基于BIM设计的道岔设备建模方法研究

2020-01-09杨文成

铁道勘察 2020年1期

杨文成

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

1 概述

目前，我国铁路设计院仍主要采用二维AutoCAD软件进行铁路设计工作，以二维图纸作为最终成果。铁路项目是一个庞大的系统性工程，从项目的规划设计到配合施工，设计单位往往需要对方案进行反复修改，设计变更、废弃工程等问题也亟待通过更科学的设计手段去改善。铁路开通后，各运营维护单位也渴望摆脱呆板的二维图纸、报表资料，利用更加便捷化的三维数字化技术提高运营服务水平，保障设备维护质量。

道岔设备是整个车站布置的核心控制要素，站线及警信等重要设施都是通过道岔来确定其位置，故道岔设备模型的准确性直接关系到站场设计质量及铁路行车安全。目前，国内外铁路BIM设计软件中，对道岔和股道提供良好支持的软件较少[1-6]，以下结合铁路站场设计，对主流BIM软件平台进行探索学习[7-13]，以期通过道岔数据库的构建，减少铁路站场三维模型制作周期[14-15]，提高铁路站场计算机辅助设计水平。

2 基于OpenRail软件平台的站场道岔BIM建模方法研究

2.1 线性站场道岔设计思路

OpenRail软件是铁路基础设施建筑领域内较成熟的BIM设计软件，其功能包括铁路领域的深化设计与建模，并且集成了测量、线路、路基、轨道等多个专业性功能模块。OpenRail软件内嵌MicroStation平台，具有更多的可扩充性[16-19]。站场道岔模型的BIM设计可以分为两种思路：

(1)运用OpenRail软件中道岔模块去绘制道岔的线性模型。该模型仅由直线、曲线等线性抽象后的几何要素组成，其中，直线和曲线表示道岔直股、侧股设备的中心线。

(2)利用MicroStation功能直接绘制各种道岔的实体三维模型(以cell文件格式进行存储)，并通过OpenRail软件中桩号及坐标信息引用插入。该思路有利于站场道岔BIM模型一次完成，但不利于设计工作中的反复修改，并且在设计前期需要投入大量时间进行实体三维道岔模型的绘制，对设计单位而言生产效率较差，故不作推荐。

2.2 站场专业道岔选用方法

我国标准铁路采用1 435 mm轨距，常用道岔按其功能性可分为单开道岔、对称道岔、交叉渡线、复式交分道岔等类型；根据不同标准的钢轨轨型，有43 kg/m、50 kg/m、60 kg/m、75 kg/m等种类；此外，也常根据道岔号数进行分类，如9号、12号、18号、42号等类型。各类道岔中，单开道岔是最为常用的类型，在铁路线上的占比为90%以上，能够较好地兼顾安全性和养护成本。

在铁路道岔设计中，首先通过岔心来定位，然后根据站线的需求选择道岔开向，最后对道岔岔尾末端直线段进行延伸。站场中每个道岔的选用都是根据钢轨型号、速度标准等需求综合考虑而定的。

2.3 OpenRail道岔模块功能分析

OpenRail软件在既有OpenRoad软件基础上增加了轨道交通设计的功能，其道岔管理模块为铁路道岔的绘制提供了部分欧美标准道岔参数。创建标准道岔模型时，可以对该软件的内嵌道岔数据进行复制，然后逐项进行信息修改，以建立个人道岔数据库。该方法虽然简单易懂，但修改后的道岔数据仅支持个体软件环境，无法在团队中进行便捷复制。另一种方法是通过可扩展标记语言(XML)编写道岔数据库，可以非常方便地进行复用、推广。故以下重点对更优的xml文件道岔数据库方法进行深入的探讨。

(1)XML语言概述

XML语言在表达形式上与HTML语言非常相似，都是主要用于完成传输和存储数据的语言[20]，可弥补HTML语言无法描述数据、可读性差、搜索时间长等缺点。在XML文件编写过程中，需要注意区分大小写，并且元素标记名称应在整个文件中保持其唯一性[21-23]。XML文件中，声明语句后应紧跟一个根元素(根元素有且仅有一个，后面所有子元素都应只是在根元素下的分支表达)，所有元素的属性值必须加引号修饰，并且各元素的开始与结束都需有对应标记去完成闭合[24-28]。

(2)关键元素分析

在OpenRail软件中，首先将道岔设备的各关键组成部分以中心线几何特征为要素进行直线、曲线等的抽象化处理，并针对不同道岔类型提供相对应的处理方案，如单开道岔主要以直股、侧股和道岔角构成，交分道岔主要以两个直股和道岔角构成。以单开道岔为例，展开进一步研究。

OpenRail轨道交通模块中的“RAIL TURNOUT IMPORT”命令可以导入XML语言编写的道岔数据库文件。为使道岔数据库代码简洁、易懂，规定道岔数据库文件中根元素为，各分支元素为各种不同道岔型号类，用不同的元素来表示，不同型号道岔数据的元素标记信息应包含下面几类。

①道岔设备概述类：类型，导曲线线形，图纸名称，图号；

②直股元素类：道岔全长，道岔角(道岔号数)，岔尾长；

③侧股元素：导曲线，导曲线两侧的直线，如图1所示。

图1 侧股元素组成

在铁路设计的不同阶段，道岔数据库中道岔模型元素的细化程度也有所不同。站场专业的道岔模型主要用于定位站线起始点及连接关系，如图2所示，可通过直股、岔心、侧股及道岔角对道岔数据进行录入。

图2 线性简化后的单开道岔示意

(3) XML文件编写方法研究

对道岔数据库进行标准化处理，对XML文件中各类元素及标记建立统一命名规则，以便于道岔数据库的长期维护。道岔数据库中主要元素及标记命名规则见表1。

表1 道岔数据库主要元素命名规则

根据表1的命名规则，道岔全长、道岔岔心距离岔尾距离等各项道岔尺寸值都可以通过《铁路道岔参数手册》进行查询，并以道岔数据库元素标记值的形式加以表达。

3 实例分析

为了说明道岔数据库的创建过程，选用9号、12号、18号三种站场设计中常用单开道岔，对道岔数据库XML文件编写进行探讨，实例中采用的各道岔尺寸参数见表2。

表2 三种常用单开道岔参数

根据道岔数据库XML文件编写方法及表2中各道岔尺寸参数，对CZ2209道岔的OpenRail道岔数据代码进行分析：

//道岔元素。

//道岔类型及图号。

//单开道岔中岔首位置ratioAt1不存在角度；ratioAt0为道岔号数(辙叉角的余切值)；length0To2是直股岔心至岔尾的长度，length0To3是侧股岔心至岔尾的长度；lengthAlongMainline是道岔岔首至岔尾的全长。

//辙岔长度形式和长度。

//导曲线的半径值和弧长。

//道岔后插钢轨的形式和长度。

//对分支元素进行代码闭合

通过对上述代码的分析可知，SC330道岔和客专线(08)016道岔的OpenRail道岔数据库代码中，直股长度、辙叉角、岔尾长度等具有不同的参数值，对应替换即可形成新的道岔元素。此外，除了道岔分支元素的代码，完整的OpenRail道岔数据库文件还需要根据实际情况添加声明语句和根元素，并在文件最后进行分支元素代码闭合。