基于BIM的铁路路基三维建模方法研究

2020-01-09薛宇腾黄新文

铁道勘察 2020年1期

薛宇腾黄新文

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

1 概述

BIM(Building Information Modeling)是一种信息化技术[1-4]，可服务于铁路工程建设、运营、维护等阶段，满足新时代铁路建设发展的要求[5]。目前，中国铁路总公司已开始大力推动其在铁路工程建设中的应用[6]。在铁路工程设计阶段，BIM可以充分满足三维可视化的设计需求，解决传统铁路设计中存在的设计不全面、设计意图表达不明确等问题。三维信息模型是BIM技术的基础[7]，模型的构建方法则是值得研究的重要问题。

2 研究现状

董兴干[8]等采用既有的二维设计资料或者设计内容的参数数据库进行三维建模，这种方法虽然实现了二维成果到三维成果的快速转化，但其设计过程没有利用三维可视化的优势。潘兵宏等[9-10]采用空间四边形来模拟路基的三维模型。王明生等[11]利用原始地形数据，使用三角网模型实现路基三维建模。聂良涛[12]提出以不规则三角网方法解决路基与地形模型的契合问题，实现路基边坡等与地形模型的交互。刘厚强等[13]研发了三维路基设计软件，从数据录入到横断面设计均保留了传统设计方法，通过前后相邻断面基准点的捕捉，实现路基结构体的添加。曹琨等[14]采用了基于Revit软件的参数化方法进行路基建模。孔国梁等[17]基于CAD和达索系统，创建路基排水模型，为路基排水三维设计提供了解决方案。

综上所述，以往的研究经历了从二维到三维的过程，在各自的研究领域解决了许多具体问题。其中，三角网和参数化建模的方法能较好地用于路基建模。以下结合前人的研究成果，从三维正向设计出发，对铁路路基三维建模方法进行探索和研究。

3 三维建模基础方法

三维模型本质上是点、线等各类信息的数据集合，它可以是手动建立的，也可以按照一定的算法生成。虽然三维建模软件种类多、特点各异，但是其几何造型技术却是相通的，以下列举几种常见的建模方法。

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3.1 基本体素造型

基本体素造型是运用软件工具所提供的简单形体(体素)，以组合或者合并、相减等布尔运算构造模型的方法。目前，常用的三维建模软件都提供了丰富的基本几何形体，如立方体、圆柱、球、圆台、圆锥、圆环、棱台、棱锥等，充分利用这些形体，可以使建模过程便捷快速。如路基截水渗沟方形检查井就是在简单形体基础上，通过相减布尔运算再与其他形体组合构建的三维模型，图1表现了一个方形检查井的建模流程。

横断面编辑模块支持标准结构物的创建、调取和装配，使得绘制和编辑工作更为方便快速，基于构件库的理念也为后期二次开发提供了便利。可以对任意里程地形进行剖切并开展横断面设计，也可加密一定里程范围的横断面骨架数量，使模型更为真实合理。该方法保留了基于二维横断面的传统设计习惯，还提供了二维、三维的交互过程，充分利用了三维建模软件可视化的特点。通过三维视角可以鸟瞰整个模型，为措施制定提供更加有利的条件(效果展示如图5所示)[18]。

图1 方形检查井模型示意

3.2 拉伸旋转扫描变换法造型

(3)缺点和不足

图2 拉伸构建模型示意

3.3 放样法造型

放样法能够对极为复杂的形体进行造型(尤其是变截面形式的三维模型)。其基本原理是将三维空间中的多个变化截面以一定路径相连接，形成三维模型，图3是一个变截面水沟的建模过程。受地层、地形面等因素的影响，路基的形式、尺寸变化较多，而放样法恰好适用于这种情况。

图3 过渡段模型示意

4 基于Bentley平台的三维建模方法

由于建模内容是三维的，一些二维设计中较少考虑的问题在三维建模时会暴露出来，如各种类型的过渡段设计，其快速建模插件的开发没有跟上，给建模带来了诸多的问题。

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(1)关键技术

4.1 线状构造物建模方法

民国初期独立组织机构的公共体育场主要分布在华东地区的部分中心城市，如江苏、安徽、江西、浙江等中心城市以及江苏省部分县。南京政府时期数量增多，如福建、山东、湖北、云南等省立公共体育场也有独立组织机构，江苏、安徽、江西、浙江等省县立公共体育场场长数量增加。抗日战争时期福建、江西、湖北等省立公共体育场组织机构内迁，福建、江西两省各县独立公共体育场增加，专职场长数量增加明显。此外，大后方如云南、四川两省也有一定数量的独立组织机构公共体育场以及专职场长。抗日战争胜利后，独立组织机构数量有一定恢复，但是专职场长多分布在中心城市以及战争影响不大的大后方几个省。

图4 线状构造物建模流程

探测器着陆小行星运动过程中，两者之间的距离远远小于轨道半径，通过近似线性化模型来描述两者之间的相对运动，可将公式（1）变化为以下表达式：

线状构造物建模是建立在设计路基横断面的基础上。因此，路基横断面绘制和编辑是重点。基于Bentley平台的设计软件提供了一套横断面编辑模块，可对路基横断面进行顶层设计。该模块能够对点、线、面添加约束，创建构件位置信息的约束关系；另外，借由末端条件(坡脚、堑顶等关键点)，可以自动追踪地形面模型。

(2)特点和优势

基本思路：在三维建模软件下，依据设计原则编辑并生成路基构件横断面骨架，通过放样或者拉伸造型方式连接横断面骨架，生成四边形或三角形的网格体，利用三维模型可视化的特点检验模型合理性，对不合理段落的横断面进行调整直至符合规范。最后，利用各类基础造型方法对各种结构进行精细设计(建模流程如图4所示)。

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图5 路基结构物与地形模型结合效果

拉伸旋转扫描变换法造型是由一个点、一条线、一个面或一个形体沿某一路径运动而产生的。通常先绘制一个二维的横断面，再通过拉伸或旋转生成物体的造型。如图2所示，路基的定截面悬臂式挡土墙即可通过拉伸构建模型，路基边坡的空心砖结构同样可用此种方法建模。对于截面固定但形状较为复杂的构造物，运用沿线拉伸或旋转成体的方法最为快捷。

从路基的造型特点进行分类，可将路基结构物分为线状构造物和不连续构造物：线状构造物是指路基中连续不间断的构筑物，其方向与线路走向一致，路基的主要结构大都属于线状构造物，如基床、路基本体、排水沟等；不连续构造物是路基中由一种或多种形状和体素组成、在空间上相对独立的结构，并在一定里程范围内有规律的分布，如桩板墙(变截面挡土墙)、边坡骨架防护、桩基础等。

4.2 不连续构造物建模方法

不连续构造物主要由标准构件组成，与地层、地形面也紧密关联。因此，采用参数化的建模方法(参数包括构件本身的几何信息，也包括地层、地形影响带来的定位信息)可以给设计带来很大的便利。

在社会治理系统的建构过程中，共建是共治的前提和基础，共治是共建的归宿和目的。由于产生的历史背景、具体国情不同，我国社会治理系统的共建共治在国家制度层面，与西方社会治理有着本质的区别，它既具有中国特色又体现中国经验，既有中国特色共建的内在逻辑，又体现中国经验的合作共治，是内在逻辑的共建与外在共治功能的统一。

(1)桩板墙和扶壁式挡土墙建模

两种类型挡土墙的共同特点是整体结构由若干个一定长度和尺寸的单元组成，每个单元都含有相同的构件，但构件的尺寸不同，故建模思路是按单元构建模型。基于参数化建模方法，开发了几种快速建模插件，可对参数构建的截面进行拉伸再相互拼接来构建模型(如图5、图6所示)。一组参数对应一组构件模型，根据设计者的需求录入参数，或者根据三维线位、地形面模型计算获得。最终，软件根据参数自动生成具有相应尺寸和位置的模型(如图7所示)。