基于Bentley平臺的鐵路路基參數(shù)化構(gòu)件庫研究

謝先當(dāng) 劉厚強(qiáng)

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

隨著BIM技術(shù)在鐵路工程領(lǐng)域應(yīng)用的不斷深入[1-3]，鐵路路基工程需要探索合適的應(yīng)用方案[4]。Bentley平臺在基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域提供了有效的解決方案[5]，專門針對鐵路工程開發(fā)的一款綜合的、功能齊全的設(shè)計軟件OpenRail Designer(以下簡稱：ORD)。功能涵蓋測量、地質(zhì)、線路、路基、隧道、軌道、給排水、地下管網(wǎng)等多個專業(yè)，支持更大體量信息模型，同時還增加了參數(shù)化建模、用戶自定義屬性、注釋標(biāo)簽、報表、二維表等新功能。但在鐵路路基工程探索應(yīng)用中仍不能完全滿足設(shè)計的實際需求，需進(jìn)行二次開發(fā)提高設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量。

由于ORD的參數(shù)化功能較弱，模型的可變更性差，創(chuàng)建模型時存在大量的重復(fù)工作，并且隨著設(shè)計階段的改變，需重新創(chuàng)建新的模型，模型的重復(fù)利用率低，模型功能單一。因此，需建立專業(yè)工程構(gòu)件庫，以提高模型的重復(fù)利用率，豐富模型的使用功能。實踐證明，建立參數(shù)化構(gòu)件庫是一種行之有效的方法[6-8]。

為方便實現(xiàn)鐵路路基構(gòu)件的參數(shù)化，在制作構(gòu)件之前須對構(gòu)件建立的方式進(jìn)行合理的設(shè)計。本文[9]提出了3種構(gòu)件設(shè)計方式：(1)根據(jù)裝配方式的不同將構(gòu)件分為點、線、面3種構(gòu)件，路基專業(yè)的點構(gòu)件主要包括樁、托梁、擋土板、復(fù)合地基帽石、錨桿、錨索、用地界樁等；線構(gòu)件主要包括水溝、擋土墻、護(hù)肩等；面構(gòu)件主要包括骨架護(hù)坡、框架梁、水平鋪設(shè)土工格柵等；(2)采用面向?qū)ο蠓椒▽?gòu)件按工程類型分為土石方構(gòu)件、支擋工程構(gòu)件、防護(hù)工程構(gòu)件、地基處理構(gòu)件、排水工程構(gòu)件、調(diào)配構(gòu)件、防災(zāi)監(jiān)控構(gòu)件及其他構(gòu)件；(3)根據(jù)參數(shù)的可變性將構(gòu)件分為不可參變構(gòu)件和參數(shù)化構(gòu)件兩大類，對于尺寸較為固定的構(gòu)件(如監(jiān)測裝置、錨具等)建立不可參變構(gòu)件；對于尺寸多變的構(gòu)件(如擋土墻、樁等)需建立參數(shù)化構(gòu)件，本文主要研究參數(shù)化構(gòu)件庫的建立方法。

1 ORD軟件使用現(xiàn)狀

ORD軟件創(chuàng)建路基模型的基本流程如下：(1)建立路基橫斷面廊道模板；(2)沿線路拉伸模板構(gòu)建路基模型；(3)手動建立復(fù)雜不可參變構(gòu)件；(4)裝配構(gòu)件并建立模型。本文對使用ORD開展鐵路路基參數(shù)化構(gòu)件設(shè)計的現(xiàn)狀進(jìn)行了梳理，如表1所示。

表1 ORD鐵路路基設(shè)計解決方案及存在問題表

從表1可以看出，采用ORD軟件的原生功能開展鐵路路基工程設(shè)計可完成路基本體、排水溝、側(cè)溝等簡單構(gòu)件的參數(shù)化廊道模板定制，然而諸如擋土墻、過渡段、護(hù)坡工程、地基處理等復(fù)雜構(gòu)件無法使用廊道模板建立，只能依靠純手工建模的方式建立不可參變構(gòu)件，此種方式存在建模效率低、模型重復(fù)利用率低等問題，故需要基于ORD軟件開展鐵路路基參數(shù)化構(gòu)件庫建立的研究。

2 參數(shù)化構(gòu)件庫創(chuàng)建關(guān)鍵技術(shù)

構(gòu)件制作主要考慮構(gòu)件三維實體模型的構(gòu)建以及屬性信息的附加。三維實體模型遵循由點生成線、 線生成面、 面生成體的設(shè)計方式；屬性信息采用Bentley 的ECSchema工具附加；二者均需要進(jìn)行大量二次開發(fā)。構(gòu)件的幾何屬性和非幾何屬性需專業(yè)人員測試修改，逐步完善直至合理；構(gòu)件屬性應(yīng)方便擴(kuò)充、刪減和修改。構(gòu)件入庫的目的是方便構(gòu)件的統(tǒng)一管理，通過二次開發(fā)的方式將構(gòu)件創(chuàng)建模塊集成到軟件中，即可實現(xiàn)構(gòu)件的統(tǒng)一管理。

構(gòu)件的價值在于共享，想要確保構(gòu)件在共享使用過程中的便捷性與高效性，既要在構(gòu)件的設(shè)計過程中采用科學(xué)、合理的方法，也要對構(gòu)件進(jìn)行有效的管理，因此必須建立完善的BIM構(gòu)件庫。鐵路路基BIM構(gòu)件庫建立主要包括5個步驟，如圖1所示。

圖1 路基構(gòu)件庫建立流程圖

2.1 構(gòu)件擬定

根據(jù)鐵路路基工程專業(yè)的特點，綜合構(gòu)件裝配方式和面向?qū)ο蟮姆椒ǎ瑢β坊鶇?shù)化構(gòu)件的設(shè)計方式進(jìn)行分析。首先采用面向?qū)ο蠓椒▽β坊鶚?gòu)件進(jìn)行分類，包括：土石方工程、支擋工程、護(hù)坡工程、排水工程、地基處理、檢測系統(tǒng)、接口工程，各類工程中所包含的具體構(gòu)件，如表2所示；再根據(jù)構(gòu)件裝配方式不同，對構(gòu)件進(jìn)行分類，如表3所示；最后綜合兩類方法對構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計。

表2 路基構(gòu)件分類表(根據(jù)面向?qū)ο蠓椒?

表3 路基構(gòu)件分類表(根據(jù)裝配方式)

2.2 構(gòu)件分析

對具體構(gòu)件，首先需要分析其幾何屬性與非幾何屬性，確定最佳的屬性描述方法；其次分析構(gòu)件的裝配操作，確定最佳的裝配方法；最后分析構(gòu)件的功能，擴(kuò)充必要的功能屬性(便于系統(tǒng)分析)。本文以路塹重力式擋土墻為例進(jìn)行說明。

(1)屬性分析

①幾何屬性包括：墻高(H)、截面尺寸(b、B、B′、x、h1、Δh1、Δb2、Δh2)、面積、墻胸坡率、墻背坡率、埋深、最大墻高、最小墻高。

②非幾何屬性包括：通用圖號、起止里程、材料、編碼。

(2)裝配方法

①按裝配方式劃分，路塹重力式擋土墻屬于線構(gòu)件，線構(gòu)件的裝配需要1條空間基線(空間折線和曲線)，構(gòu)件幾何屬性主要用于定義基線的法面上的幾何形態(tài)；②根據(jù)參數(shù)的可變性原則，需建立參數(shù)化構(gòu)件以適應(yīng)擋土墻尺寸多變的特點；③根據(jù)面向?qū)ο蟮脑O(shè)計思路，路基專業(yè)的構(gòu)件均派生于1個共同的路基構(gòu)件基類，基類中采用裝配純虛擬函數(shù)來控制構(gòu)件的裝配操作。本專業(yè)可分出土石方構(gòu)件、支擋工程構(gòu)件、防護(hù)工程構(gòu)件、地基處理構(gòu)件、排水工程構(gòu)件、調(diào)配構(gòu)件、防災(zāi)監(jiān)控構(gòu)件及其他構(gòu)件(例如用地界樁)，路肩重力式擋土墻派生于路基支擋工程構(gòu)件類。

(3)功能分析

重力式擋土墻主要以墻自身自重抵抗土體側(cè)壓力，其主要力學(xué)分析屬性包括：墻背土體綜合內(nèi)摩擦角(φ)、墻背土體重度(γ)、基底內(nèi)摩擦角(f)、基底趾部應(yīng)力(σ趾)、基底踵部應(yīng)力(σ踵)。

2.3 構(gòu)件制作

采用標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)和數(shù)字化幾何與非幾何信息(包括不可參數(shù)化的構(gòu)件)，實現(xiàn)構(gòu)件的幾何信息描述，確定裝配操作參數(shù)，擴(kuò)充構(gòu)件系統(tǒng)功能屬性。

(1)參數(shù)準(zhǔn)備：在SQLite數(shù)據(jù)庫中錄入構(gòu)件的幾何屬性、非幾何屬性及功能屬性參數(shù)。

(2)構(gòu)件裝配：為便于統(tǒng)一平臺展示與管理，同時確保操作的簡便性與高效性，在構(gòu)件制作時，坐標(biāo)系統(tǒng)一采用右手笛卡爾坐標(biāo)系。在ORD軟件上進(jìn)行二次開發(fā)，編寫三維模型創(chuàng)建工具，通過調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的幾何參數(shù)繪制三維實體模型；編寫裝配命令工具，定義裝配原則、裝配參數(shù)以及裝配方法。

(3)信息附加：首先基于ORD編寫ECSchema信息附加的工具，然后定義構(gòu)件屬性的參數(shù)類(任意屬性均可定義)，并根據(jù)ECSchema基本架構(gòu)劃分屬性的層級關(guān)系，裝配構(gòu)件的同時，EC工具能夠動態(tài)創(chuàng)建ECSchema，并將屬性信息附加到構(gòu)件上。

(4)構(gòu)件修改：修改構(gòu)件參數(shù)，構(gòu)件的幾何形狀及包含的屬性信息隨之改變。

構(gòu)件的屬性支持增刪、修改功能，建設(shè)工程在不同的階段對構(gòu)件的幾何精度等級和信息深度等級要求不同，在不同的階段建立不同的屬性信息數(shù)據(jù)庫、三維圖形繪制工具以及裝配方法，以滿足不同階段的需求。

2.4 測試修改

構(gòu)件建立完成后，需核對構(gòu)件外觀和屬性名稱的正確性；測試幾何信息、非幾何信息以及功能屬性的完整性；測試裝配操作的靈活性、裝配位置的準(zhǔn)確性；提高構(gòu)件的穩(wěn)定性。

(1)構(gòu)件裝配操作測試

構(gòu)件裝配測試如圖2所示。點擊路塹重力式擋土墻按鈕，在二維頂視圖設(shè)計窗口中點擊構(gòu)件放置基線，生成1條垂直于線路并可沿線路拖動的標(biāo)記線，然后輸入起始里程，水平拖動標(biāo)記線，在起始里程和標(biāo)記線之間生成1條紅色帶狀線(表示構(gòu)件放置的區(qū)間)，最后輸入終止里程，確認(rèn)后彈出構(gòu)件參數(shù)對話框(如圖3所示)，修改對話框中的默認(rèn)參數(shù)，確認(rèn)后可完成構(gòu)件的放置。

圖2 構(gòu)件裝配測試圖

圖3 構(gòu)件參數(shù)對話框圖

經(jīng)過反復(fù)測試與修改，采用上述方式裝配構(gòu)件可快速、精確完成構(gòu)件的布置。

(2)構(gòu)件外觀與屬性測試

構(gòu)件裝配完成后，由經(jīng)驗豐富的路基專業(yè)設(shè)計人員，檢查構(gòu)件外觀的正確性與屬性信息的準(zhǔn)確性、完整性。測試主要內(nèi)容包括：①構(gòu)件自身外觀的正確性；②構(gòu)件與周邊工程相對位置的合理性；③構(gòu)件形狀是否能隨參數(shù)的修改而變化；④構(gòu)件屬性設(shè)置是否合理，是否方便擴(kuò)充、刪減和修改，如圖4所示。

圖4 構(gòu)件外觀與屬性測試圖

經(jīng)測試修改后，構(gòu)件的外觀正確，屬性設(shè)置合理。

2.5 審核入庫

構(gòu)件設(shè)計完畢，經(jīng)過必要的測試與審核后，可進(jìn)行入庫工作。構(gòu)件入庫的目的是方便構(gòu)件的統(tǒng)一管理，通過二次開發(fā)的方式將構(gòu)件創(chuàng)建模塊集成到ORD軟件中，即可實現(xiàn)構(gòu)件的統(tǒng)一管理，完成構(gòu)件入庫，構(gòu)件庫中部分構(gòu)件如圖5所示。

圖5 路基專業(yè)部分構(gòu)件圖

3 工程應(yīng)用研究

3.1 工程概況

某鐵路工程為單線電氣化I級客貨共線鐵路，設(shè)計時速160 km/h。工程地處青藏高原東南緣，橫斷山脈中段，地表多為草原、旱地。本試點路基段施工圖設(shè)計里程為DK 128+000～DK 135+159.57，線路總長 7 159.57 m，路堤長 6 489.57 m，路塹長670 m。主要路基工程有：挖方、填方、水泥攪拌樁、人字形截水骨架護(hù)坡、衡重式樁基托梁擋土墻、衡重式路肩墻、側(cè)溝、排水溝等。

3.2 構(gòu)件裝配

鐵路路基屬帶狀工程，路基構(gòu)件的裝配與模型的建立需要依托線路數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)以及地層橫斷面數(shù)據(jù)。通過基于ORD開發(fā)的專業(yè)數(shù)據(jù)接口，將數(shù)據(jù)讀入、保存并生成相應(yīng)的線路、地形以及地層橫斷面模型，為路基構(gòu)件的裝配與模型的建立做好數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作。

在構(gòu)件裝配之前，首先根據(jù)該鐵路工程的路基設(shè)計原則生成填挖方邊坡模型(參數(shù)化構(gòu)件的裝配均在該模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行)，然后工程設(shè)計人員根據(jù)已有的設(shè)計資料并結(jié)合自身的經(jīng)驗即可根據(jù)需要進(jìn)行構(gòu)件的裝配。構(gòu)件的裝配采用二、三維交互設(shè)計的方式，設(shè)計人員在二維平面圖中設(shè)計，同時生成三維模型，呈現(xiàn)出更為直觀的設(shè)計效果。構(gòu)件裝配完成，可切換到橫斷面視圖，進(jìn)一步驗證構(gòu)件裝配的合理性。

參數(shù)化構(gòu)件裝配完成后，如需修改構(gòu)件幾何尺寸與相關(guān)屬性信息，不需刪除構(gòu)件重新裝配，可直接在構(gòu)件的參數(shù)對話框中修改相應(yīng)的參數(shù)，即可完成修改，快速實現(xiàn)構(gòu)件的重新裝配。裝配完成的構(gòu)件如圖6所示。

圖6 路基工程構(gòu)件圖

3.3 構(gòu)件應(yīng)用

參數(shù)化構(gòu)件相對于一般幾何構(gòu)件的優(yōu)勢在于數(shù)據(jù)的可傳遞性，合理應(yīng)用構(gòu)件的參數(shù)可大大提高設(shè)計的精度與效率。并且利用參數(shù)化構(gòu)件進(jìn)行二維出圖與工程量計算，具有很高的應(yīng)用價值。

依托參數(shù)化構(gòu)件進(jìn)行路基工程的平面圖、工點圖與橫斷面圖的出圖。繪制二維圖形需要提取已裝配完成的構(gòu)件的參數(shù)，再利用參數(shù)繪制二維輪廓，即可生成二維設(shè)計圖。二維設(shè)計圖與模型一樣均由參數(shù)驅(qū)動修改，可有效提高出圖效率。工程量的計算，針對點、線、面構(gòu)件各自的特點制定不同的工程量統(tǒng)計方法。計算時從已建立完成的模型中獲取工程構(gòu)件，并統(tǒng)計該構(gòu)件的數(shù)量、材料類型和單位等數(shù)據(jù)，逐個統(tǒng)計完成后進(jìn)行匯總，最后快速輸出工程數(shù)量表單。參數(shù)化構(gòu)件的應(yīng)用將大大提高工程數(shù)量計算的效率與精度。

4 結(jié)論

建立參數(shù)化構(gòu)件庫是提高BIM設(shè)計效率的有效方法，構(gòu)件的參數(shù)化設(shè)計需要通過二次開發(fā)來實現(xiàn)。通過對構(gòu)件設(shè)計方式進(jìn)行分析，并依托ORD進(jìn)行二次開發(fā)，在構(gòu)建三維實體模型的同時，使用ECSchema工具附加屬性。對構(gòu)件的實體模型、裝配方式、幾何屬性及非幾何屬性測試、修改并完善后，將構(gòu)件創(chuàng)建模塊集成到ORD中，完成構(gòu)件入庫，實現(xiàn)構(gòu)件的統(tǒng)一管理。

實踐證明，參數(shù)化構(gòu)件的應(yīng)用大大提高了鐵路路基BIM建模的效率，能更高效的輔助設(shè)計人員進(jìn)行路基工程設(shè)計。同時，參數(shù)化構(gòu)件在鐵路路基二維出圖和工程量計算方面具有廣泛的應(yīng)用前景，需專業(yè)人員繼續(xù)深入研究。