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铁路路基排水BIM设计


我国是一个季风气候明显的国家,降水季节分配差异大。每年4月,我国东南部雨季率先爆发,这个阶段一般被称为“江南春雨期”。


甘正伦版画:江南春雨


在雨水丰富的季节,铁路路基极易软化、冲蚀,致使路基本体强度降低,诱发各种病害;而良好的排水设计可确保路基安全稳定,杜绝运营期间多数路基病害发生。




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。


 在达索系统下直接进行排水沟平纵断面骨架线设计,开发周期和工作量都很大,如果通过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,可高效完成排水BIM设计。


BIM排水:AutoCAD & 达索的接力


排水平纵协同设计


ObjectARX是AutoCAD新一代的二次开发工具,能快速访问AutoCAD图形数据库,以动态链接库的形式实现许多复杂功能。



01

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,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


02

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5m。


 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,还包含排水沟平面模型的拆分、连接、倒置等编辑功能。


03

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,必要时辅以少量交互式调整,基本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,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,可减少手动调坡的工作量。最后通过少量交互式调整,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。


排水纵断面图

04

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。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。


05

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1m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。


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。


01

排水IFC标准的应用


根据铁路管线系统IFC标准研究成果,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“STORMWATER”,属性集“Pset_D S_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“Pset_PS_DitchSegmentCommon”。在达索系统Enovia平台通过定义扩展类型方式,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标准创造前提条件。


02

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“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。

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。


BIM试点排水案例


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。

京沈客专路基及桥下排水


京沈客专含过渡段排水


济青高铁青阳隧道洞口排水


阳大铁路隧道路基及桥下排水



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。