的实时建模更新，因此未广泛应用。Autodesk公司Civil3D，Bentley旗下Open Road/Rail Designer，西安纬地HintBIM在一定程度上实现了线路的BIM化设计，但这些软件主要面向公路线路设计或由公路线路设计软件改造而来，不太符合轨道交通线路设计模式和流程，使用较为繁琐不便。

配线是城市轨道交通线路中除正线外，为空载列车提供折返、停放、检查、转线及出入段作业的线路。合理的配线设计对地铁功能更优实性有重要影响[22-23]，对保证整个城市轨道交通的最大通过能力、节约设备费用、降低运营成本都有着重要意义。目前，尚无面向轨道交通配线设计的BIM软件系统，因此，亟需开展配线BIM设计方法研究与系统开发。

1 轨道交通配线BIM数据模型

1.1 轨道交通配线特征

BIM的基础是定义科学的数据模型对构筑物或设备的工程信息进行准确刻画。开展基于BIM配线设计，首先需确定设计阶段刻画配线所需的工程信息。配线从功能上可分为：一般单渡线、交叉渡线、单折返线、双折返线、存车线、缩短单渡线、越行线、车辆基地出入线、联络线、支线与主线接轨配线、安全线等，种类繁多、形式多变。本研究通过对大量轨道交通配线分析总结，发现配线设计具有模块化和多样化的特征。

模块化：配线中的一般单渡线、交叉渡线、单折返线、双折返线、存车线、缩短单渡线、越行线通常是由道岔、直线股道、圆曲线股道、车挡等单元按照固定模式组合而成。不同的设计方案主要是道岔号数、直股长度、圆曲线股道半径等参数存在差异。对于此类配线设计需求，适合定制一系列BIM标准模块，通过改变参数，便捷地完成配线设计。

多样化：虽然很多配线可表示成带参数的标准模块。但由于工程实践中会面临各种不同的需求，这些配线又充满了变化，需对标准模块化配线形式进行必要调整。因此，在模块化基础上配线BIM设计还需具备足够的灵活性，以应对多样化需求。

为满足配线模块化和多样化设计需求，钟晶[23]提出了模块法与单元法相结合的设计模式。本文借鉴该思想，研究了新的配线BIM设计方法。通过对大量配线方案的系统分析、聚类、提炼，认为应当将配线先分解为道岔、直股、曲股、车挡等基本单元；然后，定义各类单元的数据模型；再通过关联约束模型将各单元组合成完整配线，并处理相互间的约束关系。基于该思路，建立轨道交通配线BIM数据模型，包括配线单元刻画模型和单元间关联约束模型。

1.2 配线单元刻画模型

所有的配线本质是由一系列配线单元(道岔、直线股道、圆曲线股道、缓和曲线股道、车挡)按照一定约束条件相互连接组合而成。因此，对配线设计信息进行描述，首先应对各单元进行准确刻画。本研究定义了一个通用的8元组数据结构，对各类配线单元进行描述，见表1。该8元组可定义成数组，在后续BIM配线设计软件开发中，只需一个二维数组就可以描述出整个配线所有组成单元的信息。

表1 配线各类单元8元组数据结构

1.3 单元间关联约束模型

上述单元刻画模型可描述出配线各组成单元的设计阶段属性，但无法刻画出各单元之间的关联约束关系。配线中各单元间的复杂关联关系可分解为两两单元之间的关系，通过对各类配线方案分析，可聚类为：引出、接入、前衔、后接4类。下面以某典型存车线为例进行介绍，如图1所示。

图1 某典型存车线

引出、接入：道岔A、D分别从正线左线和右线引出；道岔H、F分别接入正线左线与右线。此时存在的约束条件为：道岔A/D的岔心点必须位于左/右线上，且道岔的正向方向必须与左/右线一致。接入的约束条件类似。

前衔、后接：道岔A从正线左线引出后，后面布置了一段直线股道，该直线股道之后又布置了道岔B，此时直股与道岔A为前衔关系，与道岔B为后接关系。对于前衔关系，当前单元起点坐标必须与其前衔单元终点坐标一致，且切线方位角相同；后接则是终点坐标与后接单元起点一致，切线方位角相同。

基于上述分析，可为整个配线添加一个列表S，记录下每个单元的ID；并为每个单元添加一个如下的4元组数据，便可刻画出配线内所有单元之间的复杂关系。

R={TF，IDF，TB，IDB}

(1)

式中，TF为前端关系类型，包括引出、前衔；IDF为前端关联单元的ID；TB为后端关系类型，包括接入、后接；IDB为后端关联单元的ID。

通过上述配线单元刻画模型与关联约束模型，可以描述出各类复杂配线，为配线BIM设计奠定基础。

2 轨道交通配线BIM设计方法

在建立了轨道交通配线BIM的数据模型后，需研究符合设计人员习惯的BIM设计方法。前已述及，配线具有模块化与多样化特征，针对模块化适合定制一系列BIM标准模块，通过改变参数，便捷地完成配线设计。针对多样化则可开发自由拼接各类型单元的设计工具实现。

2.1 轨道交通配线模块定制

本研究通过对大量设计案例的系统分析，将常用配线聚类为如图2～图8的7大类14小类配线标准模块，并定义了各类配线参数。设计人员仅需拾取2条正线，给定配线参数，即可由系统自动完成复杂计算，形成配线的BIM数据，生成整个配线。

图2 一般单渡线

图3 交叉渡线

图4 缩短渡线

图5 单折返线

图6 双折返线

图7 存车线

图8 越行线

2.2 轨道交通配线模块法计算

选定模块类型，给定模块参数后，如何计算出配线中各单元数据，并建立单元间关联约束关系，是实现配线BIM设计的核心算法。以单折返线为例介绍。

图9为本文定制的单折返线模块法参数设置界面，单折返线参数计算示意如图10所示。设计人员拾取两正线后，自动计算双线线间距s；然后输入参数，中间平行直股到右线间距d，岔心到车挡距离L1，左右线引出点里程差L2，引出曲线半径R1，车挡长度c，以及道岔参数；再指定该配线是顺/逆线路里程增加方向布设，曲线从左/右线引出。各单元数据计算如下。

图9 单折返线模块法设计对话框

图10 单折返线参数计算示意

已知正线的方位角α，可通过岔号n计算辙叉角β

(2)

获取单折返线插入点①处线路里程，通过里程转坐标函数，求得点①的全局坐标(x1，y1)。根据点①的全局坐标值与线间距s，线路方位角α，可求得辅助点②的全局坐标(x2，y2)。

x2=x1-s×sinα

y2=y1-s×cosα

(3)

根据点②全局坐标，距离L2和线路方位角α，可求得点③的全局坐标(x3，y3)。

x3=x2+L2×cosα

y3=y2+L2×sinα

(4)

根据点③的坐标与距离d，辙叉角β，方位角α，求得点④的全局坐标(x4,y4)。

p=(s-d)/sinα

(5)

x4=x3+p×cos(α-β)

y4=y3+p×sin(α-β)

(6)

式中，p为点③、点④间直线距离。

根据点④的坐标，方位角α及距离L1，可求得点⑤的全局坐标(x5，y5)。

x5=x4+L1×cosα

y5=y4+L1×sinα

(7)

圆曲线段的求解，需先求出交点⑥的全局坐标，并以此为基准，根据传入的曲线半径参数R1，计算圆曲线端点坐标。首先，根据点①坐标及线路方位角α，距离d，求得点⑥的全局坐标。

x6=x1+(d/sinβ)×cos(α+β)

y6=y1+(d/sinβ)×sin(α+β)

(8)

求出上述点后，可按下式计算圆曲线的圆心(xO，yO)、起点(xS，yS)、终点(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，单折返线配线中所有单元的自身刻画信息计算完成。在此基础上，只需加上各单元之间固定的关联约束数据，即可形成单折返线的线路设计阶段BIM数据模型。

2.3 轨道交通配线积木法设计

上述模块法设计可满足大部分常用配线的设计需求。针对实际工程中多样化的其他配线，可采用积木法灵活设计。所谓积木法就是把道岔、直股、曲股、车挡等单元视为一个个积木，设计人员可自由地通过各类积木的搭建组合成任意类型的配线。由于本研究建立了各单元的刻画模型和单元间的关联约束模型，可以十分方便地完成积木法设计。用户在前台对各类单元修改，只需更新各单元自身的刻画数据；用户在进行积木的拼接过程中，只需对应更新单元关联约束关系即可。且关联约束模型可在设计过程中实时检测和维护单元间的关系，确保在调整配线中每个单元时，相关单元准确、自动更新。

3 配线BIM设计系统开发

在解决上述配线BIM数据模型和关键算法的基础上，开发了配线BIM设计系统，对开发过程中的一些关键技术进行论述。

3.1 开发平台的选择

BIM平台目前使用最广泛的有Autodesk公司旗下的Revit，法国Dassault公司旗下的CATIA和Bentley公司旗下的OpenRail Designer。Revit主要面向建筑设计、结构设计以及暖通、电气、给排水等工程设计，具有开放灵活的接口供用户使用和二次开发。CATIA软件的优势在于其强大的曲面设计功能，软件交互操作简便，模块的全相关性大大缩短了建模周期，多应用于航空航天、汽车轮船等复杂曲面高精度建模需求行业。上述两平台建模精度高，适用于精细化程度较高的专业，但这些软件对长大线域工程的处理能力不足，难以满足动辄数十成百上千公里的线路专业BIM设计的需求。配线需从正线引出接入，必须与线路设计同BIM平台，因此，上述平台不太适合。OpenRail Designer是Bentley公司开发的面向铁路线路设计的BIM系统，底层SDK已具备了一定的线路设计功能，且对大场景的处理能力较强，因此，在OpenRail Designer平台上进行二次开发。

3.2 基于命名组的配线各单元关联组合方法

OpenRail Designer可直接生成直线、曲线股道等配线单元，但其本身并未考虑配线设计功能，需开发者自己将各类单元组合，定制出配线实体。本研究采用命名组技术实现该功能。

命名组是Bentley旗下软件二次开发中经常涉及的底层类，类中的函数可实现丰富的功能。常用功能有，若将几个单元或线元添加到同一命名组中，激活命名组后，只要选中其中一个单元或线元，即可选中整个命名组并对整体进行操作。取消激活后可对各单元单独操作。命名组的优势在于，既保留了原始单元或线元信息又能在有需求时将其融为一体，十分适合配线这类由各类基本单元组合而成的实体设计。基于命名组技术，设计人员只需输入配线的各类参数，程序便可基于本研究建立的配线BIM数据模型和算法得出各个单元数据，转换为OpenRail Designer内部的元素；然后，将这些元素添加到泛型数组；再调用创建命名组函数CreateNamedGroup为泛型数组中的元素创建命名组，并将该命名组添加到模型空间中，实现对单折返线配线单元的整体插入，同时可将单元间的关联约束数据存入。由于所有单元构成了一个可分可合的整体，后续的拾取、编辑、刷新、删除、分解操作均易于实现。

3.3 配线BIM三维自动建模

三维可视化是BIM的重要特征，本研究开发的BIM配线设计系统具有二维和三维2种形态，设计人员可根据需要切换或同时显示。三维模型可随配线参数快速生成，具体流程如下。

(1)在系统内预设道岔、轨枕、扣件三维模型和不同类型的钢轨截面。

(2)根据用户输入的配线设计参数计算轨道三维空间中线、道岔、车挡的空间位置。

(3)沿轨道三维空间中线放样2条钢轨截面，并以共享单元的方式按间距布置轨枕、扣件三维模型。

(4)根据计算出的道岔、车挡空间位置放置相应三维模型。

(5)将各类模型整合，形成完整的配线三维模型。

最终生成的三维配线模型如图11、图12所示。

图11 越行线BIM三维模型

图12 双折返线BIM三维模型

3.4 系统开发与应用

基于上述模型与方法，课题组采用C号、C++、OpenRail Designer SDK等工具，基于Visual Studio 2017和Bentley平台，开发了城市轨道交通配线设计系统，系统菜单如图13所示。

车站模块提供了车站的新建、导入、编辑功能；线路平面设计模块提供了各种常用的线形单元设计及便利的连接功能，实现积木法配线设计；平面模块法部分可实现各种配线的参数化设计；此外，本系统还提供了配线纵断面设计、配线示意图输出等功能。该系统已在南昌、武汉、苏州等多地轨道交通线路中应用。

图13 配线BIM设计系统主要功能菜单

首先，该设计系统将传统二维配线布置提升为“所见及所设”的三维BIM设计，有利于方案展示汇报，及时发现设计不足，便于跨专业交流沟通；其次，在没有专门的配线BIM设计系统前，只能通过繁琐的分段建模完成整个配线的BIM设计，一旦配线参数发生改变，可能需全部重做。采用该系统后，只需直接修改设计参数或相关单元，便可数秒内自动完成整个配线BIM模型的更新；最后，由于该配线BIM模型中记录并管理了所有设计参数，可与相关专业的软件系统建立无缝衔接，避免和减少互提资料的错漏缺问题，提高多专业数据互用效率。总体而言，本配线BIM设计系统相比于传统方法，在配线设计、建模速度、方案展示、专业互提资料等方面综合效率提升约20%。

4 结语

针对城市轨道交通配线BIM设计方法开展研究，主要取得了以下成果。

(1)建立了配线BIM数据模型，包括刻画道岔、车挡、直线股道、曲线股道等各单元自身设计信息的单元数据模型和描述单元间关联约束的单元关系模型。

(2)定制了一系列配线BIM标准化模块，研制了各模块中所有单元数据的计算方法，结合配线数据模型，建立了模块法和积木法2类快速便捷的配线设计模式，以及配线BIM三维自动建模方法。

(3)在OpenRail Designer平台上研发了轨道交通BIM配线设计系统，相比于传统方法在配线设计、建模速度、方案展示、专业互提资料等方面综合效率提升约20%。