图1BIM模型扫掠过程分解示意图
Fig.1Decomposition diagram of BIM modelsweep process
·BIM模型与智能设计•
栏目评述：BIM模型与智能设计是高铁技术发展的重要方向。本栏目记录了高铁及相关领域科研工作者在BIM模型与高铁智能设计方面的探索足迹和创新成果。《高速铁路线性BIM模型快速拉伸算法研究》实现了高速铁路线性BIM模型的快速拉伸，成果应用于多个高速铁路工程项目中，推动了铁路行业BIM技术的发展；《一种新型铁路轨道检测小车的设计与分析》一文针对钢轨检测，设计了一种自动检测小车，现场试验结果表明：该检测小车在各种轨道下的通过性良好，自适应调节能力强；《高速铁路综合维修设施工艺智能设计系统的开发与应用》一文研究了数字化设计和参数化成图技术，开发了高速铁路综合维修设施工艺智能设计系统；《基于时间 Petri 网的断路器虚拟装配系统研究》一文以基于时间Petri网的模型，构建了完整的断路器虚拟装配系统；《中低速磁浮系统起浮阶段的振动特性分析》一文建立了“车辆-电磁-轨道梁”耦合系统仿真模型，分析了系统在起浮阶段的振动响应特性。智能高铁是一个全新的课题，基于BIM模型的新一代信息技术与高速铁路技术集成将贯穿设计-制造-运营全生命周期的智能化高速铁路系统。
随着建筑信息模型(building information modeling，BIM)技术的不断推进，以及BIM成果的持续推广应用，将BIM技术应用于工程实际中显得尤为重要[1]。随着我国高速铁路的快速发展， BIM技术在其中的应用也日益广泛。在BIM设计过程中，建立BIM模型是整个BIM设计的基础，如何高效快速地生成BIM模型，成为BIM技术发展的一大难题[2-3]。
在铁路工程BIM技术的应用中，通常需要将二维截面沿三维引导线进行拉伸以生成BIM三维实体(如股道、道床、地基、隧道、管线等BIM三维模型[4-5])。而需拉伸的截面和引导线往往是在AutoCAD等二维平面制图软件中绘制且无空间信息的，在导入BIM系统平台后，需要将平面引导线转换为三维空间引导线，同时通过空间几何旋转将拉伸截面移动至三维引导线的起点处并垂直于该引导线，再将拉伸截面扫掠整个引导线，从而生成BIM模型[6-8]。
目前通用的BIM系统平台均无专用BIM实体拉伸工具。在进行二维平面曲线离散转三维空间曲线时，需人工将平面曲线分割成多段线段，再加载标高以拟合空间曲线，该过程繁琐，计算复杂，进而严重影响了BIM模型建模效率及质量[9-12]，因此，迫切需要提出一种快速实现BIM拉伸建模的方法。本文主要研究了二维平面曲线离散转三维空间曲线算法和平面空间变换几何算法，实现了三维实体快速拉伸功能。
在三维坐标系oxyz中(图1)，二维平面内导入的平面s和由线路图中提取的曲线ab处于oxy平面内，快速拉伸算法的基本步骤如下：①对平面内的曲线ab进行离散，加载标高信息，拟合出三维引导线a′b′；②对平面s进行旋转平移空间几何变换，使其从平面的拉伸点m变换至引导线a′b′的起点a′处；③通过扫掠命令将平面s′沿引导线a′b′进行扫掠，从而得到BIM三维模型。
图1BIM模型扫掠过程分解示意图
Fig.1Decomposition diagram of BIM modelsweep process
快速拉伸算法可分解为二维平面曲线离散转三维空间曲线算法和平面空间变换几何算法，对两个算法分别进行分析。
图2中，由二维平面曲线ab离散转三维空间曲线a′b′，利用等距离插值算法获取空间曲线a′b′上多个点的坐标，再利用B样条曲线拟合获取的空间曲线a′b′上的点，即可得到空间三维曲线a′b′，详细算法过程见图3。
图2 二维曲线转三维曲线过程
Fig.2Process of 2D curve to 3D curve
图3 二维曲线转三维曲线流程图
Fig.3Flow chart of 2D curve to 3D curve
图1中，平面s的正方向为p，沿y轴正方向，经过平移、旋转几何变化后，平面s的正方向为p′。为了使拉伸所得的BIM三维实体满足生产实际要求，旋转后的正方向p′应处于a′的切线与z轴形成的平面内。同时，平面的垂直轴也要从z轴变换为引导线的切线t，这样就保证了平面s′与引导线的切线t相互垂直。通过分析，上述过程可由以下3个变换步骤完成。
(1)平移。通过平移命令使平面s从m点移至a′点。
(2)绕x轴旋转。将平面s绕x轴旋转，使得p与z轴的夹角等于与t的夹角。
(3)绕z轴旋转。将平面s的正方向p绕z轴旋转至t与z轴所在的平面上，使所形成的平面s′与t垂直。
平面空间变换几何算法具体的实施计算过程如下。
拉伸点坐标为m(xm,ym,zm),引导线起点坐标为a′(xa,ya,za)，终点坐标为b′(xb,yb,zb),则平移向量为
A=(xb-xa,yb-ya,zb-za)
计算旋转变换要通过引导线的切向量t进行角度计算。引导线a′b′的起点a′的相邻点为c′(xc,yc,zc)，当c′点与a′点的距离足够小时，可用向量a′c′近似地表示为t，即
t=(xt,yt,zt)=(xc-xa,yc-ya,zc-za)
图4中，旋转变换需要用到引导线切向量t的2个角度(即t与oxy平面的夹角α和t在oxy平面内的垂线与x轴的夹角β)。变换步骤(2)中的旋转角度θ=90°-α，变换步骤(3)中的旋转角度δ=β - 90°。
图4 切向量角度分析
Fig.4Analysis of tangent vector angle
α的大小可由反正切求得，而符号则根据切向量投影线在oxy平面上的象限决定，若在第一、三象限，α为正值；若在第二、四象限，α为负值，即
β则可以直接通过反正切求解：
通过以上分析，可得到平移变换矩阵：
绕x轴旋转矩阵：
绕z轴旋转矩阵：
综合可得整个过程的变换矩阵：
目前，本文提出的快速拉伸算法已成功在BIM软件的二次开发中得到应用，并开发出了针对高速铁路项目的专用BIM模型拉伸工具，开发后的软件使用界面见图5，通过二次开发提高了现有BIM软件的建模效率。
图5 算法实现软件界面
Fig.5 Algorithm implementation software interface
(a)正线区间BIM模型
(b)圆形隧道BIM模型
图6 某高速铁路工程区间BIM模型
Fig.6 Interval BIM model for a high-speed railway project
BIM软件已在部分高速铁路项目中成功得到应用，图6所示为将BIM软件应用于某高速铁路工程中生成的部分BIM模型，采用BIM软件建模仅花费了正常工作时间的一半，且保证了模型质量，建模效率大大提高。
本文的研究成果也具有一定的通用性，可应用于其他部分的铁路工程中，如本文的研究成果已成功应用于武襄十城际铁路。对武襄十城际铁路进行了全专业的BIM设计，设计过程中存在大量的建模工作，利用本文提出的快速拉伸算法，整个项目的BIM建模效率将至少提高100%。图7和图8所示分别为利用本文所提快速拉伸算法建立的武当山西站BIM模型和武襄十城际铁路部分BIM模型。
图7 武当山西站BIM模型
Fig.7 BIM model of Wudang mountain west railway station
图8 武襄十城际铁路桥梁BIM模型
Fig.8 Bridge BIM model of Wuxiangshi intercity railway
在长沙低速磁悬浮工程中，同样利用本文提出的快速拉伸算法开展了区间三维设计。经实际工程统计，在核心工作的三维建模方面，额定工作时间需要20天，利用本文提出的快速拉伸算法，10天内即可完成所有工作量，设计效率至少提高100%。图9所示为长沙低速磁悬浮工程区间BIM模型。
图9 长沙低速磁悬浮工程区间BIM模型
Fig.9 Interval BIM model of Changsha low-speed maglev project
(1)提出了快速拉伸算法,在BIM软件中利用二次开发技术，采用该算法开发出了针对高速铁路项目的专用BIM模型拉伸工具。
(2)将本文成果应用于实际项目中，实现了线性BIM模型的快速建立，且效果良好。在提高BIM设计效率的同时，对BIM技术在铁路行业的发展具有一定的推动作用。
[1] 徐友全,孔媛媛.BIM在国内应用和推广的影响因素分析[J].工程管理学报,2016,30(2):28-32.
XU Youquan, KONG Yuanyuan. Analysis of Influencing Factors of BIM Application and Popularization in China[J]. Journal of Engineering Management, 2016,30(2):28-32.
[2] 何清华,钱丽丽,段运峰,等. BIM在国内外应用的现状及障碍研究[J]. 工程管理学报,2012,26(1):12-16.
HE Qinghua, QIAN Lili, DUAN Yunfeng, et al. Research on the Status Quo and Obstacles of BIM Application at Home and Abroad[J]. Journal of Engineering Management, 2012,26(1):12-16.
[3] 刘波,刘薇.BIM在国内建筑业领域的应用现状与障碍研究[J].建筑经济,2015,36(9):20-23.
LIU Bo, LIU Wei. Application Status and Obstacles Research of BIM in Domestic Construction Industry[J]. Construction Economics, 2015,36(9):20-23.
[4] 朱军,张恒.虚拟高速铁路环境快速建模服务与案例[J].地球信息科学学报,2013,15(6):895-901.
ZHU Jun, ZHANG Heng. Virtual Rapid Rail Environment Rapid Modeling Services and Cases[J]. Geo-information Science, 2013,15(6):895-901.
[5] 周福军,于国新,曹峰.铁路工程地质BIM建模技术与应用初探[J].铁道建筑技术,2016(11):106-110.
ZHOU Fujun, YU Guoxin, CAO Feng. Preliminary Study on BIM Modeling Technology and Its Application in Railway Engineering Geology[J]. Railway Construction Technology, 2016(11):106-110.
[6] 孙中昶,卢秀山,田茂义. 矿山巷道3维建模算法研究及实现[J]. 测绘学报,2009,38(3):250-254.
SUN Zhongchang, LU Xiushan, TIAN Maoyi. Research and Implementation of 3D Modeling Algorithm for Mine Roadway[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2009,38(3):250-254.
[7] 黄俊歆,王李管,熊书敏,等.矿井通风系统三维联通巷道建模算法及其应用[J].中南大学学报(自然科学版),2012,43(8):3173-3179.
HUANG Junxin, WANG Liguan, XIONG Shumin, et al. Modeling Algorithm and Its Application of 3D Connection Roadway in Mine Ventilation System[J]. Journal of Central South University(Science and Technology), 2012,43(8):3173-3179.
[8] 陈建,张剑,邹益胜,等.高速铁路长大线路可视化建模系统研制[J].计算机仿真,2014,31(10):170-176.
CHEN Jian, ZHANG Jian, ZOU Yisheng, et al. Development of Visual Modeling System for Long and High Speed Railway Lines[J]. Computer Simulation, 2014,31(10):170-176.
[9] 刘海强,张科超,李志平.实测管线数据快速实现BIM建模的方法研究[J].市政技术,2017,35(6):137-138.
LIU Haiqiang, ZHANG Kechao, LI Zhiping. Research on the Method of Rapid BIM Modeling Based on Measured Pipeline Data[J]. Municipal Engineering Technology, 2017,35(6):137-138.
[10] 曾绍武,张学钢,张林,等.预应力连续刚构桥梁BIM精细化建模实例[J].铁道标准设计,2016,60(2):71-77.
ZENG Shaowu, ZHANG Xuegang, ZHANG Lin, et al. Example of BIM Fine Modeling of Prestressed Continuous Rigid Frame Bridge[J]. Railway Standard Design, 2016,60(2):71-77.
[11] 刘厚强,易旭鹏,朱聪.基于BIM的三维铁路路基建模应用研究[J].铁道标准设计,2015,59(7):20-23.
LIU Houqiang, YI Xupeng, ZHU Cong. Application Research of 3D Railway Roadbed Modeling Based on BIM[J]. Railway Standard Design, 2015,59(7):20-23.
[12] 鲁工圆,闫海峰,校磊,等.高速铁路车站作业建模及仿真系统研究[J].铁道运输与经济,2013,35(5):37-42.
LU Gongyuan, YAN Haifeng, XIAO Lei, et al. Research on Operation Modeling and Simulation System of High-speed Railway Station[J]. Rail Way Transport and Economy, 2013,35(5):37-42.
开放科学(资源服务)标识码(OSID)：