張杰

（1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 線路站場(chǎng)設(shè)計(jì)研究院，湖北 武漢 430063；2.鐵路軌道安全服役湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430063）

0 引言

隨著各種新技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，我國(guó)鐵路工程也面臨新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)［1］。BIM技術(shù)是鐵路設(shè)計(jì)行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，將BIM技術(shù)引入鐵路工程設(shè)計(jì)，可全面提升安全生產(chǎn)、運(yùn)營(yíng)管理、客運(yùn)服務(wù)的現(xiàn)代化水平［2］。目前，Autodesk公司的Revit軟件以其強(qiáng)大功能，得到廣大設(shè)計(jì)人員的認(rèn)可，并憑借其在建筑行業(yè)的優(yōu)異表現(xiàn)成為市場(chǎng)占有率較高、應(yīng)用范圍較廣的BIM建模軟件［3-4］。但是，對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的Revit設(shè)計(jì)還存在一定缺陷，如基于Revit建立的標(biāo)高軸網(wǎng)、構(gòu)件選取、模型放置等，不便于進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)驅(qū)動(dòng)和精確定位［5］，而手動(dòng)建模重復(fù)性工作較多，建模效率和精度不高。Dynamo是基于Revit的可視化編程插件，設(shè)計(jì)人員可自定義節(jié)點(diǎn)間的邏輯關(guān)系，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化批量建模，從而提高建模效率和精度。

1 工程概況

新建福廈鐵路北起福州，銜接合福高鐵、向莆鐵路，經(jīng)莆田、泉州，南至廈門、漳州，銜接廈深、龍廈鐵路。福廈鐵路既是構(gòu)建京福廈高速鐵路的客運(yùn)通道，也是長(zhǎng)江三角洲經(jīng)海峽西岸至珠江三角洲的高標(biāo)準(zhǔn)客運(yùn)聯(lián)系通道。福廈鐵路正線采用CRTS雙塊式無(wú)砟軌道，其結(jié)構(gòu)主要由60 kg/m鋼軌、SK-Ⅱ型雙塊式軌枕、WJ-8B型扣件、軌道板、底座等組成。以福廈鐵路CRTS雙塊式無(wú)砟軌道為研究對(duì)象，探索軌道BIM參數(shù)化設(shè)計(jì)思路［6-7］，并基于Dynamo可視化編程技術(shù)，對(duì)軌道BIM參數(shù)化建模的實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行研究。

2 Dynamo可視化編程

Dynamo是一款典型樹(shù)狀架構(gòu)的基于流程圖的可視化編程軟件，其代碼最小單位為節(jié)點(diǎn)（Node），用戶在節(jié)點(diǎn)左邊輸入（Input）數(shù)據(jù)，從節(jié)點(diǎn)右邊輸出（Output）數(shù)據(jù)，層層節(jié)點(diǎn)，依次邏輯相連，最終構(gòu)成完整腳本。作為Revit的插件，Dynamo與Revit交互時(shí)，其圖形顯示區(qū)原點(diǎn)與Revit項(xiàng)目樣板原點(diǎn)在同一位置，當(dāng)Revit項(xiàng)目?jī)?nèi)某個(gè)坐標(biāo)的構(gòu)件被Dynamo關(guān)聯(lián)讀取時(shí)，Dynamo圖形顯示區(qū)就出現(xiàn)在相應(yīng)坐標(biāo)位置［8］。Dynamo與Revit交互示意見(jiàn)圖1。

圖1 Dynamo與Revit交互示意圖

Dynamo利用規(guī)范化框架，將預(yù)定義功能節(jié)點(diǎn)連接，通過(guò)可視化界面定義程序的說(shuō)明及關(guān)系。在Dynamo中采用節(jié)點(diǎn)或模塊建立的軌道幾何模型與Revit無(wú)縫銜接［8］，Dynamo程序代碼驅(qū)動(dòng)軌道部件的坐標(biāo)信息等數(shù)據(jù)，便可在Revit樣板文件中生成軌道BIM模型。當(dāng)修改Dynamo文件中的坐標(biāo)等參數(shù)并運(yùn)行后，Revit軌道模型進(jìn)行相應(yīng)更新。

3 設(shè)計(jì)內(nèi)容

3.1 設(shè)計(jì)流程

為減少重復(fù)建模，實(shí)現(xiàn)軌道部件自動(dòng)裝配設(shè)計(jì)，以CRTS雙塊式無(wú)砟軌道的鋼軌、軌枕、扣件、道床板、底座等為對(duì)象，分別建立自適應(yīng)構(gòu)件庫(kù)，并基于Dynamo進(jìn)行編程設(shè)計(jì)，使用參數(shù)調(diào)用構(gòu)件組裝模型，完成CRTS雙塊式無(wú)砟軌道的結(jié)構(gòu)建模。

CRTS雙塊式無(wú)砟軌道BIM設(shè)計(jì)流程如下：

（1）根據(jù)線路、橋梁、路基等專業(yè)提供的資料，計(jì)算軌道坐標(biāo)點(diǎn)，形成軌道設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)文件；

（2）建立鋼軌、道床板、底座等軌道自適應(yīng)構(gòu)件，以及軌枕、扣件構(gòu)件［9］；

（3）基于Dynamo進(jìn)行軌道BIM設(shè)計(jì)；

（4）批量軌道模型裝配。

3.2 數(shù)據(jù)文件設(shè)計(jì)

3.2.1 切線支距法計(jì)算

根據(jù)線路平面資料，采用切線支距法（即直角坐標(biāo)法）計(jì)算線路各點(diǎn)坐標(biāo)值。以HZi-1—ZHi—HZi—ZHi+1任意點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算為例，線路平曲線示意見(jiàn)圖2。已知曲線的起終點(diǎn)里程和交點(diǎn)JD坐標(biāo)，A為線路導(dǎo)線方位角、R為圓曲線半徑、l0為緩長(zhǎng)，對(duì)直線段、緩和曲線段（前/后）、圓曲線段分別進(jìn)行逐樁坐標(biāo)計(jì)算，形成軌道設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)文件。

圖2 線路平曲線示意圖

（1）直線段坐標(biāo)計(jì)算。

式中：Ai-1，i為交點(diǎn)JDi-1至JDi的坐標(biāo)方位角；Di為計(jì)算里程點(diǎn)至HZi-1的里程差。

（2）緩和曲線段坐標(biāo)計(jì)算。

以ZHi點(diǎn)為圓心，ZHi點(diǎn)切線方向?yàn)閤軸，建立局部坐標(biāo)系，計(jì)算緩和曲線上各點(diǎn)坐標(biāo)。

式中：C=Ri?l0；Di為計(jì)算里程點(diǎn)至ZHi的里程差。

（3）圓曲線段坐標(biāo)計(jì)算。

以ZHi點(diǎn)為圓心，ZHi點(diǎn)切線方向?yàn)閤軸，建立局部坐標(biāo)系，計(jì)算圓曲線上各點(diǎn)坐標(biāo)。

3.2.2 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

根據(jù)3.2.1可知，緩和曲線和圓曲線的軌道點(diǎn)坐標(biāo)，均在以ZHi為圓心建立的相對(duì)坐標(biāo)系中計(jì)算所得。為了統(tǒng)一坐標(biāo)，將相對(duì)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為世界坐標(biāo)系。

（1）前緩和曲線、圓曲線段坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

式中：當(dāng)曲線為左轉(zhuǎn)角時(shí)，yi=-yi；Ai-1，i為交點(diǎn)JDi-1至JDi的坐標(biāo)方位角。

（2）后緩和曲線坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

式中：當(dāng)曲線為右轉(zhuǎn)角時(shí)，yi=-yi；Ai，i+1為交點(diǎn)JDi至JDi+1的坐標(biāo)方位角。

軌道是沿線路布置的帶狀構(gòu)筑物。在Revit中，主要采用“以直代曲”的方式實(shí)現(xiàn)軌道結(jié)構(gòu)沿線路曲線的布置，即將曲線劃分為若干較短直線，計(jì)算所有“直線段”起終點(diǎn)的坐標(biāo)等數(shù)據(jù)信息，作為軌道設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)文件。根據(jù)線路、路基、橋梁、隧道的基礎(chǔ)資料，按照式（1）—式（5），計(jì)算出軌道設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。

3.3 構(gòu)件建立

福廈鐵路CRTS雙塊式無(wú)砟軌道的軌枕、扣件均為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，其外觀尺寸參數(shù)、配筋設(shè)計(jì)相同，均采用常規(guī)構(gòu)件模型；由于橋梁地段道床板分塊設(shè)計(jì)，道床板和底座分塊長(zhǎng)度一般為5～7 m，常規(guī)構(gòu)件模型很難滿足BIM建模要求，因此采用自適應(yīng)構(gòu)件模型。

在創(chuàng)建Revit自適應(yīng)構(gòu)件時(shí)，首先要確定構(gòu)件模型的自適應(yīng)點(diǎn)，在自適應(yīng)公制常規(guī)模型樣板文件下，建立自適應(yīng)點(diǎn)之間的路徑，自適應(yīng)點(diǎn)可沿路徑自動(dòng)拉伸形成實(shí)體形狀，通過(guò)Dynamo參數(shù)驅(qū)動(dòng)，完成模型裝配。

在Revit中，CRTS雙塊式無(wú)砟軌道的自適應(yīng)構(gòu)件模型建立流程見(jiàn)圖3，構(gòu)件模型見(jiàn)圖4。

圖3 自適應(yīng)構(gòu)件模型建立流程

圖4 構(gòu)件模型

3.4 軌道BIM設(shè)計(jì)

（1）Excel數(shù)據(jù)讀取。利用Excel.ReadFromFile節(jié)點(diǎn)，將帶有軌道坐標(biāo)信息的Excel數(shù)據(jù)導(dǎo)入Dynamo（見(jiàn)圖5）。若后期需要修改模型，用戶只需更改Excel數(shù)據(jù)，Revit即可在Dynamo驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行模型更新響應(yīng)。

圖5 Excel數(shù)據(jù)導(dǎo)入Dynamo

（2）坐標(biāo)點(diǎn)處理。從Excel中讀取的數(shù)據(jù)是單個(gè)數(shù)據(jù)組成的列表形式，鋼軌、軌枕、道床板等模型裝配的核心，是模型放樣需對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)信息。Dynamo讀取Excel數(shù)據(jù)是以行為單位進(jìn)行列表的存儲(chǔ)，借助List.Fatten和List.Transpose節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的展平及轉(zhuǎn)置，對(duì)轉(zhuǎn)置后的數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)提取及分組（見(jiàn)圖6）。

圖6 坐標(biāo)點(diǎn)處理

（3）自適應(yīng)構(gòu)件列表創(chuàng)建。以鋼軌建模為例，將鋼軌自適應(yīng)構(gòu)件模型沿坐標(biāo)點(diǎn)放置，首先將建好的鋼軌自適應(yīng)構(gòu)件模型通過(guò)FamilyType.ByName節(jié)點(diǎn)載入Dynamo程序，再借助AdaptiveComponent.ByPoints節(jié)點(diǎn)，通過(guò)點(diǎn)的二維數(shù)組創(chuàng)建鋼軌自適應(yīng)構(gòu)件列表（見(jiàn)圖7）。

圖7 自適應(yīng)構(gòu)件列表創(chuàng)建

（4）軌枕扣件構(gòu)件實(shí)例列表創(chuàng)建。以軌枕建模為例，以相同方法計(jì)算軌枕構(gòu)件放置坐標(biāo)點(diǎn)后，需要將軌枕按照線路平面方位角進(jìn)行調(diào)整。首先讀取軌枕放置點(diǎn)的切向量，通過(guò)切向量的X、Y分量，計(jì)算平面方位角，即軌枕的旋轉(zhuǎn)角度。借助FamilyInstance.SetRotation節(jié)點(diǎn)完成軌枕構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)，建立軌枕構(gòu)件實(shí)例列表（見(jiàn)圖8）。

圖8 軌枕扣件構(gòu)件實(shí)例列表創(chuàng)建

3.5 批量模型裝配

將已加載的鋼軌、軌枕、扣件、道床板和底座的構(gòu)件模型，分別通過(guò)FamilyType.ByName節(jié)點(diǎn)導(dǎo)入Dynamo程序，點(diǎn)擊運(yùn)行后，在Revit中生成裝配完整的BIM模型（見(jiàn)圖9）。更改Excel數(shù)據(jù)時(shí)，Revit在Dynamo驅(qū)動(dòng)下快速進(jìn)行模型更新。

圖9 CRTS雙塊式無(wú)砟軌道BIM模型

4 結(jié)束語(yǔ)

作為信息化的重要手段，BIM技術(shù)是實(shí)現(xiàn)建設(shè)工程項(xiàng)目全生命周期管理的核心技術(shù)［10］。為實(shí)現(xiàn)“精品工程、智能福廈”的建設(shè)目標(biāo)，全力打造“中國(guó)高鐵建設(shè)2.0版”，結(jié)合福廈鐵路BIM試點(diǎn)項(xiàng)目，探索Dynamo可視化編程技術(shù)在無(wú)砟軌道BIM設(shè)計(jì)中的應(yīng)用思路和設(shè)計(jì)流程，完成CRTS雙塊式無(wú)砟軌道BIM模型設(shè)計(jì)。建立軌道自適應(yīng)構(gòu)件，通過(guò)Dynamo與Revit交互，“一鍵生成”軌道BIM模型。實(shí)踐表明，Dynamo可視化編程技術(shù)可提升CRTS雙塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)建模效率，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，為后續(xù)鐵路軌道BIM設(shè)計(jì)提供參考，推動(dòng)鐵路工程信息化、智能化發(fā)展。