王凱軍，楊 斌，馬西章

（1. 中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 線路站場(chǎng)樞紐設(shè)計(jì)研究院，天津 300142；2. 中國鐵路總公司 工程管理中心，北京 100038；3. 京沈鐵路客運(yùn)專線京冀有限公司，北京 100071）

0 引言

隨著鐵路BIM技術(shù)的發(fā)展，相關(guān)BIM標(biāo)準(zhǔn)的逐步制定并完善，各方對(duì)鐵路BIM模型精度、完整度的要求越來越高，圍墻/柵欄等安全防護(hù)設(shè)備在BIM模型完整性、可視化、工程量統(tǒng)計(jì)等方面發(fā)揮的作用也進(jìn)一步凸顯。同時(shí)，在《鐵路工程信息模型表達(dá)標(biāo)準(zhǔn)（1.0版）》《鐵路工程信息模型交付精度標(biāo)準(zhǔn)（1.0版）》等標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)圍墻/柵欄的模型粒度等級(jí)及精度信息也進(jìn)行了明確規(guī)定[1-3]。

目前，各主流BIM設(shè)計(jì)平臺(tái)，包括達(dá)索、奔特力、歐特克等對(duì)此類設(shè)備均無有效的建模工具可用。在此基于達(dá)索平臺(tái)，提出鐵路圍墻/柵欄BIM模型的實(shí)現(xiàn)方法，并已在鐵路等多個(gè)項(xiàng)目中應(yīng)用驗(yàn)證，取得了良好效果。

1 解決方案

1.1 設(shè)計(jì)難點(diǎn)

目前，二維設(shè)計(jì)過程中涉及到的圍墻/柵欄通常在圖紙中標(biāo)明平面位置，并在設(shè)計(jì)說明中指定圍墻/柵欄型號(hào)或使用標(biāo)準(zhǔn)圖，如《專房設(shè)（05）4001》《通線（2012）8001》等。

在BIM設(shè)計(jì)中，圍墻/柵欄不僅需要對(duì)其空間位置進(jìn)行定位，還需要制作相應(yīng)的模型/模板，并進(jìn)行裝配或?qū)嵗缘玫阶罱K的BIM模型。其中，根據(jù)圍墻/柵欄的長度可將其分為標(biāo)準(zhǔn)長度構(gòu)件（圍墻一般為4 m，柵欄一般為3 m）和非標(biāo)準(zhǔn)長度構(gòu)件。BIM設(shè)計(jì)中的主要難點(diǎn)如下：

（1）標(biāo)準(zhǔn)長度的圍墻/柵欄的裝配效率不高；

（2）非標(biāo)準(zhǔn)長度的圍墻/柵欄需要制作模板，以適應(yīng)不同長度的需要；

（3）非標(biāo)準(zhǔn)長度的圍墻/柵欄雖然可利用達(dá)索平臺(tái)的Action功能進(jìn)行批量實(shí)例化，但效率極低，需要消耗大量時(shí)間。

1.2 實(shí)現(xiàn)流程

針對(duì)上述問題，通過設(shè)計(jì)自適應(yīng)模板與CAA開發(fā)相結(jié)合的方式，提出一種鐵路圍墻/柵欄的BIM設(shè)計(jì)方法，一般實(shí)現(xiàn)流程如下：

（1）在平面上確定圍墻/柵欄的設(shè)置邊界A；

（2）將邊界A投影至地形面，得到圍墻/柵欄的空間位置B；

（3）對(duì)邊界B進(jìn)行解析，計(jì)算出其中的拐點(diǎn)P1、P2、…、Pn；

（4）根據(jù)拐點(diǎn)對(duì)邊界B進(jìn)行分段，并分別計(jì)算相鄰2拐點(diǎn)Pi、Pi+1之間的標(biāo)準(zhǔn)長度構(gòu)件與非標(biāo)準(zhǔn)長度構(gòu)件的定位坐標(biāo)系；

（5）根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)長度構(gòu)件的坐標(biāo)系進(jìn)行模型裝配（需要事先準(zhǔn)備標(biāo)準(zhǔn)長度構(gòu)件模板）；

（6）根據(jù)非標(biāo)準(zhǔn)長度構(gòu)件的坐標(biāo)系進(jìn)行批量實(shí)例化（需要事先準(zhǔn)備參數(shù)化自適應(yīng)構(gòu)件模板）。

2 實(shí)現(xiàn)方法

2.1 參數(shù)化自適應(yīng)模板制作

模板是達(dá)索平臺(tái)的一項(xiàng)重要功能，通過模板能夠制作出各種類型的構(gòu)件。通過制作參數(shù)化的自適應(yīng)模板，對(duì)圍墻/柵欄進(jìn)行建模，通過參數(shù)控制各部位尺寸，以達(dá)到制作同型號(hào)不同尺寸構(gòu)件的目的。

模板制作的難點(diǎn)在于定位時(shí)要保證各部件與定位坐標(biāo)系保持相對(duì)固定的位置關(guān)系，否則會(huì)出現(xiàn)定位偏移、姿態(tài)扭轉(zhuǎn)等問題。模板通過坐標(biāo)系進(jìn)行定位，所有的建模要素均與該坐標(biāo)系進(jìn)行關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)，以保證模板實(shí)例化結(jié)果的正確性。以磚砌花格圍墻為例，其模板內(nèi)部的關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)關(guān)系見圖1。

圍墻模板參照通用參考圖《專房設(shè)（05）4001》進(jìn)行制作，并根據(jù)交付精度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行適度簡化。單片標(biāo)準(zhǔn)長度磚砌花格圍墻（4 m）模板見圖2，圍墻的長度、高度以及花格的間距等均可通過參數(shù)進(jìn)行靈活調(diào)整。同理，參照通用參考圖《通線（2012）8001》制作柵欄模板，單片標(biāo)準(zhǔn)長度柵欄（3 m）模板見圖3，其長度、高度、立柱間距等均可調(diào)，刺絲滾籠部分未建模。

圖2 單片標(biāo)準(zhǔn)長度磚砌花格圍墻（4 m）模板

圖1 磚砌花格圍墻模板內(nèi)部關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)關(guān)系

圖3 單片標(biāo)準(zhǔn)長度柵欄（3 m）模板

2.2 標(biāo)準(zhǔn)裝配模板制作

標(biāo)準(zhǔn)裝配模板用于裝配參數(shù)固定不變的圍墻/柵欄。所謂裝配就是將構(gòu)件依次放置到合適的位置上。標(biāo)準(zhǔn)裝配模板是在參數(shù)化自適應(yīng)模板的基礎(chǔ)上經(jīng)過簡化得到的，其目的是提高建模效率，減小模型體量。簡化過程主要是將模板內(nèi)部的關(guān)聯(lián)關(guān)系全部去掉，僅保留幾何外形，同時(shí)為其添加相關(guān)的IFC類型及屬性集，為后續(xù)信息的傳遞及工程數(shù)量計(jì)算打下基礎(chǔ)。以磚砌花格圍墻為例，輕量化之后的模型結(jié)構(gòu)樹見圖4，每個(gè)部件僅有1個(gè)無鏈接關(guān)系的幾何實(shí)體，所有其他信息均被去除。

2.3 程序開發(fā)

為解決圍墻/柵欄在實(shí)例化模板和裝配構(gòu)件時(shí)效率低的問題，利用C++語言對(duì)CATIA進(jìn)行基于CAA架構(gòu)的二次開發(fā)[4]。CAA是CATIA的一整套C++函數(shù)庫，該函數(shù)庫在CATIA運(yùn)行時(shí)加載[5]。基于該函數(shù)庫可直接與CATIA進(jìn)行通信，通過對(duì)自身業(yè)務(wù)邏輯的封裝，實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能，大大提高了建模效率。

按照設(shè)計(jì)方法的實(shí)現(xiàn)流程，二次開發(fā)工作主要有2部分：（1）定位坐標(biāo)系的計(jì)算；（2）裝配/實(shí)例化相關(guān)的模型/模板。

2.3.1 定位坐標(biāo)系計(jì)算

定位坐標(biāo)系計(jì)算包含實(shí)現(xiàn)流程中的前4個(gè)環(huán)節(jié)，其界面見圖5。5項(xiàng)輸入條件為：2坐標(biāo)系之間的間距、地形面、圍墻/柵欄邊界、目標(biāo)文件夾以及定位坐標(biāo)系在Z軸方向上與邊界的偏移距離。該功能可一次性將當(dāng)前選中邊界包含的標(biāo)準(zhǔn)長度和非標(biāo)準(zhǔn)長度的圍墻/柵欄的坐標(biāo)系全部計(jì)算出來。

圖4 輕量化之后的模型結(jié)構(gòu)樹

圖5 定位坐標(biāo)系計(jì)算的界面

圖6 計(jì)算所得坐標(biāo)系

該功能的實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)在于確定拐點(diǎn)末端位置坐標(biāo)系的方向及此處圍墻/柵欄的長度計(jì)算。計(jì)算所得的坐標(biāo)系見圖6，黑色坐標(biāo)系為標(biāo)準(zhǔn)長度圍墻/柵欄的定位坐標(biāo)系，紅色坐標(biāo)系為非標(biāo)準(zhǔn)長度圍墻/柵欄的定位坐標(biāo)系。

2.3.2 裝配/實(shí)例化相關(guān)的模型/模板

裝配/實(shí)例化相關(guān)的模型/模板對(duì)應(yīng)實(shí)現(xiàn)流程中的后2個(gè)環(huán)節(jié)。非標(biāo)準(zhǔn)長度構(gòu)件的實(shí)例化采用批量實(shí)例化Power Copy的方式（見圖7），4項(xiàng)輸入條件為：存放模板3D Part的ID、所用模板的名稱、用于定位坐標(biāo)系的文件夾和目標(biāo)文件夾。

批量裝配標(biāo)準(zhǔn)長度構(gòu)件的界面見圖8，3項(xiàng)輸入條件為：存放定位坐標(biāo)系的文件夾、目標(biāo)裝配文件ID和用于裝配的構(gòu)件ID。

圖7 批量實(shí)例化非標(biāo)準(zhǔn)長度構(gòu)件的界面

2.4 實(shí)現(xiàn)效果

該方法廣泛適用于路基、車站等地段圍墻/柵欄的BIM設(shè)計(jì)工作，并通過程序開發(fā)有效提高了圍墻/柵欄的BIM設(shè)計(jì)效率。目前，已在京雄高鐵、牡佳客專、鹽通客專等多個(gè)項(xiàng)目中應(yīng)用。以站內(nèi)圍墻BIM模型設(shè)計(jì)為例，手工建模往往需要3～5 d，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。采用開發(fā)工具后，基本可在4 h內(nèi)完成，大大提高了設(shè)計(jì)效率。

圖8 批量裝配標(biāo)準(zhǔn)長度構(gòu)件的界面

3 結(jié)束語

利用該方法能夠比較快速地完成圍墻/柵欄的BIM設(shè)計(jì)工作，但仍存在一些問題：（1）現(xiàn)場(chǎng)施工過程中，圍墻/柵欄所在位置的場(chǎng)地均事先經(jīng)過整平，此過程難以在BIM設(shè)計(jì)中進(jìn)行模擬。由于直接將圍墻/柵欄放置于地面之上，在地面起伏時(shí)，相連的圍墻/柵欄會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)問題（見圖9），影響美觀；（2）該方法較手工建模效率雖有較大提升，但仍存在改進(jìn)空間。在后續(xù)工作中，可考慮采用多線程裝配、制作Component Family模板等方法進(jìn)一步提高效率。

圖9 圍墻錯(cuò)臺(tái)問題示意圖