铁路路基排水BIM设计方法研究

■ 孔国梁 苏林 李顶峰

铁路路基排水BIM设计方法研究

■ 孔国梁 苏林 李顶峰

基于BIM技术开展铁路路基排水设计是深化和优化设计的需要。重点阐述在AutoCAD平台基于数字地面模型和实体反应器技术，实现多视口、平面交互式、纵断面自动化设计的排水平纵联动协同设计；在达索系统基于参数化模板，创建附加IFC分类和属性信息的排水BIM模型。研究结果表明，通过AutoCAD和达索软件接力完成铁路路基排水BIM设计，降低了开发难度，操作方便，自动化程度高，有助于深化排水设计，提高排水的系统性、直观性和信息化，具有推广应用价值。

铁路；路基；排水；BIM；协同设计

0 引言

当前，BIM作为推进铁路工程建设信息化的主要技术支撑，其价值和重要性已得到行业的持续关注和普遍认可，推广应用BIM技术已成为建设数字化铁路的必然选择。目前铁路路基排水二维设计一般采用断面法，先在路基横断面两侧设置水沟，再结合平面地形确定排水流向，逐个断面检查并调整水沟高程及横向位置，完成水沟的横断面和平面设计。断面法排水设计对断面间的排水关注不够或根本没有体现，而在排水BIM设计中，依托三维地形曲面和影像数据，生成的三维排水沟模型跟地形、路基、桥梁、涵洞、隧道等模型相互集成融合，排水设计成果的系统性和直观性显著增强，并且创建的BIM模型附加了属性信息，据此进行的工程数量计算也更加精确。

在达索系统下开展BIM设计，一般先进行用于定位的点、线、面、坐标系等骨架设计，再通过参数化模板的实例化生成BIM模型。而在达索系统下要直接进行排水沟的平纵断面骨架线设计，开发的难度、周期和工作量都很大，可通过AutoCAD二次开发技术，基于数字地面模型、地面影像、路基、桥梁、隧道等专业模型，先快速完成排水平纵断面骨架线设计，再导入达索系统进行三维建模，进行三维展示和合理性检查，最终高效地完成排水BIM设计。

1 基于ObjectARX的排水平纵协同设计

ObjectARX是AutoCAD新一代的二次开发工具，能够以C++/C#为基础，面向对象的开发环境和应用程序接口，真正快速地访问AutoCAD图形数据库，且以动态链接库的形式简洁高效地实现许多复杂的功能［1］。在此首先探讨在VS2008平台上采用ObjectARX2010软件包，实现排水沟沟底空间曲线的平纵协同设计方法。

1.1 创建数模、视口，导入路桥隧模型和地面影像

利用测绘专业采集并进行分类处理后的雷达点云数据，构建数字地面模型，按照种类不同，可分为Delaunay三角网和方格网数模。在进行排水设计之初，完成数模的初始化，并常驻内存，保证设计期间可以重复使用数模计算地面高程，直至退出CAD程序时，清理数模对象。

在CAD中创建2个视口作为路基排水设计的平纵视口，平面视口在上方，显示铁路路基排水的平面自定义实体；纵断面视口在下方，显示铁路路基排水的纵断面自定义实体；平纵视口的大小比例可由用户自定义调整。

将达索系统下创建的路基、桥梁、隧道模型连同地面影像的俯视图片插入CAD图，勾绘路基边坡和隧道洞口刷坡的边界线，按照排水设计一般原则，天沟边缘至堑顶距离不宜小于5 m，排水沟边缘至坡脚距离不宜小于2 m，并结合地面坡度走向，设计排水沟的初始平面位置。济青高铁青阳隧道洞口排水平纵协同设计见图1。

图1 济青高铁青阳隧道洞口排水平纵协同设计

1.2 排水平面交互式设计

基于ObjectARX进行CAD二次开发时，常用到字典来管理数据库对象，自定义实体技术创建定制多种属性和方法的设计模型，夹点拖动技术进行模型的交互式编辑。

字典是AutoCAD的一种容器对象，用于组织和管理数据库实体对象。在排水设计中，通过派生构建自定义字典，包括各条水沟平面、当前水沟平面、各条水沟纵断面、当前水沟纵断面的实体对象编码。

自定义实体是ARX为开发者提供的具有图形表现的定制数据库对象类，一般由AcDbEntity类派生，开发者一般需要重载绘制、炸碎、夹点拖动等关键函数。创建排水平面自定义实体，是在平面视口中逐个添加水沟平面交点，创建由直线段和圆弧组成的平面水沟沟底中心线，曲线半径采用不小于沟底宽度的10倍，且不小于5 m。

将排水沟平面交点、夹直线中点作为水沟平面交互式编辑的夹点，通过夹点拖动修改排水沟平面位置。此外，还包含了排水沟平面模型的拆分、连接、倒置等编辑功能。

1.3 排水纵断面自动化设计

通过自动更新地面线、坡度自动模拟和顺坡等手段，必要时辅以少量的交互式调整，基本上实现了纵断面的自动化设计。

地面线自动更新是根据平面位置调整，利用数模重新计算并绘制排水沟纵断面地面线。

坡度自动模拟是基于最小二乘法原理，对地面线进行直线模拟并进行分坡处理［2］，纵断面自定义实体绘制时按照坡度向上和向下，采用不同的颜色绘制坡长、坡度及坡段线，并标注坡段上指定间隔位置处的填挖量，便于直观地检查水沟沟底高程是否满足顺坡要求。

自动顺坡是选择一段水沟的最高点，进行单面坡或人字坡排水设计，可以减少手动调坡的工作量。最后通过少量的交互式调整，如插入、删除、移动变坡点，使排水纵断面在满足顺坡要求的前提下与地面线更加贴合。排水纵断面见图2。

图2 排水纵断面图

1.4 排水平纵协同设计

应用ObjectARX反应器技术，实现排水平纵断面实体按里程同步显示、平纵断面实体间的及时协同更新功能。ARX提供了一系列反应器类（Reactor）来监视不同类型的事件或者消息［3］。在排水平纵协同设计中，使用最多的2种反应器是编辑器反应器和数据库反应器。

编辑器反应器由AcEditorReactor类派生，用来监视AutoCAD命令。在排水设计中，通过重载该类的viewChanged（）函数，可以实现在平面视口中，鼠标中键移动（pan命令）查看水沟平面时，触发该函数，计算鼠标所在位置对应的平面里程，进而在纵断面视口中将该里程的水沟纵断面显示到纵断面视口中央；反之，移动查看纵断面，也可以按里程同步显示对应位置的水沟平面。

数据库反应器由AcDbDatabaseReactor类派生，用来监视数据库对象的创建、修改或删除。在排水设计中，通过重载该类的objectAppended（）、objectModified（）、objectErased（）等关键函数，实现水沟平面创建、修改，删除时自动创建、修改、删除对应的纵断面。

1.5 成果导入达索系统

根据排水平纵断面设计成果及标准沟深，按1 m的间隔计算排水沟沟底空间曲线坐标，在CAD里生成三维多段线，为了满足达索系统下水沟截面按此空间曲线扫掠成体的要求，在CAD里把该三维多段线转换成三维样条曲线。

另外，为了避免达索系统下因输入三维地形曲面造成水沟实例化缓慢，计算每米水沟断面上水沟两侧与地面的交点，形成水沟两侧与地面相交的2条三维多段线。

最后将每条水沟的沟底中心三维样条曲线、水沟两侧与地面的2条交线，通过高版本的CAD软件（如CAD2015）或Microstation软件，输出igs格式的文件，即可导入达索系统。

2 基于达索系统创建排水沟BIM模型

在达索系统内创建排水沟BIM模型，首先要结合铁路BIM技术标准研究最新成果，完成排水IFC标准在达索系统的部署，然后创建参数化的排水设计模板，最后通过模板实例化完成排水沟BIM模型的创建。

2.1 排水IFC标准的应用根据铁路管线系统IFC标准的最新研究成果［4］，使用IfcDistributionSystem表达各种类型的排水沟构成的排水系统，预定义类型属性取值为“STORMWATER”，属性集为“Pset_DS_ DrainageDitchCommon”。使用IfcPipeSegment表达整个排水系统中的一段排水沟、槽、管，预定义类型属性取值为“GUTTER”，属性集为“Pset_PS_DitchSegmentCommon”［5］。在达索系统Enovia平台上通过定义扩展类型的方式，完成IFC分类和属性集在达索系统的部署，为应用和验证排水IFC标准创造了前提条件。

2.2 排水沟参数化模板的创建

创建功能强大的参数化模板，并不断积累丰富形成模板库，实现专业设计功能，是达索系统BIM设计的主要特色。创建并优化后的等截面排水沟模板IFC分类为IfcPipeSegment，属性集为“Pset_PS_ DitchSegmentCommon”，输入元素为沟底空间曲线和两侧地面交线，输入参数包括水沟底宽、沟深、底厚、壁厚等，输出为水沟截面沿沟底空间线扫掠形成的水沟本体、水沟两侧延伸到地面的曲面、水沟本体的体积、水沟挖土方体积等，并对输出成果进行颜色配置（见图3）。

图3 排水沟模板截面、参数及输出成果

不同截面之间的排水沟相连时，应设置沟底宽度渐变率为1/20的过渡段，该段排水沟采用变截面排水沟模板，创建方法与等截面排水沟模板类似，不同之处在于输入截面参数为起终点2个截面的参数，水沟本体为变截面扫掠。

3 BIM试点项目排水设计案例

应用上述方法，先后在京沈客专、济青高铁、阳大铁路BIM试点项目中，进行了排水BIM设计，部分成果见图4—图7。

在实现路基排水BIM设计的主体部分后，还应对排水末端的消能设施，排水沟的交汇，排水沟与涵洞、路堑侧沟的衔接等建模问题，开展进一步研究。

图4 京沈客专路基及桥下排水

4 结束语

采用CAD二次开发实现排水平纵联动协同设计，再将成果导入达索系统，创建排水BIM模型的方法，通过实际项目应用验证，其自动化程度高，成功实现了铁路路基排水BIM设计的整体解决方案，深化了排水设计成果，提高了排水的系统性、直观性和信息化水平，对开展排水设计协调性检查和推动BIM技术在施工中的应用具有重要价值。

图5 京沈客专含过渡段排水

图6 济青高铁青阳隧道洞口排水

图7 阳大铁路隧道路基及桥下排水

［1］ 江思敏，曹默，胡春江. AutoCAD2000开发工具［M］. 北京：人民邮电出版社，1999.

［2］ 孔国梁，李顶峰. 铁路纵断面自动设计与优化方法研究［J］. 铁道工程学报，2012（12）：40-44.

［3］ 赵清清，王建勇. ARX反应器智能管理技术在BIM施工图中的应用［J］. 土木建筑工程信息技术，2013（12）：111-114.

［4］ 铁路BIM联盟. 铁路工程信息模型数据存储标准：1.0版［J］. 铁路技术创新，2016（1）：123-124.

［5］ 杨绪坤，毛宁. 基于IFC4的铁路管线系统数据存储标准研究［J］. 铁路技术创新，2015（6）：28-33.

孔国梁：铁道第三勘察设计院集团有限公司，高级工程师，天津，300251
苏 林：铁道第三勘察设计院集团有限公司，高级工程师，天津，300251
李顶峰：铁道第三勘察设计院集团有限公司，高级工程师，天津，300251

责任编辑 卢敏

U212.38；TP319

A

1672-061X（2016）03-0042-04