基于ORD 平台的铁路线路BIM 快速建模

陈 勇，熊佳兴

（中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031）

1 铁路构筑物BIM 快速建立技术

铁路选线设计作为铁路建设的先行和基础，是一项总揽全局的核心工作。铁路线路在三维空间中以多段线表示，结合三维GIS 环境可直观的展现线路沿线地理、地质信息与线路的相对关系，而铁路实体最终是以线路沿线的路基、桥梁、隧道等铁路构筑物表征，因此在线位比选过程中如能直观地查看铁路沿线构筑物与环境的关系，对线路方案的确定大有裨益[1]。为能在设计线路时能直观展示铁路沿线路基、桥梁、隧道等构筑物，可采用BIM+GIS 的方式呈现铁路BIM 构筑物模型与环境的相对位置，由于铁路线路长、构筑物多，在定线过程中需要一种具有参数化、快速、人工干预少的BIM 模型建立方式，且在建立BIM 模型时仅需处理与环境的衔接和相对位置关系，无须处理铁路构筑物内部的复杂结构。因此，本文开展了铁路构筑物BIM 模型快速建立技术研究[2]。

1.1 路基BIM 快速建立技术

路基工程包含路堤、路堑、地基处理、挡土墙、边坡防护、排水等工程，选线阶段的BIM 构筑物模型应尽量简化[3]，只建立路基BIM 时采用简化路堤和路堑模型[4]。路堤和路堑BIM 建立时，为反映与周围环境的关系，着重处理BIM 与地形衔接问题，其建模思路以参数化路基断面为基础，利用断面在线路上的具体位置，结合三维地形模型形成实际三维空间中的路基断面，通过相邻路基断面形成路基本体模型，具体步骤如图1 所示。

图1 路基快速建模流程

首先确定路基的开始与结束里程，并根据地形情况确定路基断面间隔大小，从而确定所有路基断面的空间位置。在地形变化较小时，可降低精度把路基断面间隔加大以降低模型大小。在地形变化较大时，为提高与地面衔接处理精度和路基BIM 模型精度，则可适当加密路基断面。依据路基断面参数，形成每个路基断面的路基表层断面模型再形成分段路基体。连接相邻路基断面的路肩点形成路肩线，并结合地形判断路肩线位置在地形上或下。若路肩线在地形上，则利用路堤边坡坡度参数与路肩线向下对地形进行放坡计算，并用地形交线、路肩线、路基断面、路肩放坡线形成路堤Mesh 几何模型。若路肩线在地形下，则利用路堤边坡坡度参数与路肩线向上对地形进行放坡计算，并用地形交线、路肩线、路基断面、路肩放坡线形成路堑Mesh几何模型。最后采用Mesh 布尔操作，将各分段路基体融合形成整段路基几何模型，并附加路基位置与路基断面参数等信息，构成路基BIM。路基快速建模模型如图2 所示。

图2 路基快速建模模型

1.2 桥梁BIM 快速建立技术

桥梁类型包含简支梁桥、连续梁桥、斜拉桥、悬索桥、钢拱桥等，选线阶段的构筑物BIM 应尽量简化[5]，采用简支梁桥形式建立桥梁BIM。简支梁模型建立时，为反映与周围环境的关系，着重处理桥台、桥墩与地形衔接，简支梁梁布跨等问题，其建模思路主要是先计算简支梁布置数据，在依据数据进行桥台、桥墩位置计算，通过参数化桥台与桥墩模型处理与地形的相交关系，最后对桥墩进行布梁完成桥梁BIM。桥梁快速建模流程如图3 所示。桥梁快速建模信息初始化如图4 所示。

图3 桥梁快速建模流程

图4 桥梁快速建模信息初始化

首先确定桥梁的里程范围，并根据起止里程计算桥梁预估长度。依据计算的桥梁预估长度与简支梁类型参数，进行布跨分析，得到最优的简支梁布跨方案，固定桥梁中心点。依据简支梁布跨方案从中心点向大、小里程沿线路进行梁布置位置计算，并结合标准线间距数据得出桥墩、桥台的平面位置。桥墩建模时，结合线路纵断面参数、桥梁段轨道结构高度、简支梁高度得到墩顶高程，通过桥墩平面位置、墩顶高程计算墩顶到地形的高差，从而确定墩高并利用参数化模型进行桥墩建模。桥台建模时，结合线路纵断面参数、桥梁段轨道结构高度先建立桥台主体模型，如图5 所示。

图5 桥梁快速建模模型

1.3 隧道BIM 快速建立技术

选线阶段简化的隧道BIM 应包含洞门、洞门边坡、洞身等部分[6]。BIM 建立时，为反映与周围环境的关系，着重处理洞门开挖与地形衔接的问题，其建模思路主要是先计算洞门位置，通过参数化洞门与洞门边坡模型处理与地形的相交关系，最后依据线路创建洞身BIM 形成隧道BIM。隧道快速建模流程如图6 所示。

图6 隧道快速建模流程

隧道BIM 建模时需要确定的参数包括：隧道段轨道结构高度、单双线、标准线间距、洞门类型、洞身类型等。依据线路三维模型，计算隧道进口与出口的空间位置。依据隧道段轨道结构高度、单双线、标准线间距、洞门类型等参数，利用参数化洞门单元创建洞门模型。随后获取洞门放坡线，按默认坡度沿洞门放坡线向上与地形求交，获取与地面求交后采用洞门放坡线与地面交线形成洞门放坡Mesh 面。依据洞门模型获取洞身的起终点位置，根据轨道结构高度、单双线、标准线间距、洞身类型等参数创建隧道轮廓断面，并沿线路进行扫描放样形成隧道洞身模型，如图7 所示。

图7 隧道快速建模模型

2 基于线路的路基、桥梁、隧道BIM 快速建立技术

基于线路的构筑物BIM 快速建立主要依托线路数据的中桥、隧、路分段信息，并利用路基、桥梁、隧道BIM 的快速建模技术实现。建模思路为先建立桥梁、隧道BIM 并确定桥梁、隧道的实际分界点，然后根据实际分界点数据计算路基BIM 的起止里程并创建路基BIM。为快速实现路基、桥梁、隧道的一键快速建模过程，基于Open Rail Designer 软件研发了线路快速初始化模型工具。其主要建模步骤包括：①导入线路模型工程文件。②导入地形模型工程文件。③确定路基、桥梁、隧道参数。④自动创建模型。基于线路的BIM 快速建模如图8 所示。

图8 基于线路的BIM 快速建模

软件可根据线位和地模信息自动生成三维概念模型，输入的参数较少，减少人为干预。在ThinkPad-T480上试用耗时情况如下：36km 线路，建立三维线路耗时34s、建立地模耗时92s、三维概念模型初始化185s，地形模型剖切208s。整套流程共计15min，相对于传统手动建模效率提高近40 倍。

3 结语

一键导入基于AutoCAD 的铁路线路软件的设计成果，快速完成基于BIM 平台的线路中线创建和信息附加、地形建模、铁路建模、地形与铁路模型的融合等。在成渝中线、济枣高铁、广珠澳高铁等项目中试用验证，运行稳定可靠，经济效益和社会效益显著，能大幅提高工作效率、质量和水平。后续可进一步研究站场、站后各专业的快速建模，实现各专业BIM 接口的串联。