智能化已成为铁路发展的重要方向^[1]，国内外相继提出了智能铁路的发展战略规划^[2-3]。铁路工程建设领域已开启数字化、智能化转型进程，三维数字化设计在铁路工程建设中发挥着先行作用^[4]。

铁路工程属于长大带状的工程，跨度大且综合情况复杂多变，其与地理、地质条件关系紧密，导致工程结构物造型复杂，难以避免各种复杂结构设计方案。传统设计方式需要先进行方案构思，再通过二维图纸表达出设计信息，往往需要耗费大量时间，且对复杂设计方案的表达和信息承载能力有限。随着设计手段的三维数字化提升，BIM（Building Information Modeling）正向设计的理念逐步应用于铁路项目全生命周期中^[5]。目前，已有众多针对铁路标准线性结构物设计建模方法的研究成果^[6-8]，一般的连续线性结构物采用基于截面的拉伸、放样方式，而间断型结构物通过单元构件进行批量布置，但这种设计方法在面对形态变化大、特异性强的结构物（如边坡、土石方、道砟等）时，则会出现灵活性不足的问题。综上所述，针对铁路复杂结构物的设计工作存在以下问题：（1）传统设计方式工作量大，结果表达不清；（2）现有三维设计软件对复杂结构建模的适用性不足。

针对上述问题和难点，本文开展装配式三维数字化设计方法的研究，提出基于线状约束、父子关系设置的复杂结构物的设计与组装方法，有效提高设计与建模的直观性、灵活性。在此基础上，探索三维数字化成果在工程量计算和出图等方面的应用。

1   装配式三维数字化设计流程

装配式三维数字化设计将BIM正向设计作为基本理念^[9]，以三维BIM模型为出发点和数据源^[10]，采用构件预设计再装配的方式^[11]，完成从方案到施工图的全过程设计。设计方法主要针对由多个具有线状特征构件组成的工程结构，如区间隧道（包含洞身、衬砌、排水等）、区间路基（包含基床、排水、部分支挡类型、部分边坡防护类型等），以单个构件作为设计单元，提升总体结构组装的多样性。设计流程如图1所示。

图  1  装配式三维数字化设计流程

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收集线路、测绘、地质、桥隧站等上序专业数据，并开展方案设计，将方案中复杂结构形式拆分为多个独立的构件，对每个独立构件进行参数化预设计；随后，依据总体设计方案以线性约束的方式对每个构件进行精细化设计，对多个构件进行组装，并设置构件的从属关系，使得构件间相互关联；最后，利用构件设计参数属性，进行工程量计算和二维出图。

2   装配式三维数字化设计方法

铁路工程装配式设计主要通过构件参数化及线性约束技术来实现。其中，构件参数化技术主要应用于构件的预设计工作^[12]，可用于如轨道、水沟等具有规则形态或具备预制条件的标准构件，也可用于如土石方填筑物、边坡坡面等受地质地形条件影响，形态变化大、不规则的构件；线状约束技术主要应用于构件的精细化设计和组装，将构件通过若干条空间线进行位置和形态控制。应用装配式三维数字化设计流程，可对单个构件进行修改、更新，也可自定义组合各种构件，满足铁路工程复杂结构设计的需要。

2.1   构件预设计

2.1.1   数字化对象构建

建立与构件实体对应的数字化对象，实现设计参数到三维对象的转换，其实现原理为：剖析构件设计业务逻辑，并抽象出所需要的设计参数；将不同的设计参数数据解析为由点、线、面组合而成的具有复杂形态的二维对象，形成构件的剖面；将若干个构件剖面放置于某个路径中，采用放样的方法形成三维对象；设计参数数据通过计算机绘图解析器驱动进行点、线、面、体的绘制，最终形成数模一体的数字化对象。构件的数字化对象以数据为驱动核心，须形成构件标准格式^[13]，因此，通过分析构件的设计过程与业务逻辑，建立构建数据存储标准，即描述每类构件几何与非几何的数据字典。

2.1.2   基于参数的单构件交互设计

基于标准数据结构，通过输入设计参数即可进行构件的预设计。设计参数包括几何参数、定位参数和其他属性参数中的任意一种或多种，每种构件具有多个可赋值的设计参数，通过建立设计参数与构件数字化对象的映射关系，使构件可由一个或多个设计参数影响。其中，几何参数用于控制构件的形态，可根据地形、地质条件进行参数调整；定位参数用于决定构件的位置与约束关系；其他属性参数主要存储构件的基础几何、材料、工艺、工法等数据信息，这些信息不影响构件对象的造型和位置，但将作为重要信息应用于后续阶段。构件中存储了设计参数，并利用计算机绘图解析器形成其几何造型所需要的运算过程和操作逻辑^[14]，设计参数的赋值通过数据的读取和写入实现，当参数发生变化时，构件将基于设计参数、运算过程和逻辑关系重新生成，实现设计参数与三维数字化对象即构件的实时交互。

2.2   构件精细化设计和组装

2.2.1   基于线状约束的构件精细化设计和组装

在完成单个构件的预设计后，本节将研究单个构件组装为复杂构件组的方法。“连接线”起到连接2个工程构件的作用^[15]，在此基础上，本文提出基于线状约束的构件精细化设计和组装的设计方式，将连接线的概念升级为构件的几何和定位参数，实现以参数约束构件的位置和形态。

线状约束是指通过几何线配合约束逻辑对构件的位置、形态进行控制，其实现原理为：基于2.1中形成的物件标准格式，将几何线和其约束逻辑作为设计参数存储于构件中，其中，几何线作为一种因变参数，表现为唯一编码的形式。建模绘图时，BIM软件将对因变参数即唯一编码进行解析，依据映射关系转换为对应的几何线；再利用其几何特征，配合约束逻辑将约束方式传递给数字化模型，达到参数化控制构件位置和形态的目的。图2显示了高亮构件和对应的属性信息，其中包含了5个线状约束参数，有效的约束参数（唯一编码1245）对应为图中黑色加粗的几何线，该参数控制了几何线约束高亮构件的空间位置。

图  2  构件的线状约束参数

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2.2.2   构件组装和父子关系的设置

在构件组装过程中，通过设置构件的父子关系，定义构件的从属变动关系。构件分为基础构件和从属构件，从属构件包括至少一个因变参数。从因变参数的角度对构件之间的关系进行划分，影响因变参数的构件为父构件，受因变参数影响的构件为子构件。通过定义构件父子关系，实现父构件变化自动带动子构件变化。

通常，定位参数多为从属构件的因变参数，决定某个子构件与其他构件之间的连接定位关系。父构件和子构件并非一一对应的关系，任意一个构件既可以为父构件也可同时作为子构件。子构件一定是从属构件，父构件既可以为基础构件，也可以为从属构件。

以铁路路基设计为例，构件组装和父子关系的设置流程为：将线路的几何线进行参数化抽象，在一般设计场景下，作为路基基床构件的线状约束和父构件，再依次添加路基基床的子构件，如边坡、护肩、土石方、排水沟、挡土墙等，构件的父子关系层层深入，最终使路基构件都依据线路关联变化。

2.3   工程量计算和出图

2.3.1   工程量计算

在创建工程构件过程中，BIM软件会依据构件的几何造型自动生成基础几何参数，同时，构件对象将存储所有参数，包括设计几何参数、基础几何参数（体积、表面积）、工艺工法属性等。数字化设计方法即利用上述参数进行工程量计算，具体步骤为：（1）建立不同构件分类的工程量计算模板，模板包含基于构件基础几何参数的工程量计算方法和可配置的计算参数；（2）建立构件与模板的映射关系，利用构件唯一编码实现模型构件与模板项的匹配^[16]；（3）构件参数自动导入模板的对应项，模板根据导入参数和模板配置参数，通过预设的计算方法，快速完成各构件工程量的计算。

2.3.2   二维出图

目前，基于三维设计的二维出图，普遍采用剖切三维模型再进行平面投影的方式，但在基于BIM的出图方式下，由于软件对三维几何对象的剖切计算问题，整体效率较低^[17]且稳定性不足。

本文提出剖切构件几何轮廓线的出图方式，具体步骤为：（1）提取表达构件切面几何特征的轮廓线，由于轮廓线已抽象为几何定位参数，故可以通过该参数进行线的定位；（2）在线路的特定位置生成与线路成法向的切面，计算轮廓线与该切面的交点，同时将轮廓线的关联关系一并记录，用于绘制构件截面；（3）通过点记录的关联关系对其进行连线，得到构件的二维剖面。不断重复以上步骤即可生成二维图，效果如图3所示。

图  3  路基二维出图效果

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3   方法应用

3.1   提高设计参数调整效率

传统方法对铁路线状工程通常采用创建整体结构的截面模板，再将其拉伸成体的模式，需要根据不同段落的设计方案，配置等同于段落数量的截面模板。而采用装配式三维设计的方法，仅需要创建等同于构件数量的构件剖面模板，再依据线状约束进行构件的放置。

以某工程三维设计为例，不同设计方案的段落较多时，若需要调整不同段落中某一个相同构件的形态，传统方法需要在多个截面模板中进行该构件的参数调整，包括调整该段落的前后模板的拉伸长度，如图4（a）所示，而本文方法仅需要调整一个构件的设计参数，如图4（b）所示。

图  4  调整参数对比示意

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3.2   加强复杂构件建模能力

对于路基过渡段等需要“挖台阶”的结构，其造型比一般的六面体结构更加复杂，传统方法较难建立类似模型，常需要通过结构体间的布尔运算完成建模。采用本文方法，可以通过复杂造型的约束线对规则模型进一步细化。如图5所示，通过构造两条阶梯状的约束线，对六面体结构的路基土石方模型进行精细化设计，将两个底部边线控制成台阶状，即可快速实现路基过渡段建模。

图  5  路基过渡段设计示意

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4   结束语

本文对铁路工程装配式三维数字化设计方法进行研究，提出了基于装配式的设计思路及单体构件参数化的设计方法，实现参数与三维构件的实时交互；形成了基于线状约束的构件精细化设计和组装技术；建立了设计建模、出图、算量一体化的工作体系，实现快速工程量计算和出图。

下一步，将重点聚焦于以下几个研究领域：（1）建立专家知识库，利用大数据技术，对海量的铁路设计数据进行分析和挖掘，积累设计经验；（2）智能化与自动化升级，基于专家知识，研究智能算法模型的应用场景，使设计系统能够根据不同的铁路项目需求自动调整设计参数和方案，进一步提升设计软件的智能化水平；（3）基于数字技术的设计施工一体化，通过标准化与模块化设计，推动铁路设计建造的标准化进程，降低建设成本。