張曉東,翟浩君

(1.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院,石家莊 050043； 2.石家莊鐵道大學(xué)交通運輸學(xué)院,石家莊 050043)

BIM(Building Information Modeling，建筑信息模型)作為建筑與土木工程領(lǐng)域的新工具，已在全球范圍內(nèi)得到業(yè)界的廣泛認(rèn)可。目前，BIM在建筑工程領(lǐng)域的應(yīng)用已趨于成熟[1-3]，在交通橋梁、隧道工程中也取得了一定的研究成果[4-9]。但BIM在鐵路軌道工程領(lǐng)域的應(yīng)用尚處于起步階段。高速鐵路無砟軌道是高速列車運行的直接基礎(chǔ)，利用BIM技術(shù)實現(xiàn)無砟軌道信息的集成，從設(shè)計、施工到運維的全壽命周期內(nèi)，為參與各方提供一個信息共享和協(xié)同工作的平臺，必將創(chuàng)造巨大的應(yīng)用價值[10-12]。由于無砟軌道結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和精密性，創(chuàng)建與鐵路線形和線下結(jié)構(gòu)(路基、橋梁、隧道)準(zhǔn)確適配的無砟軌道模型成為BIM技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。近年來，國內(nèi)學(xué)者對無砟軌道BIM建模展開了研究。吳明輝[13]利用Revit軟件創(chuàng)建了彈性支承塊式無砟軌道族庫，并采用自適應(yīng)公制常規(guī)族模型樣板，軌道模型沿線路中心線上的一系列自適應(yīng)點構(gòu)件，實現(xiàn)了與線形的匹配，但彎曲的軌道板結(jié)構(gòu)與實際不符合；王洋[14]利用Revit二次開發(fā)，使無砟軌道各個組成構(gòu)件模型按軌道部件間的相對位置依次加載，無縫貼合組裝形成完整的軌道模型，但并未考慮模型與實際鐵路線形匹配問題。相關(guān)研究根本上是基于建筑模型的思路和方法，不能滿足無砟軌道BIM模型的特殊性要求，未能解決無砟軌道BIM建模的難點。無砟軌道建模的特殊性和難點在于：無砟軌道部件多、構(gòu)造精密復(fù)雜，相較于一般建筑結(jié)構(gòu)，對BIM模型的精度要求更高；鐵路線形復(fù)雜，需考慮軌道的幾何形態(tài)與不同線形的匹配，如曲線處的超高及其過渡，以及其與縱斷面的組合；需考慮無砟軌道與不同線下結(jié)構(gòu)的匹配；另外，鐵路線路往往長達(dá)數(shù)百甚至上千千米，建模工作量巨大，采用傳統(tǒng)建模方案需要存儲的信息量極大，模型加載耗時長，對計算機的性能要求高。以我國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)CRTS Ⅲ型板式無砟軌道為研究對象，提出軌道結(jié)構(gòu)單元的概念，對其參數(shù)進(jìn)行分析歸納，研究了軌道結(jié)構(gòu)單元族的創(chuàng)建方法、實例化參數(shù)的獲取方法，并利用Revit二次開發(fā)技術(shù)實現(xiàn)了無砟軌道快速建模。該方法僅存儲線路設(shè)計信息，能夠根據(jù)用戶所需實時分段生成適配實際鐵路線形與線下結(jié)構(gòu)的無砟軌道精密模型。

1 軌道結(jié)構(gòu)單元及其參數(shù)分析

1.1 軌道結(jié)構(gòu)分析及軌道結(jié)構(gòu)單元概念的提出

CRTSⅢ型板式無砟軌道[15]是我國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的一種軌道結(jié)構(gòu)類型，由鋼軌、扣件、軌道板、自密實混凝土層(含凸臺)、隔離層(含凹槽四周的彈性墊層)、混凝土底座(設(shè)限位凹槽)等部件組成，如圖1所示。軌道沿線路縱向分塊構(gòu)筑，即根據(jù)線下結(jié)構(gòu)的不同，無砟道床每隔3～6 m斷開，設(shè)置間隔縫。無砟道床與線形、線下結(jié)構(gòu)以1個分塊長度為單位進(jìn)行適配。為建模方便，將無砟道床的1個分塊及其上的鋼軌、扣件作為1個單位，定義為1個軌道結(jié)構(gòu)單元。因此無砟軌道可以看作是由軌道結(jié)構(gòu)單元組成的，如圖2所示。隨鐵路線形的變化，軌道結(jié)構(gòu)單元的位置、坡度、方向及組成部件的形狀、尺寸及相對位置都需進(jìn)行調(diào)整。軌道結(jié)構(gòu)單元也需與其線下結(jié)構(gòu)橋梁、隧道相適配。

圖1 CRTS Ⅲ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)組成

圖2 基于軌道結(jié)構(gòu)單元概念無砟軌道結(jié)構(gòu)分析

1.2 軌道結(jié)構(gòu)單元參數(shù)分析

根據(jù)構(gòu)建族庫和實例化的需要，軌道結(jié)構(gòu)單元主要參數(shù)分為基本參數(shù)和適配參數(shù)兩類。

基本參數(shù)是指構(gòu)建軌道結(jié)構(gòu)單元族時所用到的軌道各部件尺寸、材料屬性等參數(shù)。由于扣件、鋼軌等部件類型多、構(gòu)造復(fù)雜，因此，預(yù)先構(gòu)建相應(yīng)族庫，在軌道結(jié)構(gòu)單元參數(shù)中以其類型作為參數(shù)。

模型實例化時，為滿足線路線形變化引起的軌道結(jié)構(gòu)特征的變化以及軌道結(jié)構(gòu)與線下結(jié)構(gòu)的匹配，軌道結(jié)構(gòu)單元的長度、位置、坡度、方向及組成部件的形狀、尺寸及相對位置等參數(shù)需進(jìn)行調(diào)整，相關(guān)參數(shù)稱為適配參數(shù)。因軌道結(jié)構(gòu)單元中軌道板、自密實混凝土和底座的長度相同，因此，統(tǒng)一為軌道結(jié)構(gòu)單元長度。軌道結(jié)構(gòu)單元參數(shù)匯總見表1。

表1 軌道結(jié)構(gòu)單元參數(shù)信息

2 軌道結(jié)構(gòu)單元族的創(chuàng)建方法

軌道結(jié)構(gòu)單元族是組成無砟軌道模型的基本構(gòu)件。根據(jù)軌道結(jié)構(gòu)及其參數(shù)的分析，軌道結(jié)構(gòu)單元族的層次結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 軌道結(jié)構(gòu)單元族層次結(jié)構(gòu)

由于軌道結(jié)構(gòu)單元族結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需考慮各部件間的位置關(guān)系并滿足實例化時不同線形下軌道部件的形狀與部件間相對位置的調(diào)整，滿足參數(shù)間的約束關(guān)系，采用公制常規(guī)模型族樣板文件與基于面的公制常規(guī)族樣板文件創(chuàng)建軌道結(jié)構(gòu)單元族。具體步驟如下。

(1)根據(jù)對軌道結(jié)構(gòu)單元族層次結(jié)構(gòu)的分析，按軌道部件的相對位置，分別在公制常規(guī)模型族樣板文件中創(chuàng)建軌道結(jié)構(gòu)單元各個組成構(gòu)件的參數(shù)化族模型，如圖4所示。

圖4 軌道結(jié)構(gòu)單元組成構(gòu)件族

(2)分別將各軌道構(gòu)件族載入到基于面的公制常規(guī)族模型樣板中，并將族模型附著在族模型樣板中自帶的附著面上，形成基于面的軌道部件族。創(chuàng)建的基于面的自密實混凝土族如圖5所示。

圖5 基于面的自密實混凝土族

(3)將基于面的軌道部件族載入到軌道結(jié)構(gòu)單元主體族中，選擇軌道結(jié)構(gòu)單元主體族的基準(zhǔn)點即族在項目中的插入點，根據(jù)軌道結(jié)構(gòu)各部件間的位置關(guān)系創(chuàng)建相應(yīng)的參照線與參照平面等輔助線，按底座—自密實混凝土—軌道板—扣件—鋼軌的順序，前一個軌道部件族上表面作為附著面，將后一個軌道部件族附著在上面，并通過復(fù)制、移動、對齊、陣列等操作，使各個軌道部件族嵌套組裝為軌道結(jié)構(gòu)單元族，根據(jù)對軌道結(jié)構(gòu)單元參數(shù)的分析，添加相應(yīng)族參數(shù)，并與組成構(gòu)件族的參數(shù)關(guān)聯(lián)，通過改變族類型參數(shù)，設(shè)置多種軌道結(jié)構(gòu)單元類型族。創(chuàng)建的軌道結(jié)構(gòu)單元族如圖6所示。

圖6 軌道結(jié)構(gòu)單元族

3 軌道結(jié)構(gòu)單元族實例化參數(shù)信息的獲取方法

參數(shù)化創(chuàng)建無砟軌道模型的實質(zhì)是軌道結(jié)構(gòu)單元族的實例化。每個軌道結(jié)構(gòu)單元模型需要準(zhǔn)確定位并與鐵路線形及線下結(jié)構(gòu)精確適配。因此，基于鐵路線路設(shè)計信息(平面設(shè)計線數(shù)據(jù)、縱斷面設(shè)計線數(shù)據(jù)、線下結(jié)構(gòu)信息)，獲取每個軌道結(jié)構(gòu)單元的實例化參數(shù)信息是無砟軌道精確建模的基礎(chǔ)。

每個軌道結(jié)構(gòu)單元的類型、鋪設(shè)里程和板縫值利用布板設(shè)計方法[16-19]，考慮無砟軌道結(jié)構(gòu)單元與線下結(jié)構(gòu)(路基、橋梁、隧道)的匹配確定。軌道結(jié)構(gòu)單元定位點的三維坐標(biāo)、方向、仰角以及承軌臺的調(diào)偏、調(diào)高值，根據(jù)線路平面、縱斷面信息確定。

3.1 軌道結(jié)構(gòu)單元參數(shù)分析

由線路平面設(shè)計信息(各交點坐標(biāo)，各曲線的半徑Ri、緩和曲線長Li)可以計算出每條曲線的切線方向(Ai-1，i、Ai，i+1)、主點里程(MZHi、MHYi、MYHi、MHZi)、主點坐標(biāo)(XZHi、YZHi、XHYi、YHYi、XYHi、YYHi、XHZi、YHZi)等[20-21]。根據(jù)軌道結(jié)構(gòu)單元里程可確定其所在直線、曲線及曲線上的位置(第一緩和曲線、圓曲線、第二緩和曲線)，不同位置的軌道結(jié)構(gòu)單元定位坐標(biāo)X、Y、Z的計算方法如下。

(1)第i個曲線后直線上軌道結(jié)構(gòu)單元平面定位坐標(biāo)計算

X=XHZI-1+lcos(Ai-1，i)

(1)

Y=YHZI-1+lsin(Ai-1，i)

(2)

式中，l為軌道結(jié)構(gòu)單元距前一主點的距離，l=(Mt-MHZi)。

(2)第i個曲線第一緩和曲線上軌道結(jié)構(gòu)單元平面定位坐標(biāo)計算

X=XZHI+xcos(Ai-1，i)-Kysin(Ai-1，i)

(3)

Y=YZHI+xsin(Ai-1，i)+Kycos(Ai-1，i)

(4)

其中

(5)

(6)

式中，K為曲線轉(zhuǎn)向標(biāo)識符，左轉(zhuǎn)曲線取1，右轉(zhuǎn)曲線取-1；l為軌道結(jié)構(gòu)單元距前一主點的距離，l=Mt-MZHi。

(3)第i個曲線圓曲線上軌道結(jié)構(gòu)單元平面定位坐標(biāo)計算

X=XZHI+xcos(Ai-1，i)-Kysin(Ai-1，i)

(7)

Y=YZHI+xsin(Ai-1，i)+Kycos(Ai-1，i)

(8)

其中

(9)

(10)

式中，l為軌道結(jié)構(gòu)單元距前一主點的距離，l=Mt-MHYi；β0、q、p為緩和曲線常數(shù)，分別為緩和曲線切線角、切垂距、圓曲線內(nèi)移距。

(4)第i個曲線第二緩和曲線上軌道結(jié)構(gòu)單元平面定位坐標(biāo)計算

X=XHZI+xcos(Ai，i+1)+Kysin(Ai，i+1)

(11)

Y=YHZI+xsin(Ai，i+1)-Kycos(Ai，i+1)

(12)

其中

x=l

(13)

(14)

式中，l為軌道結(jié)構(gòu)單元距前一主點的距離，l=Mt-MYHi。

(5)軌道結(jié)構(gòu)單元豎向坐標(biāo)的計算

里程為Mt、位于第i個坡段上的軌道結(jié)構(gòu)單元高程Z為

(15)

式中，Z0為線路起點高程；li、ii分別為第i個坡段的坡長和坡度。

3.2 軌道結(jié)構(gòu)單元的方向、仰角及承軌臺的調(diào)偏、調(diào)高值計算

3.2.1 軌道結(jié)構(gòu)單元的方向和仰角計算

(1)第i個軌道結(jié)構(gòu)單元的方向

(16)

(2)第i個軌道結(jié)構(gòu)單元的仰角

(17)

3.2.2 承軌臺的調(diào)偏、調(diào)高值計算

(1)承軌臺的橫向調(diào)偏值

緩和曲線與圓曲線地段的承軌臺需要橫向調(diào)偏。板中承軌臺的偏移值為

(18)

式中，LS為板長加板縫的長度；R為所在曲線的半徑。

板中往兩側(cè)第n個承軌臺的調(diào)偏值為

(19)

式中，d為承軌臺間距。

當(dāng)軌道結(jié)構(gòu)單元位于緩和曲線上時，將上述計算式中半徑R替換為曲率半徑ρ

(20)

式中，L為緩和曲線長；l為板中距離ZH點或HZ點的距離。

對于右偏曲線將位于沿線路行進(jìn)方向軌道板左側(cè)的承軌臺依次調(diào)高，左偏曲線將右側(cè)承軌臺依次調(diào)高。

(2)從ZH點或HZ點起(含)第n個承軌臺的豎向調(diào)高值為

(21)

式中，h為圓曲線地段的外軌超高值。

對于右偏曲線將位于沿線路行進(jìn)方向軌道板左側(cè)的承軌臺依次調(diào)高，左偏曲線將右側(cè)承軌臺依次調(diào)高。

4 CRTSⅢ型板式無砟軌道快速建模的實現(xiàn)

鐵路線路往往長達(dá)數(shù)百甚至上千千米，建模工作量巨大，模型存儲量大，加載耗時長，對計算機性能要求高。利用Autodesk公司Revit軟件提供的強大的二次開發(fā)功能[22-25]，開發(fā)CRTS Ⅲ型板式無砟軌道快速建模系統(tǒng)，代替了大量簡單重復(fù)性建模工作。同時，模型并不需要提前創(chuàng)建并存儲，僅需存儲模型參數(shù)，可按需(里程段)實時快速生成相應(yīng)的無砟軌道BIM模型，相比傳統(tǒng)建模方法減少了模型存儲量與模型加載耗時，降低了對計算機硬件的要求，顯著提高了工作效率。

4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

CRTS Ⅲ型板式無砟軌道快速建模系統(tǒng)主要由兩大模塊組成，分別為模型數(shù)據(jù)庫管理模塊和模型生成模塊。模型數(shù)據(jù)庫管理模塊的功能是利用項目的基礎(chǔ)設(shè)計數(shù)據(jù)，計算整個項目中各軌道結(jié)構(gòu)單元的實例化參數(shù)信息，生成項目的模型數(shù)據(jù)，存儲并管理，作為建模的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。模型數(shù)據(jù)庫管理模塊的運行不依賴Revit平臺，雖存儲整個項目的數(shù)據(jù)，但僅存儲參數(shù)數(shù)據(jù)，存儲量小。模型生成模塊在Revit平臺下運行，其功能是按照用戶需求，利用模型數(shù)據(jù)庫，快速生成用戶指定區(qū)間的BIM模型并呈現(xiàn)給用戶。模型生成模塊建立的模型一般是局部模型，建模速度快、操作響應(yīng)快、可按需實時生成，也可作為存儲備用，存儲量小、加載快。

4.2 主要模塊的設(shè)計

模型數(shù)據(jù)庫中模型數(shù)據(jù)的創(chuàng)建方法如圖7所示。

圖7 模型數(shù)據(jù)的創(chuàng)建方法

模型生成模塊的實現(xiàn)方法如圖8所示。

圖8 模型生成模塊的實現(xiàn)過程

4.3 軌道結(jié)構(gòu)單元族實例化方法

軌道結(jié)構(gòu)單元族的實例化是創(chuàng)建無砟軌道BIM模型的關(guān)鍵。每個軌道結(jié)構(gòu)單元模型的創(chuàng)建分兩步實現(xiàn)，即創(chuàng)建軌道結(jié)構(gòu)單元族實例與修改族實例參數(shù)信息，具體實現(xiàn)方法如圖9所示。

圖9 軌道結(jié)構(gòu)單元模型創(chuàng)建方法

圖10為某鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道BIM模型(局部)。

圖10 某鐵路CRTS Ⅲ型板式無砟軌道BIM模型(局部)

5 結(jié)論

(1)本文提出軌道結(jié)構(gòu)單元概念，作為族的基礎(chǔ)和無砟軌道建模的單元，便于實現(xiàn)建模的參數(shù)化和無砟軌道與線形、線下結(jié)構(gòu)的精確適配。

(2)將軌道結(jié)構(gòu)單元的參數(shù)分析歸納為基本參數(shù)和適配參數(shù)，提出了實例化參數(shù)的獲取方法，為無砟軌道參數(shù)化精確建模奠定了基礎(chǔ)。

(3)提出軌道結(jié)構(gòu)單元族的創(chuàng)建方法，并基于Revit二次開發(fā)技術(shù)開發(fā)了無砟軌道快速建模程序，給出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和各功能模塊的實現(xiàn)方法。

(4)模型單元的參數(shù)化和按需實時分段生成模型的建模思路和方法，相對人工建立并存儲模型的方法，存儲量小，無需一次全部加載，對硬件性能要求低，工作效率高。