【BIM学院】第一百五十八期 BIM设计助力铁路路基排水

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。

铁路路基排水二维设计一般采用断面法。

断面法：在路基横断面两侧设置水沟，结合平面地形确定排水流向，逐个断面检查并调整水沟高程及横向位置，完成水沟的横断面和平面设计。

断面法不能体现断面间排水，而BIM依托三维地形曲面和影像数据，排水设计的系统性和直观性显著增强，工程数量计算更加精确。

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。

在此主要探讨在VS2008平台上采用ObjectARX，实现排水沟沟底空间曲线的平纵协同设计方法。

1 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

2 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。

3 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

4 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。

5 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。

1 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。

2 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

在实现路基排水BIM设计的主体部分后，还应对排水末端的消能设施，排水沟的交汇，排水沟与涵洞、路堑侧沟的衔接等建模问题，开展进一步研究。

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。

来源：铁路BIM联盟

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