福廈鐵路CRTS雙塊式無砟軌道BIM技術(shù)應(yīng)用研究

張杰

（1.中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司 線路站場設(shè)計研究院，湖北 武漢 430063；2.鐵路軌道安全服役湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430063）

0 引言

隨著各種新技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，我國鐵路工程也面臨新的機遇和挑戰(zhàn)［1］。BIM技術(shù)是鐵路設(shè)計行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，將BIM技術(shù)引入鐵路工程設(shè)計，可全面提升安全生產(chǎn)、運營管理、客運服務(wù)的現(xiàn)代化水平［2］。目前，Autodesk公司的Revit軟件以其強大功能，得到廣大設(shè)計人員的認可，并憑借其在建筑行業(yè)的優(yōu)異表現(xiàn)成為市場占有率較高、應(yīng)用范圍較廣的BIM建模軟件［3-4］。但是，對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的Revit設(shè)計還存在一定缺陷，如基于Revit建立的標高軸網(wǎng)、構(gòu)件選取、模型放置等，不便于進行相應(yīng)的參數(shù)驅(qū)動和精確定位［5］，而手動建模重復(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)計人員可自定義節(jié)點間的邏輯關(guān)系，實現(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通道，也是長江三角洲經(jīng)海峽西岸至珠江三角洲的高標準客運聯(lián)系通道。福廈鐵路正線采用CRTS雙塊式無砟軌道，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雙塊式無砟軌道為研究對象，探索軌道BIM參數(shù)化設(shè)計思路［6-7］，并基于Dynamo可視化編程技術(shù)，對軌道BIM參數(shù)化建模的實現(xiàn)方式進行研究。

2 Dynamo可視化編程

Dynamo是一款典型樹狀架構(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（Node），用戶在節(jié)點左邊輸入（Input）數(shù)據(jù)，從節(jié)點右邊輸出（Output）數(shù)據(jù)，層層節(jié)點，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，其圖形顯示區(qū)原點與Revit項目樣板原點在同一位置，當Revit項目內(nèi)某個坐標的構(gòu)件被Dynamo關(guān)聯(lián)讀取時，Dynamo圖形顯示區(qū)就出現(xiàn)在相應(yīng)坐標位置［8］。Dynamo與Revit交互示意見圖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)點連接，通過可視化界面定義程序的說明及關(guān)系。在Dynamo中采用節(jié)點或模塊建立的軌道幾何模型與Revit無縫銜接［8］，Dynamo程序代碼驅(qū)動軌道部件的坐標信息等數(shù)據(jù)，便可在Revit樣板文件中生成軌道BIM模型。當修改Dynamo文件中的坐標等參數(shù)并運行后，Revit軌道模型進行相應(yīng)更新。

3 設(shè)計內(nèi)容

3.1 設(shè)計流程

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

CRTS雙塊式無砟軌道BIM設(shè)計流程如下：

（1）根據(jù)線路、橋梁、路基等專業(yè)提供的資料，計算軌道坐標點，形成軌道設(shè)計數(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進行軌道BIM設(shè)計；

（4）批量軌道模型裝配。

3.2 數(shù)據(jù)文件設(shè)計

3.2.1 切線支距法計算

根據(jù)線路平面資料，采用切線支距法（即直角坐標法）計算線路各點坐標值。以HZi-1—ZHi—HZi—ZHi+1任意點坐標計算為例，線路平曲線示意見圖2。已知曲線的起終點里程和交點JD坐標，A為線路導(dǎo)線方位角、R為圓曲線半徑、l0為緩長，對直線段、緩和曲線段（前/后）、圓曲線段分別進行逐樁坐標計算，形成軌道設(shè)計數(shù)據(jù)文件。

圖2 線路平曲線示意圖

（1）直線段坐標計算。

式中：Ai-1，i為交點JDi-1至JDi的坐標方位角；Di為計算里程點至HZi-1的里程差。

（2）緩和曲線段坐標計算。

以ZHi點為圓心，ZHi點切線方向為x軸，建立局部坐標系，計算緩和曲線上各點坐標。

式中：C=Ri?l0；Di為計算里程點至ZHi的里程差。

（3）圓曲線段坐標計算。

以ZHi點為圓心，ZHi點切線方向為x軸，建立局部坐標系，計算圓曲線上各點坐標。

3.2.2 坐標系轉(zhuǎn)換

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

（1）前緩和曲線、圓曲線段坐標轉(zhuǎn)換。

式中：當曲線為左轉(zhuǎn)角時，yi=-yi；Ai-1，i為交點JDi-1至JDi的坐標方位角。

（2）后緩和曲線坐標轉(zhuǎn)換。

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

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，計算所有“直線段”起終點的坐標等數(shù)據(jù)信息，作為軌道設(shè)計的數(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），計算出軌道設(shè)計數(shù)據(jù)。

3.3 構(gòu)件建立

福廈鐵路CRTS雙塊式無砟軌道的軌枕、扣件均為標準設(shè)計，其外觀尺寸參數(shù)、配筋設(shè)計相同，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，道床板和底座分塊長度一般為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，首先要確定構(gòu)件模型的自適應(yīng)點，在自適應(yīng)公制常規(guī)模型樣板文件下，建立自適應(yīng)點之間的路徑，自適應(yīng)點可沿路徑自動拉伸形成實體形狀，通過Dynamo參數(shù)驅(qū)動，完成模型裝配。

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

（1）Excel數(shù)據(jù)讀取。利用Excel.ReadFromFile節(jié)點，將帶有軌道坐標信息的Excel數(shù)據(jù)導(dǎo)入Dynamo（見圖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)動下進行模型更新響應(yīng)。

圖5 Excel數(shù)據(jù)導(dǎo)入Dynamo

（2）坐標點處理。從Excel中讀取的數(shù)據(jù)是單個數(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，是模型放樣需對應(yīng)的坐標信息。Dynamo讀取Excel數(shù)據(jù)是以行為單位進行列表的存儲，借助List.Fatten和List.Transpose節(jié)點進行數(shù)據(jù)的展平及轉(zhuǎn)置，對轉(zhuǎn)置后的數(shù)據(jù)進行坐標提取及分組（見圖6）。

圖6 坐標點處理

（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)件模型沿坐標點放置，首先將建好的鋼軌自適應(yīng)構(gòu)件模型通過FamilyType.ByName節(jié)點載入Dynamo程序，再借助AdaptiveComponent.ByPoints節(jié)點，通過點的二維數(shù)組創(chuàng)建鋼軌自適應(yīng)構(gòu)件列表（見圖7）。

圖7 自適應(yīng)構(gòu)件列表創(chuàng)建

（4）軌枕扣件構(gòu)件實例列表創(chuàng)建。以軌枕建模為例，以相同方法計算軌枕構(gòu)件放置坐標點后，需要將軌枕按照線路平面方位角進行調(diào)整。首先讀取軌枕放置點的切向量，通過切向量的X、Y分量，計算平面方位角，即軌枕的旋轉(zhuǎn)角度。借助FamilyInstance.SetRotation節(jié)點完成軌枕構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)，建立軌枕構(gòu)件實例列表（見圖8）。

圖8 軌枕扣件構(gòu)件實例列表創(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FamilyType.ByName節(jié)點導(dǎo)入Dynamo程序，點擊運行后，在Revit中生成裝配完整的BIM模型（見圖9）。更改Excel數(shù)據(jù)時，Revit在Dynamo驅(qū)動下快速進行模型更新。

圖9 CRTS雙塊式無砟軌道BIM模型

4 結(jié)束語

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