CN105279792A - 基于地形曲面的铁路路基排水bim设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铁路路基排水BIM设计的方法，包括以下步骤：根据三维地形点云数据构建数字地面模型，导入路堤坡脚设计线和路堑堑顶设计线，构建铁路路基排水工程自定义字典，构建铁路路基排水平面、纵断面视口，交互式创建排水沟平面自定义实体，自动化创建排水沟纵断面自定义实体，排水沟平纵联动协同交互式设计，将排水沟平纵设计成果形成三维点坐标文件，在达索系统中创建排水沟三维骨架线，达索系统下开发等截面和变截面排水沟模板，利用模板实例化生成具有附加信息的排水沟三维模型，裁剪排水沟上覆地形曲面实现排水沟模型与地形曲面的融合。该方法设计过程自动化程度高，实用性强，能大幅提高设计效率和成果质量，具有明显的推广应用价值。

Description

基于地形曲面的铁路路基排水BIM设计方法

技术领域

本发明涉及铁路路基排水设计方法，特别涉及基于地形曲面的铁路路基排水BIM设计方法。

背景技术

基于BIM技术开展铁路路基排水设计是深化和优化设计的需要，但传统的路基排水设计主要依托于路基横断面，先在横断面上设计水沟，再按沟底顺坡要求进行调整，对断面间排水关注不够甚至根本没有体现。而在铁路BIM设计中，路基设计已由传统的横断面法改为基于地形曲面和断面扫掠的路基深化设计方法，设计成果由原来离散的横断面变为连贯的曲面、实体，在此基础上开展的排水BIM设计，是在地形曲面上，以精确的路堤坡脚线和路堑堑顶线为上序资料，开展的平、纵及三维协同的排水设计，因此，无论从上序资料还是设计手段都发生了很大变化，路基排水BIM设计方法急需研究。

发明内容

针对铁路路基排水设计目前所存在的问题，本发明提出一种全新的基于地形曲面的铁路路基排水BIM设计方法，通过根据三维地形点云数据构建数字地面模型、导入路堤坡脚设计线和路堑堑顶设计线、构建铁路路基排水工程自定义字典、构建铁路路基排水平面纵断面视口、交互式创建排水沟平面自定义实体、自动化创建排水沟纵断面自定义实体、排水沟平纵联动协同交互式设计、将排水沟平纵设计成果形成三维点坐标文件、在达索系统中创建排水沟三维骨架线、达索系统下开发等截面和变截面排水沟模板、利用模板实例化生成具有附加信息的排水沟三维模型、裁剪排水沟上覆地形曲面实现排水沟模型与地形曲面的融合，实现了多视口进行排水沟平面交互式创建、纵断面自动化创建、排水沟平纵设计的联动调整、沟底顺坡及填挖高自动检查和标识、排水沟三维建模，适用于各等级铁路的路基排水BIM设计。

本发明所涉及的基于地形曲面的铁路路基排水BIM设计方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

S1、根据三维地形点云数据构建数字地面模型

根据测绘专业提供的经过实测的桩号标高数据，检核并优化三维点云数据。如果此数据是规则的方格网数据，则构建方格网数字地面模型，否则构建三角网数字地面模型。

S2、导入路堤坡脚设计线和路堑堑顶设计线

将路基专业经过路堤路堑设计的路基边坡与地形曲面的交线，作为参考元素，添加到dwg格式的地形图。

S3、构建铁路路基排水工程自定义字典

所构建的排水工程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。

S4、构建铁路路基排水平面、纵断面视口

在CAD中创建两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。平面视口中显示的水沟平面实体与纵断面视口中显示的水沟纵断面实体按照里程对应同步显示，当在平面视口中平移显示当前平面水沟模型时，纵断面视口立即显示该水沟纵断面模型在对应平面里程处的图形；当在纵断面视口中平移显示当前纵断面水沟模型时，平面视口也立即显示该水沟平面模型在对应纵断面里程处的图形。

S5、交互式创建排水沟平面自定义实体

基于CAD的拖动技术，在平面视口中逐个添加水沟平面交点，创建成由直线段和圆弧组成的平面水沟自定义实体；排水沟平面是水沟沟底中心线，根据路堤坡脚线和路堑堑顶线向路基外侧偏指定距离确定。路堤地段一般侧偏量为2m+水沟顶宽/2，路堑地段一般侧偏量为5m+水沟顶宽/2，拖动过程中可随时改变曲线半径，交点添加完成后，根据水沟平面顺直的要求，再进行一次优化。

S6、自动化创建排水沟纵断面自定义实体

根据水沟平面和数字地面模型首先计算出水沟竖直投影到地形曲面的地面线高程数据，再根据地面线采用直线模拟的方法自动生成纵断面坡度线，最后根据水沟平面中线、地面线、坡度线、纵断面设计横向和竖向比例自动生成纵断面自定义实体。所述根据地面线采用直线模拟的方法自动生成纵断面坡度线，是对地面线从起点开始，先逐个添加地面点，基于最小二乘法作直线模拟，并计算平均填挖方量和最大填挖方量两项指标，直到这两个指标超出预设的控制值，再计算模拟的直线坡段与上一个坡段的交点；如果交点存在且位于上一个坡段与当前坡段之间，则将交点作为新的变坡点，否则将上一个坡段和当前坡段作为一个坡段重新进行直线模拟，作为当前坡段，再添加地面点进行直线模拟，如此循环直到地面线终点；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地面填挖量，便于直观地检查水沟沟底高程是否满足顺坡要求以及满足顺坡要求时尽可能适应地形起伏而减少挖方量。

S7、排水沟平纵联动协同交互式设计

首先分析自动生成的水沟纵断面实体的坡度和填挖量，结合设置排水涵洞的位置，定出每段排水沟的排水流向，然后根据水沟沟底的顺坡要求，调整不满足顺坡要求的坡段，在保证最小沟深的前提下，如果坡段调整后沟深变的过大，则在平面视口中，结合地形等高线调整水沟平面交点，然后根据用户控制，重新进行纵断面自动坡度模拟，或保留平面调整前的纵断面坡度，继续优化修改纵断面，平纵联动，不断调整水沟平纵断面，直到满足水沟纵断面坡度设计和挖深要求。

S8、将排水沟平纵设计成果形成三维点坐标文件

对排水沟按平面里程间隔指定的步长(1m)计算三维坐标点，然后全部减去排水沟沟深，生成排水沟沟底中心的三维点坐标文件。

S9、在达索系统中创建排水沟三维骨架线

在达索系统中首先创建设计表，再导入水沟沟底中心的三维点坐标文件，然后利用知识阵列，将设计表中的三维点逐个添加到达索几何集中，最后根据这些点生产达索样条曲线，作为排水沟沟底三维骨架线。

S10、达索系统下开发等截面和变截面排水沟模板

模板是达索系统中具有重用性的参数化模型，等截面排水沟模板用于水沟截面从始至终不发生变化的一段水沟的建模，变截面排水沟模板用于连接两段不同截面的中间过渡段水沟的建模，这两种排水沟模板都具有输入性的设计参数，包括沟底宽、沟深、沟底厚、沟壁厚、水沟边坡坡率、水沟编码；输出性的设计参数包括水沟本体体积、水沟挖方体积、水沟曲线长度。根据输入的水沟设计参数，实现排水沟截面的参数化创建，对等截面排水沟将排水沟截面沿沟底空间曲线等截面扫掠形成初步的水沟本体，对变截面排水沟将起终点处的排水沟截面按照变截面扫掠形成初步的水沟本体，再用地形曲面裁剪水沟本体；创建的排水沟模板，以沟底三维骨架线、三维地形曲面为输入条件，以截面设计参数为输入参数。

S11、利用模板实例化生成具有附加信息的排水沟三维模型

在达索系统中先选择排水沟模板，再指定排水沟骨架线、地形曲面，输入截面参数，生成排水沟三维模型，并附带水沟编码、水沟本体体积、挖方体积、排水沟空间长度。

S12、裁剪排水沟上覆地形曲面实现排水沟模型与地形曲面的融合

先提取排水沟与三维地形曲面的交线，再裁剪交线范围内的地形曲面，保证排水沟与裁剪后的地形曲面完整拼接。

该发明的有益效果是：

基于数字化的地形曲面和路基坡脚堑顶设计成果，在不同的视口进行排水沟平面交互式创建、纵断面自动化创建，基于实体反应器技术，保证排水沟平面调整时纵断面地面线自动刷新、纵断面坡度的自动化设计，实现了排水沟平纵设计的联动调整，并对沟底顺坡及填挖高进行自动检查和标识，将平纵设计成果通过文件导入达索系统创建排水骨架，开发模板实例化生成排水沟三维模型，实现了铁路路基排水BIM设计的整体解决方案，深化和细化了铁路路基排水设计，提升了铁路路基排水的设计手段，自动化程度高，实用性强，能大幅提高设计效率和成果质量，具有明显的推广应用价值。

附图说明

图1为基于地形曲面的铁路路基排水BIM设计方法的流程图。

图中标记说明：

S1、根据三维地形点云数据构建数字地面模型

S2、导入路堤坡脚设计线和路堑堑顶设计线

S3、构建铁路路基排水工程自定义字典

S4、构建铁路路基排水平面、纵断面视口

S5、交互式创建排水沟平面自定义实体

S6、自动化创建排水沟纵断面自定义实体

S7、排水沟平纵联动协同交互式设计

S8、将排水沟平纵设计成果形成三维点坐标文件

S9、在达索系统中创建排水沟三维骨架线

S10、达索系统下开发等截面和变截面排水沟模板

S11、利用模板实例化生成具有附加信息的排水沟三维模型

S12、裁剪排水沟上覆地形曲面实现排水沟模型与地形曲面的融合

具体实施方式

参照附图说明本发明的具体技术方案。由图1的流程图所示，本发明涉及的基于地形曲面的铁路路基排水BIM设计方法的步骤包括：根据三维地形点云数据构建数字地面模型、导入路堤坡脚设计线和路堑堑顶设计线、构建铁路路基排水工程自定义字典、构建铁路路基排水平面纵断面视口、交互式创建排水沟平面自定义实体、自动化创建排水沟纵断面自定义实体、排水沟平纵联动协同交互式设计、将排水沟平纵设计成果形成三维点坐标文件、在达索系统中创建排水沟三维骨架线、达索系统下开发等截面和变截面排水沟模板、利用模板实例化生成具有附加信息的排水沟三维模型、裁剪排水沟上覆地形曲面实现排水沟模型与地形曲面的融合。

S1、根据三维地形点云数据构建数字地面模型

根据测绘专业提供的经过实测的桩号标高数据，检核并优化三维点云数据。如果此数据是规则的方格网数据，则构建方格网数字地面模型，否则构建三角网数字地面模型。

S2、导入路堤坡脚设计线和路堑堑顶设计线

将路基专业经过路堤路堑设计的路基边坡与地形曲面的交线，作为参考元素，添加到dwg格式的地形图。

S3、构建铁路路基排水工程自定义字典

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，通过派生构建自定义的字典，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；当需要查询自定义实体的信息时，首先打开字典，再遍历对应的自定义实体类型的对象编码数组，然后逐个打开自定义实体对象，通过对象名称比对得到相应的自定义实体数据。

S4、构建铁路路基排水平面、纵断面视口

视口能独立显示特定设计内容的矩形窗口区域，一个视口内进行图形平移、缩放操作，不会影响到其它视口的显示；在CAD中创建两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。平面视口中显示的水沟平面实体与纵断面视口中显示的水沟纵断面实体按照里程对应同步显示，当在平面视口中平移显示当前平面水沟模型时，纵断面视口立即显示该水沟纵断面模型在对应平面里程处的图形；当在纵断面视口中平移显示当前纵断面水沟模型时，平面视口也立即显示该水沟平面模型在对应纵断面里程处的图形。

S5、交互式创建排水沟平面自定义实体

基于CAD的拖动技术，在平面视口中逐个添加水沟平面交点，创建成由直线段和圆弧组成的平面水沟自定义实体；排水沟平面是水沟沟底中心线，根据路堤坡脚线和路堑堑顶线向路基外侧偏指定距离确定。路堤地段一般侧偏量为2m+水沟顶宽/2，路堑地段一般侧偏量为5m+水沟顶宽/2，拖动过程中可随时改变曲线半径，交点添加完成后，根据水沟平面顺直的要求，再进行一次优化。水沟平面自定义实体在绘制时，按照不同的颜色绘制直线段和圆弧，并在交点处绘制圆圈，绘制水沟起终点里程并每间隔百米绘制百米标；添加直线及圆弧的端点、交点作为捕捉点，添加交点、直线中点作为水沟平面编辑的夹点；添加属性编辑框，包含水沟纵断面的横向和竖向比例。

S6、自动化创建排水沟纵断面自定义实体

根据水沟平面和数字地面模型首先计算出水沟竖直投影到地形曲面的地面线高程数据，再根据地面线采用直线模拟的方法自动生成纵断面坡度线，最后根据水沟平面中线、地面线、坡度线、纵断面设计横向和竖向比例自动生成纵断面自定义实体。所述根据地面线采用直线模拟的方法自动生成纵断面坡度线，是对地面线从起点开始，先逐个添加地面点，基于最小二乘法作直线模拟，并计算平均填挖方量和最大填挖方量两项指标，直到这两个指标超出预设的控制值，再计算模拟的直线坡段与上一个坡段的交点；如果交点存在且位于上一个坡段与当前坡段之间，则将交点作为新的变坡点，否则将上一个坡段和当前坡段作为一个坡段重新进行直线模拟，作为当前坡段，再添加地面点进行直线模拟，如此循环直到地面线终点；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地面填挖量，便于直观地检查水沟沟底高程是否满足顺坡要求以及满足顺坡要求时尽可能适应地形起伏而减少挖方量。

S7、排水沟平纵联动协同交互式设计

首先分析自动生成的水沟纵断面实体的坡度和填挖量，结合设置排水涵洞的位置，定出每段排水沟的排水流向，然后根据水沟沟底的顺坡要求，调整不满足顺坡要求的坡段，在保证最小沟深的前提下，如果坡段调整后沟深变的过大(一般大于1.5m)，则在平面视口中，结合地形等高线调整水沟平面交点，然后根据用户控制，重新进行纵断面自动坡度模拟，或保留平面调整前的纵断面坡度，继续优化修改纵断面，平纵联动，不断调整水沟平纵断面，直到满足水沟纵断面坡度设计和挖深要求。

S8、将排水沟平纵设计成果形成三维点坐标文件

对排水沟按平面里程间隔指定的步长(1m)计算三维坐标点，然后全部减去排水沟沟深，生成排水沟沟底中心的三维点坐标文件。

S9、在达索系统中创建排水沟三维骨架线

在达索系统中首先创建设计表，再导入水沟沟底中心的三维点坐标文件，然后利用知识阵列，将设计表中的三维点逐个添加到达索几何集中，最后根据这些点生产达索样条曲线，作为排水沟沟底三维骨架线。

S10、达索系统下开发等截面和变截面排水沟模板

模板是达索系统中具有重用性的参数化模型，等截面排水沟模板用于水沟截面从始至终不发生变化的一段水沟的建模，变截面排水沟模板用于连接两段不同截面的中间过渡段水沟的建模，这两种排水沟模板都具有输入性的设计参数，包括沟底宽、沟深、沟底厚、沟壁厚、水沟边坡坡率、水沟编码；输出性的设计参数，包括水沟本体体积、水沟挖方体积、水沟曲线长度。根据输入的水沟设计参数，实现排水沟截面的参数化创建，对等截面排水沟将排水沟截面沿沟底空间曲线等截面扫掠形成初步的水沟本体，对变截面排水沟将起终点处的排水沟截面按照变截面扫掠形成初步的水沟本体，再用地形曲面裁剪水沟本体；创建的排水沟模板，以沟底三维骨架线、三维地形曲面为输入条件，以截面设计参数为输入参数。

S11、利用模板实例化生成具有附加信息的排水沟三维模型

在达索系统中先选择排水沟模板，再指定排水沟骨架线、地形曲面，输入截面参数，生成排水沟三维模型，并附带水沟编码、水沟本体体积、挖方体积、排水沟空间长度。

S12、裁剪排水沟上覆地形曲面实现排水沟模型与地形曲面的融合

先提取排水沟与三维地形曲面的交线，再裁剪交线范围内的地形曲面，保证排水沟与裁剪后的地形曲面完整拼接。

Claims (3)

1.一种基于地形曲面的铁路路基排水BIM设计方法，其特征在于，包括以下步骤：根据三维地形点云数据构建数字地面模型(S1)，导入路堤坡脚设计线和路堑堑顶设计线(S2)，构建铁路路基排水工程自定义字典(S3)，构建铁路路基排水平面、纵断面视口(S4)，交互式创建排水沟平面自定义实体(S5)，自动化创建排水沟纵断面自定义实体(S6)，排水沟平纵联动协同交互式设计(S7)，将排水沟平纵设计成果形成三维点坐标文件(S8)，在达索系统中创建排水沟三维骨架线(S9)，达索系统下开发等截面和变截面排水沟模板(S10)，利用模板实例化生成具有附加信息的排水沟三维模型(S11)，裁剪排水沟上覆地形曲面实现排水沟模型与地形曲面的融合(S12)；

所述根据三维地形点云数据构建数字地面模型(S1)，是根据测绘专业提供的经过实测的桩号标高数据，检核并优化三维点云数据，如果此数据是规则的方格网数据，则构建方格网数字地面模型，否则构建三角网数字地面模型；

所述导入路堤坡脚设计线和路堑堑顶设计线(S2)，是将路基专业经过路堤路堑设计的路基边坡与地形曲面的交线，作为参考元素，添加到dwg格式的地形图；

所述构建铁路路基排水工程自定义字典(S3)，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；

所述构建铁路路基排水平面、纵断面视口(S4)，是在CAD中创建两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；

所述交互式创建排水沟平面自定义实体(S5)，是基于CAD的拖动技术，在平面视口中逐个添加水沟平面交点，创建成由直线段和圆弧组成的平面水沟自定义实体；排水沟平面是水沟沟底中心线，是根据路堤坡脚线和路堑堑顶线向路基外侧偏指定距离确定，拖动过程中可随时改变曲线半径，交点添加完成后，根据水沟平面顺直的要求，再进行一次优化；

所述自动化创建排水沟纵断面自定义实体(S6)，是根据水沟平面和数字地面模型首先计算出水沟竖直投影到地形曲面的地面线高程数据，再根据地面线采用直线模拟的方法自动生成纵断面坡度线，最后根据水沟平面中线、地面线、坡度线、纵断面设计横向和竖向比例自动生成纵断面自定义实体；所述根据地面线采用直线模拟的方法自动生成纵断面坡度线，是对地面线从起点开始，先逐个添加地面点，基于最小二乘法作直线模拟，并计算平均填挖方量和最大填挖方量两项指标，直到这两个指标超出预设的控制值，再计算模拟的直线坡段与上一个坡段的交点，如果交点存在且位于上一个坡段与当前坡段之间，则将交点作为新的变坡点，否则将上一个坡段和当前坡段作为一个坡段重新进行直线模拟，作为当前坡段，再添加地面点进行直线模拟，如此循环直到地面线终点；

所述排水沟平纵联动协同交互式设计(S7)，是首先分析自动生成的水沟纵断面实体的坡度和填挖量，结合设置排水涵洞的位置，定出每段排水沟的排水流向，然后根据水沟沟底的顺坡要求，调整不满足顺坡要求的坡段，在保证最小沟深的前提下，如果坡段调整后沟深变的过大，则在平面视口中，结合地形等高线调整水沟平面交点，然后根据用户控制，重新进行纵断面自动坡度模拟，或保留平面调整前的纵断面坡度，继续优化修改纵断面，平纵联动，不断调整水沟平纵断面，直到满足水沟纵断面坡度设计和挖深要求；

所述将排水沟平纵设计成果形成三维点坐标文件(S8)，是对排水沟按平面里程间隔指定的步长(1m)计算三维坐标点，然后全部减去排水沟沟深，生成排水沟沟底中心的三维点坐标文件；

所述在达索系统中创建排水沟三维骨架线(S9)，是在达索系统中首先创建设计表，再导入水沟沟底中心的三维点坐标文件，然后利用知识阵列，将设计表中的三维点逐个添加到达索几何集中，最后根据这些点生产达索样条曲线，作为排水沟沟底三维骨架线；

所述达索系统下开发等截面和变截面排水沟模板(S10)，这两种排水沟模板都具有输入性的设计参数，包括沟底宽、沟深、沟底厚、沟壁厚、水沟边坡坡率、水沟编码；输出性的设计参数，包括水沟本体体积、水沟挖方体积、水沟曲线长度；根据输入的水沟设计参数，实现排水沟截面的参数化创建，对等截面排水沟将排水沟截面沿沟底空间曲线等截面扫掠形成初步的水沟本体，对变截面排水沟将起终点处的排水沟截面按照变截面扫掠形成初步的水沟本体，再用地形曲面裁剪水沟本体；创建的排水沟模板，以沟底三维骨架线、三维地形曲面为输入条件，以截面设计参数为输入参数；

所述利用模板实例化生成具有附加信息的排水沟三维模型(S11)，是在达索系统中先选择排水沟模板，再指定排水沟骨架线、地形曲面，输入截面参数，生成排水沟三维模型，并附带水沟编码、水沟本体体积、挖方体积、排水沟空间长度；

所述裁剪排水沟上覆地形曲面实现排水沟模型与地形曲面的融合(S12)，是先提取排水沟与三维地形曲面的交线，再裁剪交线范围内的地形曲面，保证排水沟与裁剪后的地形曲面完整拼接。

2.根据权利要求1所述的基于地形曲面的铁路路基排水BIM设计方法，其特征在于，所述构建铁路路基排水平面、纵断面视口(S4)，平面视口中显示的水沟平面实体与纵断面视口中显示的水沟纵断面实体按照里程对应同步显示，当在平面视口中平移显示当前平面水沟模型时，纵断面视口立即显示该水沟纵断面模型在对应平面里程处的图形，当在纵断面视口中平移显示当前纵断面水沟模型时，平面视口也立即显示该水沟平面模型在对应纵断面里程处的图形。

3.根据权利要求1所述的基于地形曲面的铁路路基排水BIM设计方法，其特征在于，自动化创建排水沟纵断面自定义实体(S6)，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地面填挖量，便于直观地检查水沟沟底高程是否满足顺坡要求以及满足顺坡要求时尽可能适应地形起伏而减少挖方量。