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文章來源：鐵路BIM聯(lián)盟

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何守旺，軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院)

引言

近年來，BIM技術(shù)已成為工程信息化的重要手段之一。鐵路工程方面，各大設(shè)計院、施工單位在各專業(yè)領(lǐng)域都對BIM技術(shù)進行了深入研究與廣泛應(yīng)用，取得了一定的經(jīng)濟效益與社會效益，其重要性日益凸顯。鐵路工程的BIM設(shè)計具有體量大、涉及專業(yè)多、專業(yè)間接口交互繁雜等特點，進行全線全專業(yè)的BIM設(shè)計，實施難度很大。在勘察設(shè)計階段，面向站前、站后不同的設(shè)計專業(yè)，BIM技術(shù)研發(fā)不均衡，比如路基、橋梁、隧道專業(yè)已有成體系的BIM設(shè)計軟件，但有些專業(yè)缺少專業(yè)BIM設(shè)計軟件的支撐，效率較低。此外，各專業(yè)在線路計算、構(gòu)件管理、屬性添加、模型剖切等功能上還存在標準不一、重復(fù)開發(fā)，以及缺乏統(tǒng)一化、集約型管理等問題。據(jù)此，通過對鐵路工程BIM設(shè)計的基礎(chǔ)、共性技術(shù)進行研究，構(gòu)建線路空間位置計算API庫、基礎(chǔ)函數(shù)庫和通用BIM設(shè)計輔助工具，為鐵路工程BIM設(shè)計提供統(tǒng)一的業(yè)務(wù)支撐。

一、技術(shù)路線

鐵路工程BIM模型具有線性斷面裝配工程的特點，BIM模型建立多基于線路，簡單來說就是將其看成由一個或者一組截面輪廓沿線路的一段或幾段線放樣出來的模型，或基于線路進行布設(shè)，其中線路作為控制放樣線或布設(shè)基準線，BIM模型與之進行關(guān)聯(lián)。圖1為線性斷面裝配工程的BIM設(shè)計流程。

在專業(yè)應(yīng)用過程中，基礎(chǔ)性工作就是如何利用線路的平面曲線要素數(shù)據(jù)、坡度與豎曲線數(shù)據(jù)、斷鏈數(shù)據(jù)，在設(shè)計平臺中建立三維的空間線路，并能對基于線路的BIM模型進行任意里程值處的坐標、正切角度、高程計算等。在此基礎(chǔ)上，進行BIM模型的布設(shè)與拼裝，圖2、圖3為典型工程的BIM設(shè)計模型。在BIM設(shè)計過程中，需要對BIM模型進行精細化管理與信息附加，并進行BIM模型的剖切，為出圖做基礎(chǔ)工作。

根據(jù)各設(shè)計專業(yè)BIM設(shè)計過程中遇到的問題與業(yè)務(wù)需求，分析梳理出在線路的精確定位、構(gòu)件布設(shè)與拼裝、屬性添加、構(gòu)件管理、模型剖切等基礎(chǔ)、共性技術(shù)進行研究與開發(fā)。

主要研發(fā)目標如下：

（1）鐵路線路空間位置計算API庫：基于線路專業(yè)數(shù)據(jù)文件，構(gòu)建API庫，實現(xiàn)線路通用計算功能，實現(xiàn)不同的集成調(diào)用方式，包括二次開發(fā)程序的集成、服務(wù)器端程序的集成。滿足AutoCAD、Civil3D、Revit、Microstation、OpenRail等平臺上的二次開發(fā)系統(tǒng)中調(diào)用接口要求。

（2）基于線路中線的BIM模型構(gòu)件布設(shè)與拼裝：實現(xiàn)基于線路的單個構(gòu)件空間位置計算、構(gòu)件單點擺放、構(gòu)件陣列擺放、構(gòu)件拉伸擺放、基于基準線的構(gòu)件沿地形擺放。

（3）基于最小設(shè)計單元的專業(yè)結(jié)構(gòu)：在BIM模型設(shè)計過程中建立每個構(gòu)件單元之間的邏輯結(jié)構(gòu)關(guān)系，并實例化構(gòu)件單元，形成實例化結(jié)構(gòu)樹，實現(xiàn)同類構(gòu)件集中管理。

（4）BIM模型構(gòu)件非幾何信息添加：實現(xiàn)BIM模型構(gòu)件非幾何屬性信息的自動添加。

（5）BIM模型剖切：實現(xiàn)基于空間線條、實體邊界線、指定線路里程的BIM模型剖切面布設(shè)、提取輪廓線、基于模板描述的自動標注。

二、鐵路工程BIM設(shè)計關(guān)鍵共性技術(shù)研究

1.鐵路線路空間位置計算API庫

線路作為整個項目中BIM設(shè)計的唯一參考基準，是開展設(shè)計工作的前提條件與基礎(chǔ)，也決定了各種構(gòu)筑物（如路基、橋梁、隧道、接觸網(wǎng)等）的具體空間位置。

（1）鐵路線路空間構(gòu)造方法與計算

根據(jù)線路專業(yè)的數(shù)字化成果文件（MDB或TXT文件），對線路進行平、縱、空間三類構(gòu)造。鐵路線路空間構(gòu)造方法為：①根據(jù)線路專業(yè)的數(shù)字化成果文件，對其進行解析，獲取到左線與右線的平面曲線要素數(shù)據(jù)、坡度與豎曲線數(shù)據(jù)、斷鏈數(shù)據(jù)；②進行平面特征點、縱斷面特征點、斷鏈特征點的構(gòu)造；③以離散化的方式構(gòu)建空間線路。圖4為線路空間構(gòu)造數(shù)據(jù)流。

API庫包含常用的線路計算方法：①特征點計算、某個里程的空間坐標計算、切線角度計算；②基于某個里程的左右、上下偏移的空間坐標計算；③線間距計算、右線計算；④實現(xiàn)斷鏈處理的全線任意里程中邊樁坐標正反算；⑤實現(xiàn)連續(xù)里程與斷鏈里程換算。

（2）鐵路線路空間位置計算API庫開發(fā)方式

鐵路線路空間位置計算API庫的主要使用對象為基于常用設(shè)計平臺 AutoCAD、Civil3D、Revit、Microstation、OpenRail等進行二次開發(fā)的軟件。目前，常用平臺的二次開發(fā)方式見表 1。

依據(jù)功能要求、集成要求、擴展使用要求，采用C++/CLI混編和WebService技術(shù)，首先以C++語言進行開發(fā)，實現(xiàn)主要功能函數(shù)；其次以托管C++的方式對其功能進行封裝，滿足.NETAPI接口的程序使用要求；最后以WebService的方式進行線路空間位置計算服務(wù)發(fā)布，提供給B/S架構(gòu)的系統(tǒng)使用。

（3）API庫架構(gòu)設(shè)計

根據(jù)API庫的使用方式和應(yīng)用場景，API庫采用分層架構(gòu)，其體系結(jié)構(gòu)由數(shù)據(jù)層、API接口層和應(yīng)用層組成，如圖5所示。

1）數(shù)據(jù)層：主要負責數(shù)據(jù)庫的訪問，可以訪問Access、SQLite數(shù)據(jù)庫、xls、txt文檔，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)表的Select、Insert、Update等操作。

2）API接口層：基于線路的平面曲線要素數(shù)據(jù)、坡度與豎曲線數(shù)據(jù)、斷鏈數(shù)據(jù)，完成平面構(gòu)造、縱斷面構(gòu)造、空間構(gòu)造，構(gòu)建鐵路線路空間位置計算API庫，實現(xiàn)線路相關(guān)的計算接口。采用C++/CLI混編和WebService技術(shù)，對核心功能進行實現(xiàn)與服務(wù)發(fā)布，滿足二次開發(fā)軟件與B/S 架構(gòu)的系統(tǒng)接口調(diào)用要求。

3）應(yīng)用層：主要供基于AutoCAD、Civil3D、Revit、Microstation、OpenRail平臺的二次開發(fā)軟件的集成與調(diào)用，實現(xiàn)不同的集成調(diào)用方式，包括二次開發(fā)程序集成、服務(wù)器端程序集成。調(diào)用或集成過程中，要考慮API庫的使用方式、輸入數(shù)據(jù)類型、邊界處理等，規(guī)范調(diào)用過程，滿足多設(shè)計平臺調(diào)用接口要求。

2.基于線路中線的BIM模型構(gòu)件布設(shè)與拼裝

基于線路中線進行BIM模型構(gòu)件的精確布設(shè)與拼裝是開展鐵路工程BIM快速建模工作的基礎(chǔ)。根據(jù)模型構(gòu)件的組成元素與創(chuàng)建方式，將線路空間線條的擬合與分段作為基礎(chǔ)，通過將相關(guān)模型構(gòu)件進行沿線布設(shè)與拼接，從而生成完整的BIM模型，并且隨著線路的變更，BIM模型構(gòu)件做相應(yīng)調(diào)整。為此，需要完成7種形式的布設(shè)與拼裝，包括：①基于線路的構(gòu)件空間坐標、切線角度等的計算與單個構(gòu)件的空間布設(shè)；②基于線路的陣列構(gòu)件布設(shè)；③基于線路的拉伸成體構(gòu)件布設(shè)；④基于線路的構(gòu)件沿地形的陣列布設(shè)；⑤基于手繪參照線的單一構(gòu)件布設(shè)；⑥基于手繪參照線的陣列構(gòu)件布設(shè)；⑦基于基準線的構(gòu)件沿地形的陣列布設(shè)。其功能組成如圖6所示，拉伸成體構(gòu)件布設(shè)如圖7所示。

3.基于最小設(shè)計單元的專業(yè)結(jié)構(gòu)樹

為解決BIM設(shè)計中模型的精細化管理問題，提出以多層級樹狀結(jié)構(gòu)進行BIM模型的管理，即最小設(shè)計單元的專業(yè)結(jié)構(gòu)樹。結(jié)構(gòu)樹是根據(jù)專業(yè)習(xí)慣與專業(yè)設(shè)計內(nèi)容，始自專業(yè)終到最小設(shè)計單元的多層級樹狀結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)樹符合專業(yè)習(xí)慣，滿足本專業(yè)構(gòu)件歸類管理需要，方便查找定位構(gòu)件。

（1）專業(yè)結(jié)構(gòu)樹建立方法

依據(jù)鐵路BIM聯(lián)盟發(fā)布的《鐵路工程信息模型分類和編碼標準》《鐵路工程信息模型交付精度標準》《鐵路工程實體結(jié)構(gòu)分解指南》等標準規(guī)范，研究各專業(yè)結(jié)構(gòu)樹組成與構(gòu)件劃分，從最小設(shè)計單元劃分、結(jié)構(gòu)樹建立、節(jié)點屬性定義、坐標集建立、結(jié)構(gòu)樹管理、專業(yè)結(jié)構(gòu)樹實例化6個方面制定結(jié)構(gòu)樹建立技術(shù)原則。在專業(yè)結(jié)構(gòu)樹的基礎(chǔ)上，對節(jié)點對象所具有的屬性在命名、類型、長度、值空間等方面進行標準化。根據(jù)信息模型表達標準，節(jié)點屬性可包括幾何信息和非幾何信息。幾何信息包括幾何表達信息、尺寸信息、定位信息等；非幾何信息包括標識信息、角色與時間信息、工程信息、功能性能信息、材料材質(zhì)、產(chǎn)品信息、養(yǎng)護維修信息、關(guān)聯(lián)文檔信息、空間結(jié)構(gòu)關(guān)系、功能結(jié)構(gòu)關(guān)系等。圖8為路基專業(yè)建立的專業(yè)結(jié)構(gòu)樹。

（2）專業(yè)結(jié)構(gòu)樹的結(jié)構(gòu)化

專業(yè)結(jié)構(gòu)樹的結(jié)構(gòu)化包括3個方面。一是專業(yè)結(jié)構(gòu)樹表達結(jié)構(gòu)化，根據(jù)建立原則，以思維導(dǎo)圖的方式建立基于最小設(shè)計單元的專業(yè)結(jié)構(gòu)樹。結(jié)構(gòu)樹層級展開后由大到小可清晰展現(xiàn)設(shè)計工點與單元內(nèi)的全部構(gòu)件。二是屬性信息的結(jié)構(gòu)化，結(jié)構(gòu)樹的節(jié)點屬性包含幾何屬性和非幾何屬性，對其進行特征定義，包括名稱、ID、類型、枚舉值、缺省值、取值范圍、描述、分組、序號等，并對屬性在命名、類型、長度、值空間等方面進行標準化。三是實例化結(jié)構(gòu)樹，在BIM模型設(shè)計過程中建立每個構(gòu)件單元之間的邏輯結(jié)構(gòu)關(guān)系，并實例化構(gòu)件單元，通過層級結(jié)構(gòu)編碼逆向解析生成結(jié)構(gòu)樹，與BIM模型構(gòu)件進行關(guān)聯(lián)，最終將這個工程實例化結(jié)構(gòu)樹以通用的數(shù)據(jù)交換格式XML 輸出(圖9)。經(jīng)過實例化的結(jié)構(gòu)樹描述了整個BIM模型構(gòu)件邏輯層級關(guān)系、構(gòu)件數(shù)量，可以實現(xiàn)構(gòu)件的快速定位，實現(xiàn)同類構(gòu)件集中管理。

4.BIM模型構(gòu)件非幾何信息添加

（1）Bentley屬性擴展技術(shù)

Bentley屬性擴展從屬性的大類別來區(qū)分包括兩種方式，一種是在元素內(nèi)部，另一種是在元素之上，具體有 XData、DataBlock、XAttribute、ItemType，其中XData、DataBlock屬于前者，XAttribute、ItemType屬于后者。XData主要是為了兼容DWG格式而存在，DWG中保存屬性用的就是XData。DataBlock是DGN格式所采用的表達元素內(nèi)部的擴展屬性方式。XAttribute的優(yōu)點在于大小沒有限制，且修改屬性時不需要重寫整個元素。XAttribute在文件中是單獨的一個數(shù)據(jù)流，當修改XAttribute屬性時只需根據(jù)圖形元素的ElementID找到其對應(yīng)的XAttribute，將XAttribute修改后寫入文件即可。ItemType是基于EC（Engineering Content）的XAttribute，是Bentley CE版軟件提供的一種新的附加屬性的方式，它能直接在元素屬性對話框中展示出來。針對專業(yè)屬性擴展要求與需求，采用ItemType方式來進行構(gòu)件非幾何信息的添加。

（2）模型附加屬性信息

BIM作為信息化模型，是整個工程項目的信息資料庫，非幾何屬性信息是其重要組成部分，它在工程全生命周期各階段的傳遞與留存，對BIM持續(xù)發(fā)展有著至關(guān)重要的影響。基于專業(yè)結(jié)構(gòu)樹，采用ItemType屬性添加方式，實現(xiàn)模型屬性信息的添加，通過檢索或篩選，將BIM模型構(gòu)件與專業(yè)結(jié)構(gòu)樹的節(jié)點進行關(guān)聯(lián)，然后給專業(yè)結(jié)構(gòu)樹的節(jié)點賦值，實現(xiàn)單一BIM模型構(gòu)件和多個BIM模型構(gòu)件屬性自動添加（圖10），并可通過IFD批量進行屬性信息的更新，如圖11所示。

5.BIM模型剖切

BIM模型的一個應(yīng)用點就是基于模型進行剖切出圖，如何掌握從信息模型輸出施工圖紙的方法、建立從信息模型輸出施工圖紙的流程是亟待解決的問題。該工作是將信息模型從“看”到“用”的轉(zhuǎn)變及推進，是真正意義上的正向設(shè)計流程的反映。針對路基、橋梁、隧道、地質(zhì)、站場等專業(yè)需求，基于Bentley的動態(tài)試圖（Dynamic View）技術(shù)進行BIM模型的剖切，以“三維信息模型→繪圖模型（Drawing）→圖紙模型（Sheet）”的技術(shù)流程，采用“模型組織→切圖定義及輸出→圖紙標注及調(diào)整→組圖輸出”的步驟[20]，將三維模型輸出為二維圖紙。通過基于空間線條、實體邊界線、指定線路里程的BIM模型剖切面的布設(shè)（圖12(a)），按照出圖步驟，輸出二維圖紙（圖12(b)），并且能夠達到三維信息模型修改而施工圖紙聯(lián)動修改的效果。

三、系統(tǒng)主要特點

以Visual Studio作為開發(fā)工具，采用C++/CLI語言，研發(fā)了鐵路線路空間位置計算API庫，在Bentley平臺上，利用其Addin二次開發(fā)方式，用C#語言進行BIM設(shè)計輔助工具的研發(fā)。

該API庫與輔助工具具有以下優(yōu)勢與特點：

（1）以C++/CLI混編構(gòu)建了鐵路線路空間位置計算API庫：基于線路專業(yè)提供的MDB或TXT數(shù)據(jù)文件，構(gòu)建了鐵路線路空間位置計算API庫，通過關(guān)鍵函數(shù)的實現(xiàn)，在三維環(huán)境下以函數(shù)式調(diào)用方式構(gòu)建應(yīng)用程序，提高了各專業(yè)基于線路的BIM模型定位精度。

（2）通過API接口技術(shù)實現(xiàn)多設(shè)計平臺統(tǒng)一的線路功能集成與調(diào)用：利用統(tǒng)一的API接口，各專業(yè)的設(shè)計軟件通過調(diào)用或集成線路三維空間位置計算功能，構(gòu)成閉環(huán)，為線性工程的BIM設(shè)計提供了統(tǒng)一的業(yè)務(wù)支撐與基礎(chǔ)；以函數(shù)式調(diào)用方式，為AutoCAD、Civil3D、Revit、Microstation、OpenRail多應(yīng)用平臺提供了統(tǒng)一的二次開發(fā)應(yīng)用支撐，方便用戶集成與開發(fā)應(yīng)用。

（3）以最小設(shè)計單元的專業(yè)結(jié)構(gòu)樹實現(xiàn)BIM模型實例化構(gòu)件的精細化管理：通過對專業(yè)所有設(shè)計內(nèi)容建立的滿足始自專業(yè)、終到最小構(gòu)件單元的多層級樹狀結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)化，實現(xiàn)BIM模型實例化構(gòu)件的精細化管理與信息的有效傳遞。

四、系統(tǒng)應(yīng)用

系統(tǒng)完成后，進行了推廣應(yīng)用。線路空間位置計算API庫已在接觸網(wǎng)區(qū)間BIM正向設(shè)計系統(tǒng)、三維實景征拆系統(tǒng)、基于Bentley平臺的聲屏障BIM設(shè)計軟件中進行了集成與調(diào)用。研發(fā)的基于線路中線的BIM模型構(gòu)件布設(shè)與拼裝、基于最小設(shè)計單元的專業(yè)結(jié)構(gòu)樹、BIM模型構(gòu)件非幾何信息添加、BIM模型剖切輔助工具已在多條鐵路項目的BIM設(shè)計中進行應(yīng)用，取得了顯著的效益。線路空間位置計算API庫計算準確、框架穩(wěn)定、功能實用性強、可理解性高，可極大地提高與鐵路線路空間位置計算相關(guān)功能的研發(fā)效率。通過該庫的使用，提升了BIM設(shè)計協(xié)同效率和數(shù)據(jù)化程度，有效提高了軟件質(zhì)量與效率。

五、總結(jié)

該系統(tǒng)通過對API庫進行調(diào)用與集成，實現(xiàn)各專業(yè)基于線路的空間位置計算功能需求。在Bentley平臺上，對模型布設(shè)與拼裝、屬性添加、構(gòu)件管理、模型剖切等提供了一種可行的技術(shù)方案。通過在項目中的應(yīng)用，可提升BIM設(shè)計協(xié)同效率和數(shù)據(jù)化程度，顯著提高與鐵路線路相關(guān)功能的研發(fā)效率，具有一定的實用價值和參考價值。然而，目前BIM模型剖切方式尚不能滿足出圖要求，需要大量的手工修改工作，對于從BIM模型出圖，還需進一步從二三維設(shè)計數(shù)據(jù)同源、參數(shù)化橫斷面等方面進行針對性開發(fā)。