基于Dynamo可視化編程技術(shù)的軌道BIM設(shè)計

劉祾頠，彭先寶，張應(yīng)波

（中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北 武漢 430063）

0 引言

2002年美國AutoDesk公司發(fā)布了BIM（Building Information Modeling）白皮書，將BIM作為其主要的戰(zhàn)略方向，率先啟動了BIM工程化應(yīng)用進程［1-2］。此后BIM在全球范圍內(nèi)得到了業(yè)界的廣泛認可，并迅速在行業(yè)內(nèi)開始大規(guī)模應(yīng)用［3-6］。BIM可以實現(xiàn)項目全生命周期的信息集成，將項目各個階段有效銜接起來，對提升效率、節(jié)省資源和降低成本作用明顯［7］。

軌道BIM設(shè)計是鐵路BIM設(shè)計的重要組成部分，當前軌道BIM建模主要依靠設(shè)計人員利用BIM軟件（如Revit、Open Rail Designer等）手工完成，過程中需頻繁進行拾取、移動、旋轉(zhuǎn)、拉伸、放樣、融合等操作［8］，機械重復(fù)性工作多，影響設(shè)計效率。Dynamo是一個基于Revit的可視化編程平臺，滿足個性化需求，實現(xiàn)批量建模和自動化建模，從而提升BIM設(shè)計效率。Dynamo只需少量編程就可以快速實現(xiàn)用戶的個性化需求，上市后便得到業(yè)界的普遍關(guān)注［9-12］。針對軌道BIM設(shè)計特點，探索基于Dynamo的軌道建模的原理與方法。

1Dynamo可視化編程技術(shù)

Dynamo是一款基于Revit的參數(shù)化設(shè)計輔助工具，除了幾何建模外，Dynamo還可以高效處理建筑信息模型中的信息，與Revit配合使用，可以大大提高BIM建模效率。Dynamo采用“所見即所得”的編程模式，傳統(tǒng)編程的代碼塊在Dynamo中由可視化節(jié)點代替。節(jié)點是Dynamo程序的基本組成單元，它可以進行數(shù)據(jù)處理，完成某項功能。用戶只需要像搭積木一樣按照自己的需求將節(jié)點拖拽到編程窗口，并用流程線將節(jié)點連接起來，就可以實現(xiàn)特定功能。

Dynamo節(jié)點由輸入接口和輸出接口兩部分組成（見圖1），通過輸入接口指定要處理的數(shù)據(jù)，通過輸出接口獲取處理結(jié)果。Dynamo內(nèi)置許多常用的節(jié)點形成節(jié)點庫，如構(gòu)建點、構(gòu)建曲線、構(gòu)建面、拉伸操作、放樣操作、文件讀寫等。除此之外，Dynamo還允許用戶通過Python編寫自定義節(jié)點并加入到現(xiàn)有節(jié)點庫，讓用戶實現(xiàn)一些特殊需求。

圖1 Dynamo節(jié)點

2 技術(shù)路線

2.1 模型構(gòu)成

鐵路有砟軌道模型由鋼軌、軌枕及扣件、道床等3個部分構(gòu)成。鋼軌主要有50、60、75 kg/m等型號，每種型號的鋼軌其斷面形狀和技術(shù)指標均有所差別。軌枕主要有Ⅰ類木枕、Ⅱ類木枕、Ⅰ型混凝土枕、Ⅱ型混凝土枕和Ⅲ型混凝土枕等類型，每種類型的軌枕尺寸均不同。道床的形狀則與線路等級、速度、路基等因素相關(guān)，其幾何特征主要由頂面寬度、厚度、邊坡坡度等參數(shù)決定。

2.2 設(shè)計流程

利用Dynamo進行有砟軌道BIM設(shè)計的流程如下：

（1）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準備。從線路設(shè)計軟件導(dǎo)出線路中線坐標，利用Revit建立鋼軌斷面輪廓族、軌枕族、扣件族。

（2）構(gòu)建線路中線。在Dynamo中讀取線路中線坐標并建立線路中線。

（3）構(gòu)建鋼軌模型。利用Dynamo對鋼軌斷面進行放樣構(gòu)建鋼軌模型。

（4）放置軌枕及扣件。利用Dynamo將軌枕族放置到線路指定位置。

（5）構(gòu)建道床模型。根據(jù)道床參數(shù)，分段建立道床模型并放置到線路指定位置。

（6）創(chuàng)建屬性并賦值。根據(jù)需要為模型定義特征屬性并輸入屬性信息。

（7）模型裝配與集成。

3 建模方法

3.1 線路曲線構(gòu)建

由于Revit本身不具備緩和曲線表達能力，在Revit中構(gòu)建線路曲線時，主要采用以直代曲來實現(xiàn)，即將曲線劃分為若干較短的直線，將這些直線首尾相連構(gòu)成曲線。首先需要借助二維CAD，將線路中線按固定點距將線路坐標導(dǎo)出到Excel。借助Dynamo中的Data.ImportExcel節(jié)點，可以快速地將Excel中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Dynamo中。

當模型坐標的數(shù)值較大時，Revit模型會發(fā)生嚴重的變形，Revit給出的方案是設(shè)定項目基點，通過使用相對坐標使坐標值變小。一般項目基點會設(shè)置在項目中心位置，建模時使用的坐標都是基于基點的相對坐標。因此，構(gòu)建線路曲線時需要對讀入的坐標值進行處理（減去項目基點），讓坐標變成較小的相對坐標。用讀取的坐標創(chuàng)建點，并將點放到樣條曲線中，這樣就構(gòu)建完成了線路曲線，此后的建模都需要利用該曲線進行相關(guān)計算。

3.2 曲線方向計算

建模中無論是輪廓放樣，還是放置族實例，都涉及曲線某點處方向的計算。以鋼軌建模為例，鋼軌建模采用的是利用鋼軌斷面進行分段放樣的方法，即將鋼軌斷面輪廓沿線放置，然后將前后輪廓連接起來形成三維實體。斷面輪廓的放置要求與線路中線垂直，否則放樣出來的模型會出現(xiàn)變形，這需要計算放置點處線路的平面方位角和豎向傾角。Dynamo中的Curve.Coordinate System At Segment Length節(jié)點可以用于計算線路上某點處的局部坐標系統(tǒng)，該坐標系統(tǒng)的X軸指向線路法向，Y軸指向線路切向，Z軸符合右手定則。斷面放置后與線路中線垂直，也就是要與局部坐標系統(tǒng)的Y軸垂直。假設(shè)斷面輪廓族建立在XZ平面上，可按以下步驟對斷面進行旋轉(zhuǎn)。

（1）獲取局部坐標系X軸向量XVector，將XVector的Z值設(shè)置為0，使X軸向量變?yōu)樗矫娴耐队跋蛄俊?/p>

（2）利用Math.Atan2節(jié)點計算世界坐標系的X軸與局部坐標系X軸水平投影的角度XAngle。

（3）利用Geometry.Rotate節(jié)點將斷面繞世界坐標系的Z軸旋轉(zhuǎn)XAngle，此時斷面與線路水平投影垂直。

（4）獲取局部坐標系Y軸向量YVector，將YVector的Z值設(shè)置為0，使Y軸向量變?yōu)樗矫娴耐队跋蛄俊?/p>

（5）利用Math.Atan2節(jié)點計算世界坐標系的Y軸與局部坐標系Y軸水平投影的角度YAngle。

（6）利用Geometry.Rotate節(jié)點繞局部坐標系X軸水平投影旋轉(zhuǎn)YAngle，此時斷面與線路中線垂直，至此旋轉(zhuǎn)完成。

3.3 鋼軌及軌枕建模

鋼軌建模時首先需要將事先建立的鋼軌斷面族加載到Revit項目中，然后利用Curve.PointAtSegment?Length節(jié)點計算斷面放置位置，然后利用Dynamo的FamilyInstance.ByPoint節(jié)點讀入斷面，并根據(jù)3.2節(jié)所述方法調(diào)整斷面方向，最后將斷面移動到線路指定點處。完成斷面放置后即可利用Solid.BySweep節(jié)點來創(chuàng)建鋼軌實體，創(chuàng)建的實體此時還只是處于內(nèi)存中，需要借助Spring.FamilyInstance.ByGeometry將創(chuàng)建的鋼軌實體放入到Revit文件中（見圖2）。

圖2 將鋼軌模型放入Revit

軌枕建模與鋼軌建模類似，只需將事先建立的軌枕實體族放置到線路處指定點并調(diào)整方向角度即可，由于放置的軌枕數(shù)量較多，建模所需要的時間會比軌道建模略長。鋼軌及軌枕建模效果見圖3。

圖3 鋼軌及軌枕建模效果

3.4 道床建模

由于道床尺寸是根據(jù)線路特征確定，采用參數(shù)化建模方法來創(chuàng)建道床模型。對于道床來說，主要的參數(shù)有頂寬、堆高、邊坡坡度、厚度等。為了能精確的控制道床位置，還需要軌道高度、軌道墊板厚度、軌枕軌下厚度、軌枕埋入深度等參數(shù)，道床頂面高程Zs由下式確定：

式中：Zr為軌頂標高，可從線路中線獲??；Hr為鋼軌高度；Hc為墊板厚度；Hsr為軌枕軌下厚度；Hsd為軌枕埋入道砟的深度。

根據(jù)頂寬、堆高、邊坡坡度、厚度等參數(shù)，利用Dynamo創(chuàng)建道床輪廓，并進行拉伸以創(chuàng)建道床實體族，并利用軌枕建模的思路將建立的道床實體族放置到指定位置。道床實體族構(gòu)建效果見圖4。

圖4 道床實體族構(gòu)建效果

4 模型裝配與集成

由于BIM模型的幾何特征較為精細，使得BIM建模工具對計算機硬件資源的消耗較大，過多的硬件消耗會極大地影響運行效率。盡量減少模型文件的大小，建模時通常將鋼軌、軌枕及扣件、道床模型分別輸出到不同的rvt文件，必要時還需要對線路進行分段處理。待所有構(gòu)配件完成后，再進行模型統(tǒng)一裝配。Revit中提供了鏈接功能，可以將多個rvt文件鏈接到一起，從而將不同的模型組裝起來，實現(xiàn)模型的集成（見圖5）。

圖5 Revit集成效果

Revit對于大體量模型的承載能力較弱，而項目中的軌道有時會達到數(shù)十甚至上百公里，集成后Revit會出現(xiàn)嚴重卡頓。另外，項目集成通常還涉及鐵路工程的其他專業(yè)，有時還需要加入地理信息模型，此時對集成軟件的要求更高，AutoDesk給出的大體量模型集成方案是采用Navisworks軟件（見圖6）。

圖6 Navisworks集成效果

集成的另一種方案是采用GIS軟件，相對而言，GIS軟件對大體量數(shù)據(jù)的承載能力要比BIM軟件強很多，因此對于全專業(yè)的BIM集成通常會采用GIS軟件來完成，除專業(yè)的BIM設(shè)計模型外，還加入了傾斜攝影模型，集成后場景運行流暢，效果良好（見圖7）。

圖7 GIS集成效果

5 結(jié)束語

BIM建模過程中有許多機械重復(fù)性的工作，手工完成效率較低，二次開發(fā)代價大，Dynamo可視化編程為完成此類工作提供了一條良好途徑。不需要大量煩瑣的程序開發(fā)，就可以讓計算機來完成一系列建模任務(wù)?；贒ynamo可視化編程技術(shù)進行BIM設(shè)計，可以大大地提高建模速度，同時可以通過程序精準控制模型的位置和方向，建模精度高。

但Dynamo在解決復(fù)雜問題方面的能力有限，一方面，內(nèi)置節(jié)點不夠豐富，對于一些問題需要自己編寫自定義節(jié)點，此過程較為耗時，另一方面，當Dynamo程序過于復(fù)雜后，程序的運行效率顯著下降，特別是涉及復(fù)雜的幾何布爾運算時，此問題更加突出。因此，對于復(fù)雜的建模工作，目前可行的辦法還是有針對性地進行二次開發(fā)。