CRTSⅢ型板式無砟軌道BIM模型研究

張曉東,翟浩君

(1.石家莊鐵道大學土木工程學院,石家莊 050043； 2.石家莊鐵道大學交通運輸學院,石家莊 050043)

BIM(Building Information Modeling，建筑信息模型)作為建筑與土木工程領域的新工具，已在全球范圍內得到業界的廣泛認可。目前，BIM在建筑工程領域的應用已趨于成熟[1-3]，在交通橋梁、隧道工程中也取得了一定的研究成果[4-9]。但BIM在鐵路軌道工程領域的應用尚處于起步階段。高速鐵路無砟軌道是高速列車運行的直接基礎，利用BIM技術實現無砟軌道信息的集成，從設計、施工到運維的全壽命周期內，為參與各方提供一個信息共享和協同工作的平臺，必將創造巨大的應用價值[10-12]。由于無砟軌道結構的復雜性和精密性，創建與鐵路線形和線下結構(路基、橋梁、隧道)準確適配的無砟軌道模型成為BIM技術應用的基礎和關鍵。近年來，國內學者對無砟軌道BIM建模展開了研究。吳明輝[13]利用Revit軟件創建了彈性支承塊式無砟軌道族庫，并采用自適應公制常規族模型樣板，軌道模型沿線路中心線上的一系列自適應點構件，實現了與線形的匹配，但彎曲的軌道板結構與實際不符合；王洋[14]利用Revit二次開發，使無砟軌道各個組成構件模型按軌道部件間的相對位置依次加載，無縫貼合組裝形成完整的軌道模型，但并未考慮模型與實際鐵路線形匹配問題。相關研究根本上是基于建筑模型的思路和方法，不能滿足無砟軌道BIM模型的特殊性要求，未能解決無砟軌道BIM建模的難點。無砟軌道建模的特殊性和難點在于：無砟軌道部件多、構造精密復雜，相較于一般建筑結構，對BIM模型的精度要求更高；鐵路線形復雜，需考慮軌道的幾何形態與不同線形的匹配，如曲線處的超高及其過渡，以及其與縱斷面的組合；需考慮無砟軌道與不同線下結構的匹配；另外，鐵路線路往往長達數百甚至上千千米，建模工作量巨大，采用傳統建模方案需要存儲的信息量極大，模型加載耗時長，對計算機的性能要求高。以我國擁有自主知識產權CRTS Ⅲ型板式無砟軌道為研究對象，提出軌道結構單元的概念，對其參數進行分析歸納，研究了軌道結構單元族的創建方法、實例化參數的獲取方法，并利用Revit二次開發技術實現了無砟軌道快速建模。該方法僅存儲線路設計信息，能夠根據用戶所需實時分段生成適配實際鐵路線形與線下結構的無砟軌道精密模型。

1 軌道結構單元及其參數分析

1.1 軌道結構分析及軌道結構單元概念的提出

CRTSⅢ型板式無砟軌道[15]是我國擁有自主知識產權的一種軌道結構類型，由鋼軌、扣件、軌道板、自密實混凝土層(含凸臺)、隔離層(含凹槽四周的彈性墊層)、混凝土底座(設限位凹槽)等部件組成，如圖1所示。軌道沿線路縱向分塊構筑，即根據線下結構的不同，無砟道床每隔3～6 m斷開，設置間隔縫。無砟道床與線形、線下結構以1個分塊長度為單位進行適配。為建模方便，將無砟道床的1個分塊及其上的鋼軌、扣件作為1個單位，定義為1個軌道結構單元。因此無砟軌道可以看作是由軌道結構單元組成的，如圖2所示。隨鐵路線形的變化，軌道結構單元的位置、坡度、方向及組成部件的形狀、尺寸及相對位置都需進行調整。軌道結構單元也需與其線下結構橋梁、隧道相適配。

圖1 CRTS Ⅲ型板式無砟軌道結構組成

圖2 基于軌道結構單元概念無砟軌道結構分析

1.2 軌道結構單元參數分析

根據構建族庫和實例化的需要，軌道結構單元主要參數分為基本參數和適配參數兩類。

基本參數是指構建軌道結構單元族時所用到的軌道各部件尺寸、材料屬性等參數。由于扣件、鋼軌等部件類型多、構造復雜，因此，預先構建相應族庫，在軌道結構單元參數中以其類型作為參數。

模型實例化時，為滿足線路線形變化引起的軌道結構特征的變化以及軌道結構與線下結構的匹配，軌道結構單元的長度、位置、坡度、方向及組成部件的形狀、尺寸及相對位置等參數需進行調整，相關參數稱為適配參數。因軌道結構單元中軌道板、自密實混凝土和底座的長度相同，因此，統一為軌道結構單元長度。軌道結構單元參數匯總見表1。

表1 軌道結構單元參數信息

2 軌道結構單元族的創建方法

軌道結構單元族是組成無砟軌道模型的基本構件。根據軌道結構及其參數的分析，軌道結構單元族的層次結構如圖3所示。

圖3 軌道結構單元族層次結構

由于軌道結構單元族結構復雜，需考慮各部件間的位置關系并滿足實例化時不同線形下軌道部件的形狀與部件間相對位置的調整，滿足參數間的約束關系，采用公制常規模型族樣板文件與基于面的公制常規族樣板文件創建軌道結構單元族。具體步驟如下。

(1)根據對軌道結構單元族層次結構的分析，按軌道部件的相對位置，分別在公制常規模型族樣板文件中創建軌道結構單元各個組成構件的參數化族模型，如圖4所示。

圖4 軌道結構單元組成構件族

(2)分別將各軌道構件族載入到基于面的公制常規族模型樣板中，并將族模型附著在族模型樣板中自帶的附著面上，形成基于面的軌道部件族。創建的基于面的自密實混凝土族如圖5所示。

圖5 基于面的自密實混凝土族

(3)將基于面的軌道部件族載入到軌道結構單元主體族中，選擇軌道結構單元主體族的基準點即族在項目中的插入點，根據軌道結構各部件間的位置關系創建相應的參照線與參照平面等輔助線，按底座—自密實混凝土—軌道板—扣件—鋼軌的順序，前一個軌道部件族上表面作為附著面，將后一個軌道部件族附著在上面，并通過復制、移動、對齊、陣列等操作，使各個軌道部件族嵌套組裝為軌道結構單元族，根據對軌道結構單元參數的分析，添加相應族參數，并與組成構件族的參數關聯，通過改變族類型參數，設置多種軌道結構單元類型族。創建的軌道結構單元族如圖6所示。

圖6 軌道結構單元族

3 軌道結構單元族實例化參數信息的獲取方法

參數化創建無砟軌道模型的實質是軌道結構單元族的實例化。每個軌道結構單元模型需要準確定位并與鐵路線形及線下結構精確適配。因此，基于鐵路線路設計信息(平面設計線數據、縱斷面設計線數據、線下結構信息)，獲取每個軌道結構單元的實例化參數信息是無砟軌道精確建模的基礎。

每個軌道結構單元的類型、鋪設里程和板縫值利用布板設計方法[16-19]，考慮無砟軌道結構單元與線下結構(路基、橋梁、隧道)的匹配確定。軌道結構單元定位點的三維坐標、方向、仰角以及承軌臺的調偏、調高值，根據線路平面、縱斷面信息確定。

3.1 軌道結構單元參數分析

由線路平面設計信息(各交點坐標，各曲線的半徑Ri、緩和曲線長Li)可以計算出每條曲線的切線方向(Ai-1，i、Ai，i+1)、主點里程(MZHi、MHYi、MYHi、MHZi)、主點坐標(XZHi、YZHi、XHYi、YHYi、XYHi、YYHi、XHZi、YHZi)等[20-21]。根據軌道結構單元里程可確定其所在直線、曲線及曲線上的位置(第一緩和曲線、圓曲線、第二緩和曲線)，不同位置的軌道結構單元定位坐標X、Y、Z的計算方法如下。

(1)第i個曲線后直線上軌道結構單元平面定位坐標計算

X=XHZI-1+lcos(Ai-1，i)

(1)

Y=YHZI-1+lsin(Ai-1，i)

(2)

式中，l為軌道結構單元距前一主點的距離，l=(Mt-MHZi)。

(2)第i個曲線第一緩和曲線上軌道結構單元平面定位坐標計算

X=XZHI+xcos(Ai-1，i)-Kysin(Ai-1，i)

(3)

Y=YZHI+xsin(Ai-1，i)+Kycos(Ai-1，i)

(4)

其中

(5)

(6)

式中，K為曲線轉向標識符，左轉曲線取1，右轉曲線取-1；l為軌道結構單元距前一主點的距離，l=Mt-MZHi。

(3)第i個曲線圓曲線上軌道結構單元平面定位坐標計算

X=XZHI+xcos(Ai-1，i)-Kysin(Ai-1，i)

(7)

Y=YZHI+xsin(Ai-1，i)+Kycos(Ai-1，i)

(8)

其中

(9)

(10)

式中，l為軌道結構單元距前一主點的距離，l=Mt-MHYi；β0、q、p為緩和曲線常數，分別為緩和曲線切線角、切垂距、圓曲線內移距。

(4)第i個曲線第二緩和曲線上軌道結構單元平面定位坐標計算

X=XHZI+xcos(Ai，i+1)+Kysin(Ai，i+1)

(11)

Y=YHZI+xsin(Ai，i+1)-Kycos(Ai，i+1)

(12)

其中

x=l

(13)

(14)

式中，l為軌道結構單元距前一主點的距離，l=Mt-MYHi。

(5)軌道結構單元豎向坐標的計算

里程為Mt、位于第i個坡段上的軌道結構單元高程Z為

(15)

式中，Z0為線路起點高程；li、ii分別為第i個坡段的坡長和坡度。

3.2 軌道結構單元的方向、仰角及承軌臺的調偏、調高值計算

3.2.1 軌道結構單元的方向和仰角計算

(1)第i個軌道結構單元的方向

(16)

(2)第i個軌道結構單元的仰角

(17)

3.2.2 承軌臺的調偏、調高值計算

(1)承軌臺的橫向調偏值

緩和曲線與圓曲線地段的承軌臺需要橫向調偏。板中承軌臺的偏移值為

(18)

式中，LS為板長加板縫的長度；R為所在曲線的半徑。

板中往兩側第n個承軌臺的調偏值為

(19)

式中，d為承軌臺間距。

當軌道結構單元位于緩和曲線上時，將上述計算式中半徑R替換為曲率半徑ρ

(20)

式中，L為緩和曲線長；l為板中距離ZH點或HZ點的距離。

對于右偏曲線將位于沿線路行進方向軌道板左側的承軌臺依次調高，左偏曲線將右側承軌臺依次調高。

(2)從ZH點或HZ點起(含)第n個承軌臺的豎向調高值為

(21)

式中，h為圓曲線地段的外軌超高值。

對于右偏曲線將位于沿線路行進方向軌道板左側的承軌臺依次調高，左偏曲線將右側承軌臺依次調高。

4 CRTSⅢ型板式無砟軌道快速建模的實現

鐵路線路往往長達數百甚至上千千米，建模工作量巨大，模型存儲量大，加載耗時長，對計算機性能要求高。利用Autodesk公司Revit軟件提供的強大的二次開發功能[22-25]，開發CRTS Ⅲ型板式無砟軌道快速建模系統，代替了大量簡單重復性建模工作。同時，模型并不需要提前創建并存儲，僅需存儲模型參數，可按需(里程段)實時快速生成相應的無砟軌道BIM模型，相比傳統建模方法減少了模型存儲量與模型加載耗時，降低了對計算機硬件的要求，顯著提高了工作效率。

4.1 系統結構

CRTS Ⅲ型板式無砟軌道快速建模系統主要由兩大模塊組成，分別為模型數據庫管理模塊和模型生成模塊。模型數據庫管理模塊的功能是利用項目的基礎設計數據，計算整個項目中各軌道結構單元的實例化參數信息，生成項目的模型數據，存儲并管理，作為建模的基礎數據。模型數據庫管理模塊的運行不依賴Revit平臺，雖存儲整個項目的數據，但僅存儲參數數據，存儲量小。模型生成模塊在Revit平臺下運行，其功能是按照用戶需求，利用模型數據庫，快速生成用戶指定區間的BIM模型并呈現給用戶。模型生成模塊建立的模型一般是局部模型，建模速度快、操作響應快、可按需實時生成，也可作為存儲備用，存儲量小、加載快。

4.2 主要模塊的設計

模型數據庫中模型數據的創建方法如圖7所示。

圖7 模型數據的創建方法

模型生成模塊的實現方法如圖8所示。

圖8 模型生成模塊的實現過程

4.3 軌道結構單元族實例化方法

軌道結構單元族的實例化是創建無砟軌道BIM模型的關鍵。每個軌道結構單元模型的創建分兩步實現，即創建軌道結構單元族實例與修改族實例參數信息，具體實現方法如圖9所示。

圖9 軌道結構單元模型創建方法

圖10為某鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道BIM模型(局部)。

圖10 某鐵路CRTS Ⅲ型板式無砟軌道BIM模型(局部)

5 結論

(1)本文提出軌道結構單元概念，作為族的基礎和無砟軌道建模的單元，便于實現建模的參數化和無砟軌道與線形、線下結構的精確適配。

(2)將軌道結構單元的參數分析歸納為基本參數和適配參數，提出了實例化參數的獲取方法，為無砟軌道參數化精確建模奠定了基礎。

(3)提出軌道結構單元族的創建方法，并基于Revit二次開發技術開發了無砟軌道快速建模程序，給出了系統結構和各功能模塊的實現方法。

(4)模型單元的參數化和按需實時分段生成模型的建模思路和方法，相對人工建立并存儲模型的方法，存儲量小，無需一次全部加載，對硬件性能要求低，工作效率高。