基于 Civil 3D部件編輯器的鐵路BIM部件模型構(gòu)建研究

夏 宇，譚衢霖,2，蔡小培，秦曉春

（1.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044；

2.北京交通大學(xué) 線路工程空間信息技術(shù)研究所，北京 100044）

建筑信息化模型（BIM，Building Information Modeling）是一種應(yīng)用于工程項(xiàng)目規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建造、管理、運(yùn)營的數(shù)字信息化工具[1]。通過建立虛擬的工程項(xiàng)目三維模型，利用數(shù)字化信息技術(shù)，為工程項(xiàng)目提供完整的、與實(shí)際情況一致的建筑工程信息庫，在工程項(xiàng)目全生命周期過程中進(jìn)行共享和傳遞，為各建設(shè)主體提供協(xié)同工作的基礎(chǔ)。將BIM 技術(shù)運(yùn)用到鐵路線路工程的設(shè)計(jì)中，可以實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目的可視化管理、工程信息傳遞共享，從而提高鐵路線路工程的信息集成效率，保證工程質(zhì)量，降低成本。文獻(xiàn)[2]研究了基于BIM的三維鐵路道岔各個(gè)組成部分和計(jì)算方法，設(shè)計(jì)可視化界面，實(shí)現(xiàn)了不同型號的三維道岔建模；文獻(xiàn)[3]研究了鐵路BIM三維場景的構(gòu)建，建立了鐵路沿線地形、構(gòu)造物、附屬設(shè)施等三維模型；文獻(xiàn)[4]利用Civil 3D 部件編輯器，擬合路線平、縱、橫斷面的隧道部件，建立了隧道參數(shù)化BIM模型；文獻(xiàn)[5]研究了基于VBA的軌道結(jié)構(gòu)三維數(shù)字化的建模方法，對建立軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)化標(biāo)準(zhǔn)件立體庫方面進(jìn)行了初步探索與研究。本文基于Autodesk Civil 3D部件編輯器（SAC，Subassembly Composer）研究自定義部件參數(shù)化信息模型的構(gòu)建方法。

1 部件裝配設(shè)計(jì)

1.1 部件編輯器

Civil 3D是一款面向基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)的BIM解決方案[6-7]，它提供了強(qiáng)大的設(shè)計(jì)分析和信息管理功能，其數(shù)字化曲面建模功能廣泛適用于勘察設(shè)計(jì)、巖土工程、交通運(yùn)輸、水利水電、市政工程等領(lǐng)域，可在各類工程設(shè)計(jì)對象之間建立智能化邏輯關(guān)系，設(shè)計(jì)人員通過智能對象動態(tài)地創(chuàng)建工程信息模型，便捷地把設(shè)計(jì)思路轉(zhuǎn)化成參數(shù)化模型。

部件作為其中一個(gè)重要組件，在道路、鐵路、管廊、輸電線等線性工程設(shè)計(jì)工作中發(fā)揮巨大作用，但Civil 3D 本身內(nèi)置的部件模型多為公路模型，無法直接應(yīng)用于鐵路工程設(shè)計(jì)，可通過軟件提供的SAC進(jìn)行定制化開發(fā)。

SAC是一種以繪制流程圖的方式創(chuàng)建帶有復(fù)雜邏輯的自定義部件，通過可視化的軟件界面和參數(shù)驅(qū)動方法創(chuàng)建部件模型。SAC通過自定義表達(dá)式或者調(diào)用Civil 3D中提供的土木工程對象相關(guān)的應(yīng)用程序編程接口（API）創(chuàng)建功能強(qiáng)大的裝配部件，不需要復(fù)雜的編程即可便捷高效地創(chuàng)建適用于各個(gè)專業(yè)的部件，并能實(shí)現(xiàn)批量出圖，從而提高設(shè)計(jì)效率。

1.2 部件與裝配

基于Civil 3D構(gòu)建鐵路線路部件模型，其核心步驟是使用部件進(jìn)行鐵路橫斷面裝配設(shè)計(jì)。

部件是用于組成橫斷面的基本設(shè)計(jì)元素，例如軌道、橋梁、路基、邊坡、擋墻等[8]。部件是由點(diǎn)（Point）、連接（Link）、造型（Shape）3種基本單元組成：點(diǎn)是部件幾何形狀的頂點(diǎn)；連接是點(diǎn)之間的連線，通過點(diǎn)的坐標(biāo)增量（水平增量dx和豎直增量dy）定義；造型是多個(gè)連接圍成的一個(gè)閉合區(qū)域。每個(gè)部件都可以由若干個(gè)點(diǎn)、連接和造型構(gòu)成。

橫斷面的裝配基準(zhǔn)樣式是由基準(zhǔn)線和基準(zhǔn)點(diǎn)構(gòu)成[9]。裝配的基準(zhǔn)線通常顯示為視覺輔助對象(標(biāo)記)，用于表示裝配基準(zhǔn)點(diǎn)處的垂直軸，可以通過選擇基準(zhǔn)線標(biāo)記實(shí)現(xiàn)在基準(zhǔn)點(diǎn)上附著部件；基準(zhǔn)點(diǎn)是裝配上的一個(gè)點(diǎn)，通常表示控制路線附近裝配上附著的第一個(gè)部件的起點(diǎn)，位于道路中線和縱斷面設(shè)計(jì)線上，根據(jù)不同的橫斷面情況進(jìn)行部件裝配。

不同的橫斷面形式需要不同的部件，Civil 3D提供了多種預(yù)定義部件，這些部件通過預(yù)設(shè)的邏輯判斷條件，結(jié)合目標(biāo)曲面模型可以智能地適應(yīng)復(fù)雜多變的橫斷面，例如當(dāng)挖方或填方超過一定高度，模型自動添加邊坡平臺[10]。工程項(xiàng)目中橫斷面形式往往復(fù)雜多變，當(dāng)預(yù)定義部件不能解決復(fù)雜、特殊的裝配問題時(shí)，Civil 3D提供了另外3種方法來創(chuàng)建自定義部件：（1）以CAD圖元的形式來創(chuàng)建；（2）通過C#和VB.NET API語言編程的方式來創(chuàng)建；（3）通過SAC的形式創(chuàng)建。3種創(chuàng)建自定義部件工具的比較分析如表1所示。

表1 部件創(chuàng)建方法對比

代碼（Code）是為部件中的幾何單元、點(diǎn)、連接、造型指定的具有特定工程含義的名稱。代碼的指定是創(chuàng)建連續(xù)部件的核心內(nèi)容，部件中的每個(gè)基本單元可以指定多個(gè)代碼，不同的單元可以指定相同的代碼，擁有相同代碼的幾何單元沿著路線方向進(jìn)行連接，形成連續(xù)的三維空間模型。點(diǎn)代碼控制要素線的生成，連接代碼控制路線三維帶狀面的生成，造型代碼控制道路三維空間實(shí)體的生成。

2 SAC部件構(gòu)建流程

基于SAC創(chuàng)建自定義參數(shù)化部件一般需要以下步驟：定義部件變量參數(shù)、添加幾何圖元、關(guān)聯(lián)幾何圖元、編輯部件、定義代碼、修改參數(shù)驅(qū)動圖元、調(diào)試運(yùn)行，如圖1所示。

圖1 SAC部件創(chuàng)建流程圖

（1）對于擬構(gòu)建的部件模型，根據(jù)其幾何形位和邏輯關(guān)系定義部件參數(shù)變量，指定參數(shù)數(shù)據(jù)類型（如坡度、斜率、超高等）；定義數(shù)據(jù)類別為輸入?yún)?shù)或輸出參數(shù)；對參數(shù)進(jìn)行賦值。

（2）添加幾何圖元，將幾何圖形元素（點(diǎn)、連接、造型、輔助點(diǎn)、曲線、插值點(diǎn)等）從工具箱拖放至流程圖中。

（3）根據(jù)圖元元素間的幾何關(guān)系，用命令（如Angle and Delta X（Y）、Angle and Distance、Delta X on Surface、Interpolate Point、Slope and Delta X（Y）、Slope to Surface等）將幾何圖元元素進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

（4）分析各個(gè)圖元間的邏輯關(guān)系，通過編寫API函數(shù)表達(dá)式進(jìn)一步完善部件復(fù)雜幾何關(guān)系。

（5）對圖元進(jìn)行代碼編寫，沿線路走向構(gòu)建連續(xù)的參數(shù)化模型，通過代碼將其連接，實(shí)現(xiàn)三維空間實(shí)體的生成。

（6）適當(dāng)調(diào)整部件參數(shù)變量或函數(shù)關(guān)系，驅(qū)動圖元可實(shí)現(xiàn)不同斷面參數(shù)部件模型的快速構(gòu)建。

（7）將部件在Civil 3D中調(diào)試運(yùn)行，最終完善部件模型。

3 鐵路BIM部件構(gòu)建

3.1 單線有砟軌道部件

Civil 3D內(nèi)置的單線有砟軌道部件中，鋼軌和軌枕用簡單幾何形狀近似代替實(shí)際結(jié)構(gòu)，難以滿足精細(xì)化建模的要求?；赟AC按照Ⅲ型混凝土軌枕、60 kg/m鋼軌進(jìn)行單線有砟軌道部件精細(xì)化建模，依次對道砟、底砟、軌枕、鋼軌進(jìn)行建模。

3.1.1 道砟結(jié)構(gòu)

（1）定義軌道坡度、軌枕間距、軌枕縱向長度、軌距、粗砟邊坡等參數(shù)變量，根據(jù)道砟寬度、道砟厚度、道砟坡度等參數(shù)設(shè)計(jì)道砟結(jié)構(gòu)；（2）根據(jù)底砟邊坡、底砟寬度等參數(shù)設(shè)計(jì)底砟結(jié)構(gòu)。

3.1.2 軌枕結(jié)構(gòu)

軌枕結(jié)構(gòu)為不連續(xù)模型，根據(jù)軌枕縱向長度L1及軌枕間距參數(shù)L2，按樁號位置判斷是否設(shè)置軌枕，定義變量并編寫VB表達(dá)式。對變量X進(jìn)行判斷，當(dāng)X＞0且X

表2 軌枕結(jié)構(gòu)主要參數(shù)及表達(dá)式

圖2 軌枕構(gòu)建流程

3.1.3 鋼軌結(jié)構(gòu)

根據(jù)軌枕結(jié)構(gòu)幾何關(guān)系，按照60 kg/m鋼軌的軌底、軌腰、軌頭幾何尺寸、標(biāo)準(zhǔn)軌距（1 435 mm）等形位關(guān)系分別構(gòu)建左右鋼軌結(jié)構(gòu)，進(jìn)行鋼軌結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模。編寫所有圖元的代碼，生成連續(xù)的三

維空間實(shí)體模型，單線有砟軌道部件如圖3所示。

圖3 單線有砟軌道部件

將SAC中構(gòu)建的單線有砟軌道部件保存為.pkt文件并導(dǎo)入到Civil 3D中進(jìn)行部件裝配，在三維場景模式下進(jìn)行渲染，三維軌道部件模型如圖4所示。

圖4 三維軌道部件模型

3.2 多級邊坡部件構(gòu)建

基于SAC進(jìn)行多級邊坡參數(shù)化建模，建模流程如圖5所示。

圖5 多級邊坡部件創(chuàng)建流程圖

3.2.1 單級邊坡構(gòu)建多級邊坡應(yīng)先進(jìn)行單級邊坡設(shè)計(jì)。（1）進(jìn)行填挖方判斷，創(chuàng)建目標(biāo)曲面，根據(jù)裝配點(diǎn)到地形曲面的空間距離判斷填挖方（API函數(shù)：p1.distance to surface(地形曲面）＞0時(shí)為填方，p1.distance to surface(地形曲面）<0時(shí)為挖方)；（2）定義邊坡高度、挖方坡比、填方坡比等變量，添加幾何圖元。創(chuàng)建輔助點(diǎn)AP1，根據(jù)幾何關(guān)系判斷邊坡形式，將輔助點(diǎn)根據(jù)填方坡比放坡到地形曲面點(diǎn)AP1，計(jì)算h值并與定義變量邊坡高度相比，若h≤H為單級邊坡；若h＞H則需設(shè)置多級邊坡（API函數(shù)：math.abs(p1.y-ap1.y)

3.2.2 多級邊坡

圖6 設(shè)置輔助點(diǎn)判斷邊坡形式

設(shè)計(jì)多級邊坡時(shí)，對平臺寬度和平臺坡度進(jìn)行定義變量，設(shè)置判斷函數(shù)判斷平臺類型。分別計(jì)算P2、AP2點(diǎn)到地形曲面的豎向距離Y1、Y2，若Y1Y2＞0，則為半寬平臺，直接放坡到地形曲面；若Y1Y2≤0，則為全寬平臺，Y1Y2<0時(shí)需繼續(xù)進(jìn)行放坡，此時(shí)，ap2點(diǎn)與p3點(diǎn)重合，以p3點(diǎn)為新的放坡點(diǎn)，進(jìn)行嵌套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，逐級進(jìn)行放坡。主要實(shí)現(xiàn)函數(shù)如下：p2.distance to surface(地形曲面）*ap2.distance to surface(地形曲面)<0為半寬平臺，p2.distance to surface(地形曲面）*ap2.distance to surface(地形曲面)＞0 or p2.distance to surface(地形曲面）*ap2.distance to surface(地形曲面)=0為全寬平臺。本文以構(gòu)建四級邊坡模型為例，當(dāng)構(gòu)建完成第3級邊坡的全寬平臺，對第4級邊坡直接放坡到地形曲面。如實(shí)際工程需要，可繼續(xù)進(jìn)行設(shè)計(jì)放坡嵌套結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)更高級數(shù)邊坡的建模。判斷平臺形式如圖7所示。

圖7 設(shè)置輔助點(diǎn)判斷平臺形式

修改完善部件代碼，逐一對幾何圖元進(jìn)行代碼編輯，賦予部件屬性，構(gòu)建連續(xù)部件的模型。可對定義的變量進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，快速建立多種參數(shù)化多級邊坡形式。在Civil 3D中導(dǎo)入多級邊坡部件調(diào)用裝配，調(diào)試運(yùn)行，將多級邊坡部件與地形曲面相融合可精確計(jì)算填挖方工程量，多級邊坡部件如圖8所示。

圖8 Civil 3D多級邊坡部件

3.3 隧道部件構(gòu)建

隧道部件構(gòu)建以單線單洞為例進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，構(gòu)建如圖9所示的隧道輪廓，隧道部件構(gòu)建流程如圖10所示。

圖9 隧道襯砌內(nèi)輪廓圖

圖10 隧道部件創(chuàng)建流程圖

3.3.1 隧道輪廓

確定各圓弧的圓心。如圖9所示，定位隧道中心點(diǎn)，根據(jù)隧道輪廓各圓弧間相切的關(guān)系依次確定圓 心O2、O1、O4、O3。 定 義 變 量R1、R2、R3、R4、L1、h1及襯砌厚度d。添加輔助點(diǎn)AP1定義隧道中心，根據(jù)圖中幾何關(guān)系及定義變量依次確定圓心O2、O1、O4，最后根據(jù)圓弧相切的幾何關(guān)系求出O3相對隧道中心點(diǎn)的坐標(biāo)，求解過程如下：

設(shè)O2（x2，y2），O3（x3，y3），O4（x4，y4）

其中：

將式（3）帶入式（1）中，得：

式（4）可表示為：

其中：

可得圓心O3的坐標(biāo)：

SAC中確定圓心O3的坐標(biāo)主要實(shí)現(xiàn)函數(shù)見表3。

確定各圓弧的端點(diǎn)，根據(jù)圓心位置及變量R1、R2、R3、R4參數(shù)關(guān)系，采用內(nèi)差點(diǎn)定位各段圓弧端點(diǎn)位置，設(shè)置圓弧依次連接各端點(diǎn)構(gòu)造隧道襯砌內(nèi)輪廓線，內(nèi)輪廓完成后，可在適當(dāng)范圍內(nèi)修改圓弧參數(shù)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)輪廓的動態(tài)變化和參數(shù)化建模。根據(jù)變量襯砌厚度d和隧道外輪廓幾何關(guān)系構(gòu)造隧道襯砌外輪廓線。明確上下曲面分界點(diǎn)，對隧道部件幾何圖元逐一進(jìn)行編碼、調(diào)試運(yùn)行。

表3 圓心O3的坐標(biāo)主要實(shí)現(xiàn)函數(shù)

3.3.2 建筑限界

根據(jù)客貨共線鐵路直線建筑限界的幾何尺寸，在隧道輪廓部件的基礎(chǔ)上，根據(jù)幾何尺寸繪制客貨共線鐵路限界。鐵路限界可與通風(fēng)設(shè)備、照明設(shè)備等附屬設(shè)施進(jìn)行碰撞檢查。圖11為含有客貨共線鐵路限界的隧道輪廓。

圖11 參數(shù)化隧道部件（含客貨共線鐵路限界）

修改完善部件代碼，逐一對幾何圖元進(jìn)行代碼編輯，賦予部件屬性，構(gòu)建連續(xù)部件的模型。在Civil 3D中導(dǎo)入隧道部件調(diào)用裝配，調(diào)試運(yùn)行。如圖12所示為隧道部件。

4 結(jié)束語

圖12 隧道部件

本文基于Civil 3D部件編輯器構(gòu)建的鐵路BIM部件模型可與地形曲面相融合，創(chuàng)建參數(shù)化定義的動態(tài)三維信息模型。利用創(chuàng)建的自定義組件，以交互設(shè)計(jì)的方式變更用于定義橫截面的輸入?yún)?shù)即可快速修改完善鐵路部件模型。通過SAC可視化的軟件界面和參數(shù)驅(qū)動方式創(chuàng)建部件，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜鐵路線路結(jié)構(gòu)的斷面構(gòu)建，在公路、水利、管廊等其它領(lǐng)域，各專業(yè)都可以創(chuàng)建自定義部件滿足設(shè)計(jì)需要，為設(shè)計(jì)人員提供了一種新的建模思路。BIM 理念貫穿項(xiàng)目全生命周期，涉及多軟件平臺交互協(xié)同工作，下一步將深入研究各階段模型精度要求和信息傳遞方式，更好地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息共享。