CRTSⅢ型板式无砟轨道BIM模型研究

2021-09-26张晓东翟浩君

铁道标准设计 2021年9期

张晓东,翟浩君

(1.石家庄铁道大学土木工程学院,石家庄 050043； 2.石家庄铁道大学交通运输学院,石家庄 050043)

BIM(Building Information Modeling，建筑信息模型)作为建筑与土木工程领域的新工具，已在全球范围内得到业界的广泛认可。目前，BIM在建筑工程领域的应用已趋于成熟[1-3]，在交通桥梁、隧道工程中也取得了一定的研究成果[4-9]。但BIM在铁路轨道工程领域的应用尚处于起步阶段。高速铁路无砟轨道是高速列车运行的直接基础，利用BIM技术实现无砟轨道信息的集成，从设计、施工到运维的全寿命周期内，为参与各方提供一个信息共享和协同工作的平台，必将创造巨大的应用价值[10-12]。由于无砟轨道结构的复杂性和精密性，创建与铁路线形和线下结构(路基、桥梁、隧道)准确适配的无砟轨道模型成为BIM技术应用的基础和关键。近年来，国内学者对无砟轨道BIM建模展开了研究。吴明辉[13]利用Revit软件创建了弹性支承块式无砟轨道族库，并采用自适应公制常规族模型样板，轨道模型沿线路中心线上的一系列自适应点构件，实现了与线形的匹配，但弯曲的轨道板结构与实际不符合；王洋[14]利用Revit二次开发，使无砟轨道各个组成构件模型按轨道部件间的相对位置依次加载，无缝贴合组装形成完整的轨道模型，但并未考虑模型与实际铁路线形匹配问题。相关研究根本上是基于建筑模型的思路和方法，不能满足无砟轨道BIM模型的特殊性要求，未能解决无砟轨道BIM建模的难点。无砟轨道建模的特殊性和难点在于：无砟轨道部件多、构造精密复杂，相较于一般建筑结构，对BIM模型的精度要求更高；铁路线形复杂，需考虑轨道的几何形态与不同线形的匹配，如曲线处的超高及其过渡，以及其与纵断面的组合；需考虑无砟轨道与不同线下结构的匹配；另外，铁路线路往往长达数百甚至上千千米，建模工作量巨大，采用传统建模方案需要存储的信息量极大，模型加载耗时长，对计算机的性能要求高。以我国拥有自主知识产权CRTS Ⅲ型板式无砟轨道为研究对象，提出轨道结构单元的概念，对其参数进行分析归纳，研究了轨道结构单元族的创建方法、实例化参数的获取方法，并利用Revit二次开发技术实现了无砟轨道快速建模。该方法仅存储线路设计信息，能够根据用户所需实时分段生成适配实际铁路线形与线下结构的无砟轨道精密模型。

1 轨道结构单元及其参数分析

1.1 轨道结构分析及轨道结构单元概念的提出

CRTSⅢ型板式无砟轨道[15]是我国拥有自主知识产权的一种轨道结构类型，由钢轨、扣件、轨道板、自密实混凝土层(含凸台)、隔离层(含凹槽四周的弹性垫层)、混凝土底座(设限位凹槽)等部件组成，如图1所示。轨道沿线路纵向分块构筑，即根据线下结构的不同，无砟道床每隔3～6 m断开，设置间隔缝。无砟道床与线形、线下结构以1个分块长度为单位进行适配。为建模方便，将无砟道床的1个分块及其上的钢轨、扣件作为1个单位，定义为1个轨道结构单元。因此无砟轨道可以看作是由轨道结构单元组成的，如图2所示。随铁路线形的变化，轨道结构单元的位置、坡度、方向及组成部件的形状、尺寸及相对位置都需进行调整。轨道结构单元也需与其线下结构桥梁、隧道相适配。

图1 CRTS Ⅲ型板式无砟轨道结构组成

图2 基于轨道结构单元概念无砟轨道结构分析

1.2 轨道结构单元参数分析

根据构建族库和实例化的需要，轨道结构单元主要参数分为基本参数和适配参数两类。

基本参数是指构建轨道结构单元族时所用到的轨道各部件尺寸、材料属性等参数。由于扣件、钢轨等部件类型多、构造复杂，因此，预先构建相应族库，在轨道结构单元参数中以其类型作为参数。

模型实例化时，为满足线路线形变化引起的轨道结构特征的变化以及轨道结构与线下结构的匹配，轨道结构单元的长度、位置、坡度、方向及组成部件的形状、尺寸及相对位置等参数需进行调整，相关参数称为适配参数。因轨道结构单元中轨道板、自密实混凝土和底座的长度相同，因此，统一为轨道结构单元长度。轨道结构单元参数汇总见表1。

表1 轨道结构单元参数信息

2 轨道结构单元族的创建方法

轨道结构单元族是组成无砟轨道模型的基本构件。根据轨道结构及其参数的分析，轨道结构单元族的层次结构如图3所示。

图3 轨道结构单元族层次结构

由于轨道结构单元族结构复杂，需考虑各部件间的位置关系并满足实例化时不同线形下轨道部件的形状与部件间相对位置的调整，满足参数间的约束关系，采用公制常规模型族样板文件与基于面的公制常规族样板文件创建轨道结构单元族。具体步骤如下。

(1)根据对轨道结构单元族层次结构的分析，按轨道部件的相对位置，分别在公制常规模型族样板文件中创建轨道结构单元各个组成构件的参数化族模型，如图4所示。

图4 轨道结构单元组成构件族

(2)分别将各轨道构件族载入到基于面的公制常规族模型样板中，并将族模型附着在族模型样板中自带的附着面上，形成基于面的轨道部件族。创建的基于面的自密实混凝土族如图5所示。

图5 基于面的自密实混凝土族

(3)将基于面的轨道部件族载入到轨道结构单元主体族中，选择轨道结构单元主体族的基准点即族在项目中的插入点，根据轨道结构各部件间的位置关系创建相应的参照线与参照平面等辅助线，按底座—自密实混凝土—轨道板—扣件—钢轨的顺序，前一个轨道部件族上表面作为附着面，将后一个轨道部件族附着在上面，并通过复制、移动、对齐、阵列等操作，使各个轨道部件族嵌套组装为轨道结构单元族，根据对轨道结构单元参数的分析，添加相应族参数，并与组成构件族的参数关联，通过改变族类型参数，设置多种轨道结构单元类型族。创建的轨道结构单元族如图6所示。

图6 轨道结构单元族

3 轨道结构单元族实例化参数信息的获取方法

参数化创建无砟轨道模型的实质是轨道结构单元族的实例化。每个轨道结构单元模型需要准确定位并与铁路线形及线下结构精确适配。因此，基于铁路线路设计信息(平面设计线数据、纵断面设计线数据、线下结构信息)，获取每个轨道结构单元的实例化参数信息是无砟轨道精确建模的基础。

每个轨道结构单元的类型、铺设里程和板缝值利用布板设计方法[16-19]，考虑无砟轨道结构单元与线下结构(路基、桥梁、隧道)的匹配确定。轨道结构单元定位点的三维坐标、方向、仰角以及承轨台的调偏、调高值，根据线路平面、纵断面信息确定。

3.1 轨道结构单元参数分析

由线路平面设计信息(各交点坐标，各曲线的半径Ri、缓和曲线长Li)可以计算出每条曲线的切线方向(Ai-1，i、Ai，i+1)、主点里程(MZHi、MHYi、MYHi、MHZi)、主点坐标(XZHi、YZHi、XHYi、YHYi、XYHi、YYHi、XHZi、YHZi)等[20-21]。根据轨道结构单元里程可确定其所在直线、曲线及曲线上的位置(第一缓和曲线、圆曲线、第二缓和曲线)，不同位置的轨道结构单元定位坐标X、Y、Z的计算方法如下。

(1)第i个曲线后直线上轨道结构单元平面定位坐标计算

X=XHZI-1+lcos(Ai-1，i)

(1)

Y=YHZI-1+lsin(Ai-1，i)

(2)

式中，l为轨道结构单元距前一主点的距离，l=(Mt-MHZi)。

(2)第i个曲线第一缓和曲线上轨道结构单元平面定位坐标计算

X=XZHI+xcos(Ai-1，i)-Kysin(Ai-1，i)

(3)

Y=YZHI+xsin(Ai-1，i)+Kycos(Ai-1，i)

(4)

其中

(5)

(6)

式中，K为曲线转向标识符，左转曲线取1，右转曲线取-1；l为轨道结构单元距前一主点的距离，l=Mt-MZHi。

(3)第i个曲线圆曲线上轨道结构单元平面定位坐标计算

X=XZHI+xcos(Ai-1，i)-Kysin(Ai-1，i)

(7)

Y=YZHI+xsin(Ai-1，i)+Kycos(Ai-1，i)

(8)

其中

(9)

(10)

式中，l为轨道结构单元距前一主点的距离，l=Mt-MHYi；β0、q、p为缓和曲线常数，分别为缓和曲线切线角、切垂距、圆曲线内移距。

(4)第i个曲线第二缓和曲线上轨道结构单元平面定位坐标计算

X=XHZI+xcos(Ai，i+1)+Kysin(Ai，i+1)

(11)

Y=YHZI+xsin(Ai，i+1)-Kycos(Ai，i+1)

(12)

其中

x=l

(13)

(14)

式中，l为轨道结构单元距前一主点的距离，l=Mt-MYHi。

(5)轨道结构单元竖向坐标的计算

里程为Mt、位于第i个坡段上的轨道结构单元高程Z为

(15)

式中，Z0为线路起点高程；li、ii分别为第i个坡段的坡长和坡度。

3.2 轨道结构单元的方向、仰角及承轨台的调偏、调高值计算

3.2.1 轨道结构单元的方向和仰角计算

(1)第i个轨道结构单元的方向

(16)

(2)第i个轨道结构单元的仰角

(17)

3.2.2 承轨台的调偏、调高值计算

(1)承轨台的横向调偏值

缓和曲线与圆曲线地段的承轨台需要横向调偏。板中承轨台的偏移值为

(18)

式中，LS为板长加板缝的长度；R为所在曲线的半径。

板中往两侧第n个承轨台的调偏值为

(19)

式中，d为承轨台间距。

当轨道结构单元位于缓和曲线上时，将上述计算式中半径R替换为曲率半径ρ

(20)

式中，L为缓和曲线长；l为板中距离ZH点或HZ点的距离。

对于右偏曲线将位于沿线路行进方向轨道板左侧的承轨台依次调高，左偏曲线将右侧承轨台依次调高。

(2)从ZH点或HZ点起(含)第n个承轨台的竖向调高值为

(21)

式中，h为圆曲线地段的外轨超高值。

对于右偏曲线将位于沿线路行进方向轨道板左侧的承轨台依次调高，左偏曲线将右侧承轨台依次调高。

4 CRTSⅢ型板式无砟轨道快速建模的实现

铁路线路往往长达数百甚至上千千米，建模工作量巨大，模型存储量大，加载耗时长，对计算机性能要求高。利用Autodesk公司Revit软件提供的强大的二次开发功能[22-25]，开发CRTS Ⅲ型板式无砟轨道快速建模系统，代替了大量简单重复性建模工作。同时，模型并不需要提前创建并存储，仅需存储模型参数，可按需(里程段)实时快速生成相应的无砟轨道BIM模型，相比传统建模方法减少了模型存储量与模型加载耗时，降低了对计算机硬件的要求，显著提高了工作效率。

4.1 系统结构

CRTS Ⅲ型板式无砟轨道快速建模系统主要由两大模块组成，分别为模型数据库管理模块和模型生成模块。模型数据库管理模块的功能是利用项目的基础设计数据，计算整个项目中各轨道结构单元的实例化参数信息，生成项目的模型数据，存储并管理，作为建模的基础数据。模型数据库管理模块的运行不依赖Revit平台，虽存储整个项目的数据，但仅存储参数数据，存储量小。模型生成模块在Revit平台下运行，其功能是按照用户需求，利用模型数据库，快速生成用户指定区间的BIM模型并呈现给用户。模型生成模块建立的模型一般是局部模型，建模速度快、操作响应快、可按需实时生成，也可作为存储备用，存储量小、加载快。