基于BIM技术的铁路围墙/栅栏设计方法

王凯军，杨 斌，马西章

（1. 中国铁路设计集团有限公司 线路站场枢纽设计研究院，天津 300142；2. 中国铁路总公司 工程管理中心，北京 100038；3. 京沈铁路客运专线京冀有限公司，北京 100071）

0 引言

随着铁路BIM技术的发展，相关BIM标准的逐步制定并完善，各方对铁路BIM模型精度、完整度的要求越来越高，围墙/栅栏等安全防护设备在BIM模型完整性、可视化、工程量统计等方面发挥的作用也进一步凸显。同时，在《铁路工程信息模型表达标准（1.0版）》《铁路工程信息模型交付精度标准（1.0版）》等标准中，对围墙/栅栏的模型粒度等级及精度信息也进行了明确规定[1-3]。

目前，各主流BIM设计平台，包括达索、奔特力、欧特克等对此类设备均无有效的建模工具可用。在此基于达索平台，提出铁路围墙/栅栏BIM模型的实现方法，并已在铁路等多个项目中应用验证，取得了良好效果。

1 解决方案

1.1 设计难点

目前，二维设计过程中涉及到的围墙/栅栏通常在图纸中标明平面位置，并在设计说明中指定围墙/栅栏型号或使用标准图，如《专房设（05）4001》《通线（2012）8001》等。

在BIM设计中，围墙/栅栏不仅需要对其空间位置进行定位，还需要制作相应的模型/模板，并进行装配或实例化，以得到最终的BIM模型。其中，根据围墙/栅栏的长度可将其分为标准长度构件（围墙一般为4 m，栅栏一般为3 m）和非标准长度构件。BIM设计中的主要难点如下：

（1）标准长度的围墙/栅栏的装配效率不高；

（2）非标准长度的围墙/栅栏需要制作模板，以适应不同长度的需要；

（3）非标准长度的围墙/栅栏虽然可利用达索平台的Action功能进行批量实例化，但效率极低，需要消耗大量时间。

1.2 实现流程

针对上述问题，通过设计自适应模板与CAA开发相结合的方式，提出一种铁路围墙/栅栏的BIM设计方法，一般实现流程如下：

（1）在平面上确定围墙/栅栏的设置边界A；

（2）将边界A投影至地形面，得到围墙/栅栏的空间位置B；

（3）对边界B进行解析，计算出其中的拐点P1、P2、…、Pn；

（4）根据拐点对边界B进行分段，并分别计算相邻2拐点Pi、Pi+1之间的标准长度构件与非标准长度构件的定位坐标系；

（5）根据标准长度构件的坐标系进行模型装配（需要事先准备标准长度构件模板）；

（6）根据非标准长度构件的坐标系进行批量实例化（需要事先准备参数化自适应构件模板）。

2 实现方法

2.1 参数化自适应模板制作

模板是达索平台的一项重要功能，通过模板能够制作出各种类型的构件。通过制作参数化的自适应模板，对围墙/栅栏进行建模，通过参数控制各部位尺寸，以达到制作同型号不同尺寸构件的目的。

模板制作的难点在于定位时要保证各部件与定位坐标系保持相对固定的位置关系，否则会出现定位偏移、姿态扭转等问题。模板通过坐标系进行定位，所有的建模要素均与该坐标系进行关联设计，以保证模板实例化结果的正确性。以砖砌花格围墙为例，其模板内部的关联结构关系见图1。

围墙模板参照通用参考图《专房设（05）4001》进行制作，并根据交付精度标准进行适度简化。单片标准长度砖砌花格围墙（4 m）模板见图2，围墙的长度、高度以及花格的间距等均可通过参数进行灵活调整。同理，参照通用参考图《通线（2012）8001》制作栅栏模板，单片标准长度栅栏（3 m）模板见图3，其长度、高度、立柱间距等均可调，刺丝滚笼部分未建模。

图2 单片标准长度砖砌花格围墙（4 m）模板

图1 砖砌花格围墙模板内部关联结构关系

图3 单片标准长度栅栏（3 m）模板

2.2 标准装配模板制作

标准装配模板用于装配参数固定不变的围墙/栅栏。所谓装配就是将构件依次放置到合适的位置上。标准装配模板是在参数化自适应模板的基础上经过简化得到的，其目的是提高建模效率，减小模型体量。简化过程主要是将模板内部的关联关系全部去掉，仅保留几何外形，同时为其添加相关的IFC类型及属性集，为后续信息的传递及工程数量计算打下基础。以砖砌花格围墙为例，轻量化之后的模型结构树见图4，每个部件仅有1个无链接关系的几何实体，所有其他信息均被去除。

2.3 程序开发

为解决围墙/栅栏在实例化模板和装配构件时效率低的问题，利用C++语言对CATIA进行基于CAA架构的二次开发[4]。CAA是CATIA的一整套C++函数库，该函数库在CATIA运行时加载[5]。基于该函数库可直接与CATIA进行通信，通过对自身业务逻辑的封装，实现相关功能，大大提高了建模效率。

按照设计方法的实现流程，二次开发工作主要有2部分：（1）定位坐标系的计算；（2）装配/实例化相关的模型/模板。

2.3.1 定位坐标系计算

定位坐标系计算包含实现流程中的前4个环节，其界面见图5。5项输入条件为：2坐标系之间的间距、地形面、围墙/栅栏边界、目标文件夹以及定位坐标系在Z轴方向上与边界的偏移距离。该功能可一次性将当前选中边界包含的标准长度和非标准长度的围墙/栅栏的坐标系全部计算出来。

图4 轻量化之后的模型结构树

图5 定位坐标系计算的界面

图6 计算所得坐标系

该功能的实现难点在于确定拐点末端位置坐标系的方向及此处围墙/栅栏的长度计算。计算所得的坐标系见图6，黑色坐标系为标准长度围墙/栅栏的定位坐标系，红色坐标系为非标准长度围墙/栅栏的定位坐标系。

2.3.2 装配/实例化相关的模型/模板

装配/实例化相关的模型/模板对应实现流程中的后2个环节。非标准长度构件的实例化采用批量实例化Power Copy的方式（见图7），4项输入条件为：存放模板3D Part的ID、所用模板的名称、用于定位坐标系的文件夹和目标文件夹。

批量装配标准长度构件的界面见图8，3项输入条件为：存放定位坐标系的文件夹、目标装配文件ID和用于装配的构件ID。

图7 批量实例化非标准长度构件的界面

2.4 实现效果

该方法广泛适用于路基、车站等地段围墙/栅栏的BIM设计工作，并通过程序开发有效提高了围墙/栅栏的BIM设计效率。目前，已在京雄高铁、牡佳客专、盐通客专等多个项目中应用。以站内围墙BIM模型设计为例，手工建模往往需要3～5 d，费时费力。采用开发工具后，基本可在4 h内完成，大大提高了设计效率。

图8 批量装配标准长度构件的界面

3 结束语

利用该方法能够比较快速地完成围墙/栅栏的BIM设计工作，但仍存在一些问题：（1）现场施工过程中，围墙/栅栏所在位置的场地均事先经过整平，此过程难以在BIM设计中进行模拟。由于直接将围墙/栅栏放置于地面之上，在地面起伏时，相连的围墙/栅栏会出现错台问题（见图9），影响美观；（2）该方法较手工建模效率虽有较大提升，但仍存在改进空间。在后续工作中，可考虑采用多线程装配、制作Component Family模板等方法进一步提高效率。

图9 围墙错台问题示意图