基于几何语义和国产图形引擎的铁路山岭隧道衬砌结构BIM设计

BIM Design of Railway Mountain Tunnel Lining Structure Based on Geometric Semantics under Domestic Graphics Engine

摘要

为应对铁路山岭隧道衬砌结构在BIM设计过程中效率不足、参数化模型可移植性差等挑战，并致力于降低对国际商业BIM软件平台的依赖所带来的核心技术受限与信息安全风险，本文聚焦于突破此类软件内置几何约束对衬砌结构参数化建模构成的壁垒。为此，以独立几何语义解析为理论基础，对铁路山岭隧道衬砌结构参数化建模方法进行系统性探究。首先构建一套适用于该结构的参数化建模工作流与三维模型解构策略，进而研发相应参数化建模算法。该算法依托国产自主BIMBase几何引擎得以实现，并最终开发出一款专用于铁路山岭隧道衬砌结构的参数化BIM正向设计软件。主要得出以下结论：①通过对国产BIMBase平台进行二次开发，成功实现所提出的参数化建模算法，其有效性与实用性在工程应用实例中得到验证。②本算法设计独立于特定几何引擎的内部约束表征机制，能够直接驱动隧道断面轮廓的生成与编辑，从而精准满足铁路隧道衬砌结构BIM设计需求，显著提升建模工作的自动化程度与参数化方法的行业通用性。

Abstract

To address the insufficient efficiency and limited portability of parametric models in the BIM design process for railway mountain tunnel lining structures—as well as the risks of core technology restrictions and information security vulnerabilities stemming from reliance on international commercial BIM software platforms—this study investigates methods to overcome the barriers imposed by the built-in geometric constraints of such software. Grounded in the theory of independent geometric semantic parsing， a systematic investigation into the parametric modeling methodology for these structures is presented. First， a dedicated parametric modeling workflow and a 3D model deconstruction strategy are established. Subsequently， a corresponding parametric modeling algorithm is developed and implemented using the domestic， autonomous BIMBase geometric engine， culminating in the creation of specialized parametric BIM forward-design software for railway mountain tunnel linings. The principal conclusions are as follows： （1） Through API development on the domestic BIMBase platform， the proposed algorithm was successfully implemented， with its effectiveness and practicality validated via engineering case studies. （2） Designed to be independent of the internal constraint representation mechanisms of specific geometric engines， the algorithm can directly drive the generation and editing of tunnel cross-sections. Consequently， it accurately satisfies BIM design requirements for railway tunnel linings while significantly enhancing modeling automation and the general applicability of the parametric methodology across the industry.

Graphical abstract

关键词

铁路 / 山岭隧道 / 衬砌 / BIM / BIMBase / 二次开发 / 几何语义

Key words

railway / mountain tunnel / lining / BIM / BIMBase / API development / geometric semantics

0 引 言

铁路工程BIM技术研究正从单一几何建模向全生命周期数据集成应用演进，其技术价值不仅体现在三维可视化层面，更在于通过参数化模型实现设计协同、施工模拟、运维决策等工程价值闭环。作为铁路工程信息化核心载体，参数化BIM模型质量直接影响设计成果在工程全生命周期的复用效能。研究^［1-3］表明，现阶段隧道工程BIM应用存在“重建模轻应用”现象，参数化体系与工程业务需求脱节，导致模型难以支撑后续施工工艺模拟、结构健康监测等深度应用。

既往研究多聚焦于国际商业软件平台二次开发，如陈乐等^［4］采用Revit公制常规模型样板生成参数化族，通过Revit+Dynamo可视化编程开发参数化建模程序，实现了基于Excel表格的隧道三维实体一键式生成；黄殷婷等^［5］基于CATIA软件，通过VB语言二次开发形成融合地质模型的隧道BIM设计软件，并完成与FLAC3D的计算数据互通；王卫东等^［6］提出一种用于解析隧道图纸完成三维建模的图元配方法，通过WebGL+Three.js二次开发手段形成参数化建模平台；徐博^［7］综合运用C++、C#语言对Bentley进行二次开发，实现了基于中心数据库的隧道洞口二三维融合设计，以及二维出图的工程数量统计功能。这些方法虽能实现基础建模功能，但存在两方面显著缺陷：其一，建模过程过度依赖通用软件内置构造约束，导致参数化方法缺乏行业适配性，如隧道仰拱与边墙接合部等特殊构造难以准确表达；其二，未建立几何构造与工程语义的映射关系，致使模型缺乏可计算性，难以支持后续力学分析、工程量反算等工程应用。

针对当前国际主流BIM软件平台的功能局限与适配性问题，并在国家政策与资源支持下，以中国建筑科学研究院有限公司推出的BIMBase平台，以及广联达科技股份有限公司开发的GDMP平台为代表，我国自主三维图形引擎研发取得显著进展。齐成龙等^［8］基于国产BIMBase引擎，通过数据结构定义、参数化组件开发和模型批量实例化三个模块开发了铁路框架箱涵BIM设计程序；陈朋亮等^［9］依托国产自研GDMP图形引擎，利用C++接口开发了隧道参数化断面设计系统，可在衬砌断面设计、二维出图和数量统计方面有效辅助设计人员工作。上述实践验证了国产平台在工程算法嵌入方面的独特优势^［10］。

如何确定最终参数、如何构建三维模型生成过程与参数间逻辑关系是参数化建模的关键。目前，该领域研究尚存不足，尤其在几何参数化专项研究方面较为欠缺。为此，本文系统探讨山岭隧道衬砌结构参数化建模流程，运用几何语义方法对衬砌结构参数进行形式化定义，进而形成一套完整的衬砌结构参数化设计算法。为检验该算法的可行性与有效性，采用C++语言，基于国产图形引擎BIMBase进行二次开发，完成铁路山岭隧道衬砌结构参数化BIM设计功能模块。将衬砌结构专用参数化算法与国产三维图形引擎深度集成，具有多重优势：不仅有助于减少对国外软件的技术依赖、增强工程数据的安全可控性，还能实质性提升山岭隧道衬砌工程BIM设计效率。此外，该方法提升了衬砌结构三维建模技术的普适性与可复用性，使得BIM模型能够更好地支持设计、施工、运维等全生命周期各阶段深度应用与信息传递。

1 衬砌结构参数化建模

1.1　建模流程分析

参数化建模的实现，首先要对实体模型开展几何语义解析，构建一个规模精简、语义完备且具有广泛代表性的参数集合，最终形成能够优化建模过程的三维几何模型与参数间算法化关联，从而达到提升BIM设计效率的目标。该过程中，工业基础类（Industry Foundation Classes，IFC）标准^［11］为实体模型几何语义描述提供了系统参考框架。以标准中的IfcBeam构件为例，其几何语义可描述如下（图1）：在构件端部横断面中心建立局部直角坐标系，使断面两个特征边分别与坐标系X轴和Y轴对齐以定义端面形状，再沿IfcBeam轴向（ExtrudedDirection）拉伸，从而生成三维几何体。其中，端面在X、Y方向的尺寸分别定义为XDim与YDim，拉伸方向的尺寸定义为Depth。XDim、YDim与Depth即为描述IfcBeam几何语义的核心参数。

结合铁路工程BIM设计流程与软件开发特点，参考IFC标准的几何语义描述思路，本文提出以下适用于工程结构的参数化建模方法：

（1） 调研与范围界定：开展工程背景调研，收集相关设计资料，明确参数化建模的实体对象与研究范围。

（2） 关键参数提取：分析研究对象的几何语义与拓扑构成，依据“最大公约数”原则初步识别关键几何参数。

（3） 坐标系建立与参数化分解：根据实体几何特征建立适宜的参考坐标系，确定其原点与轴向，并对实体进行几何分解，形成描述其形态的语义参数集。

（4） 参数关系推导：通过几何语义解析，建立参数间数学关系，以确保参数化算法具有良好的普适性。

（5） 引擎选型与模型构建：选用合适的三维几何引擎，遵循上述流程实现参数化实体模型构建。

（6） 软件集成与开发：结合工程设计习惯，以三维参数化模型为基础，开发相应BIM设计程序。

1.2　山岭隧道衬砌结构建模对象

在此将隧道衬砌主体结构作为参数化建模对象，不包含钢筋及防水板等构造，山岭隧道分为明挖和暗挖两类，暗挖隧道由初期支护、二次衬砌组成，明挖隧道只包含初期支护。

对山岭隧道衬砌结构三维几何拓扑方式进行初步语义分析，是由一个横断面沿空间线位扫掠形成，几何拓扑方程为

V_实体=S_横断面×L（1）

根据公式（1）所表达的几何生成逻辑，山岭隧道衬砌结构三维实体形态由其横断面几何形式直接决定。常见铁路山岭隧道衬砌横断面形式经过分类，主要包括以下四种：拱脚部位设平台的初期支护断面、拱脚无平台的初期支护断面、曲墙式结构带底板断面以及拱形明洞断面。

以暗挖隧道中构造较为复杂的拱脚初期支护有平台断面为例，可将其横断面轮廓进行层级化分解，具体划分为：最外层的初期支护外轮廓、作为中间过渡层的初期支护内轮廓（亦即二次衬砌的外轮廓），以及最内层的二次衬砌内轮廓。根据前述工程结构参数化建模流程，重点对分解后三层轮廓进行几何语义分析，提取轮廓参数，从而为衬砌结构参数化建模提供支撑。

2 山岭隧道衬砌断面轮廓几何语义分析

2.1　几何语义定义

图2展示分层后的独立横断面轮廓示意。基于几何形态特征，将各层轮廓进一步划分为若干几何段，并依据隧道工程专业术语对三个独立轮廓区段进行定义与命名。

各轮廓几何语义分段解析结果详见表1。解析过程采用弧线段与直线段两种基本图元进行表达。编号系统中字母“A”“B”“C”依次对应图2由内至外的三个轮廓层，编号中数字则与轮廓图中几何段具体位置顺序关联。以表1中分解序号10为例，该行描述的是由初期支护外轮廓上第1点与第3点连接所形成的直线段，其几何语义对应“左拱脚底平台”这一工程构造。

2.2　局部坐标系与关键参数

为对山岭隧道衬砌断面进行参数化描述，需建立统一的描述基准。基于三层轮廓拱顶同心圆这一关键几何特征，将直角坐标系原点确立于拱顶圆心，并设定Y轴竖直向上。在此基础上，综合各层轮廓几何语义解析成果，于该统一坐标系内，对构成完整断面的各项关键参数进行系统化定义，具体定义方案如图3所示。

依据图3所明确的二次衬砌内轮廓、初期支护内轮廓及初期支护外轮廓各项参数，在表1增设“关键参数”一列。建立轮廓各分段几何语义与其驱动参数间映射关系，从而实现从几何意图到具体建模数据的有效转换。

2.3　衬砌断面轮廓参数关系

以前述三层断面轮廓几何语义分段分解结果为输出，以断面轮廓参数定义结果为输入，通过几何推理，形成参数与几何语义间逻辑关系，最终构成山岭隧道衬砌结构断面轮廓设计参数化算法。该算法具备较强泛化性，可在统一直角坐标系下，描述各层轮廓几何形状构成方法。图2所示断面关键点以字母”P”开头，后接关键点序号。

以初期支护外轮廓为例，其具体算法为

y_{\mathrm{9}}=c-e（2）

x_{\mathrm{9}}=sqrt[{\left(r_{\mathrm{1}}+c_{\mathrm{1}}\right)}^{\mathrm{2}}-y_{\mathrm{9}}^{\mathrm{2}}]（3）

x_{\mathrm{10}}=\frac{r_{\mathrm{1}}+c_{\mathrm{1}}+c_{\mathrm{3}}}{r_{\mathrm{1}}+c_{\mathrm{1}}}\times x_{\mathrm{9}}（4）

y_{\mathrm{10}}=sqrt[(r_{\mathrm{1}}+c_{\mathrm{1}}+c_{\mathrm{3}}{)}^{\mathrm{2}}-x_{\mathrm{10}}^{\mathrm{2}}]（5）

x_{\mathrm{11}}=[{\left(r_{\mathrm{1}}+c_{\mathrm{1}}+c_{\mathrm{3}}\right)}^{\mathrm{2}}-\mathrm{2}\times y_{\mathrm{10}}\times y_{\mathrm{11}}+x_{\mathrm{10}}^{\mathrm{2}}+y_{\mathrm{10}}^{\mathrm{2}}]/\mathrm{2}/x_{\mathrm{10}}（6）

y_{\mathrm{11}}=y_{\mathrm{9}}+e+f（7）

x_{\mathrm{12}}=sqrt[{\left(r_{\mathrm{6}}+c_{\mathrm{4}}\right)}^{\mathrm{2}}-(y_{\mathrm{11}}-y_{\mathrm{6}}{)}^{\mathrm{2}}]+x_{\mathrm{6}}（8）

x_{\mathrm{13}}=\frac{r_{\mathrm{3}}+c_{\mathrm{2}}+c_{\mathrm{4}}}{r_{\mathrm{3}}+c_{\mathrm{2}}}\times x_{\mathrm{7}}（9）

y_{\mathrm{13}}=\left(r_{\mathrm{3}}-c-d_{\mathrm{2}}+y_{\mathrm{7}}\right)\times x_{\mathrm{13}}/x_{\mathrm{7}}-r_{\mathrm{3}}+c+d_{\mathrm{2}}（10）

弧线段C1-2（拱顶）：

P1：\left\{\begin{array}{c}y=-x_{\mathrm{10}}\\ z=-y_{\mathrm{10}}\end{array}\right.（11）

P2：\left\{\begin{array}{c}y=x_{\mathrm{10}}\\ z=-y_{\mathrm{10}}\end{array}\right.（12）

直线段C1-3（左拱脚边直线段）：

P3：\left\{\begin{array}{c}y=-x_{\mathrm{11}}\\ z=-y_{\mathrm{11}}\end{array}\right.（13）

直线段C2-4（右拱脚边直线段）：

P4：\left\{\begin{array}{c}y=x_{\mathrm{11}}\\ z=y_{\mathrm{11}}\end{array}\right.（14）

直线段C3-5（左拱脚底平台）：

P5：\left\{\begin{array}{c}y=-x_{\mathrm{12}}\\ z=-y_{\mathrm{11}}\end{array}\right.（15）

直线段C4-6（右拱脚底平台）：

P6：\left\{\begin{array}{c}y=x_{\mathrm{12}}\\ z=-y_{\mathrm{11}}\end{array}\right.（16）

弧线段C5-7（仰拱左拱脚底座）：

P7：\left\{\begin{array}{c}y=-x_{\mathrm{13}}\\ z=-y_{\mathrm{13}}\end{array}\right.（17）

弧线段C6-8（仰拱左拱脚底座）：

P8：\left\{\begin{array}{c}y=x_{\mathrm{13}}\\ z=-y_{\mathrm{13}}\end{array}\right.（18）

3 基于国产图形引擎参数化建模算法验证

3.1　 BIMBase国产图形引擎架构

为满足参数化BIM设计需求，并验证前述几何语义解析与建模算法的有效性，选用国产自主BIM平台作为技术实现载体。该平台由北京构力科技有限公司研发，具备完全自主知识产权。其核心能力涵盖几何造型、参数化组件、干涉检查、协同设计、二次开发、二维出图、轻量化交付等九大基础功能模块，并集成数据管理、几何造型（引擎）与显示渲染三大核心引擎。该平台的建立旨在解决我国BIM领域长期依赖国外底层技术的“卡脖子”问题，实现核心技术自主可控。通过提供开放的二次开发接口（如C++、.NET、Python等），支持各行业根据自身业务特点定制开发专业软件，从而逐步构建协同发展、自主可控的国产BIM软件生态，有力支撑国家信息技术应用创新（信创）体系发展。

该平台引擎采用分层架构设计，如图4所示，主要分为内核层与平台层。内核层作为底层核心，由基础几何组件与复杂运算组件两大模块构成。其中，基础几何组件负责提供基本实体（如立方体、圆柱体）、几何线性元素（如线、圆弧）以及网格实体等基础图元创建与操作功能；复杂运算组件则封装了诸如三维实体消隐、几何布尔运算（并、交、差）等高级算法，为处理复杂工程形体提供计算支持。

基于此引擎架构，采用C++编程语言调用二次开发接口，遵循系统化实现路径：首先，根据衬砌结构的几何语义分析结果，定义数据结构；其次，利用几何引擎造型功能，进行三维参数化建模；最终，开发专用BIM设计程序。通过这一技术流程，能够完整地验证前文提出的几何语义分析理论与参数化建模算法，成功实现铁路山岭隧道衬砌结构参数化BIM设计。

3.2　山岭隧道单层衬砌结构数据结构定义

为构建适于山岭隧道衬砌结构的参数化BIM模型，需在国产BIMBase平台几何引擎内核层设计一套专用的、面向对象的数据结构体系。该体系核心在于对工程实体进行有效的抽象与封装。

BIMBase内核层提供基础几何对象类GeomObject，作为所有几何元素的根基，由此派生的BPObject是封装工程实体通用特性的核心基类。为清晰区分模型中的不同元素类型，BPObject进一步细化为两个主要子类：BPGraphicElement用于管理所有具有三维几何形态、可在界面可视化呈现的图形对象；BPNonGraphicElement则用于承载不直接显示但至关重要的非几何对象。

基于前文对山岭隧道衬砌构件进行的几何与工程语义解析，本文设计并实现一套基于BIMBase框架的专用数据结构，其核心类继承体系与详细属性定义如图5所示（图中在属性名称后的括号内明确标注了数据类型）。此体系中，首先从BPNonGraphicElement基类衍生出两个数据容器类，服务于参数化建模的数据驱动：LinerSection类，其核心职责是完整封装一个闭合隧道断面轮廓的几何定义与所有驱动参数；SweepRoute类，描述该断面轮廓沿隧道设计轴线扫掠以生成三维实体所需的路径信息。

定义BrTunnelElement抽象类作为所有隧道专业构件基类，此类继承自BPGraphicElement。由BrTunnelElement派生出直接表征“单层衬砌”的TunnelLiner类。该类是一个综合性数据容器，集成了驱动从参数化建模、自动生成二维工程图，到服务于后续施工模拟、运维管理等全生命周期各阶段应用所需的全部几何与非几何信息。

在轮廓定义类LinerSection中，SecTypeName属性是一个字符串，用于唯一标识衬砌断面工程类型（如“曲墙带仰拱式”“直墙式”等）。不同类型断面，其轮廓生成算法、所需驱动参数数量以及各参数几何语义均存在显著差异。为了以统一、灵活的数据结构适配此多样性，LinerSection类设计了DimArray属性。该属性采用double类型的动态数组存储构成特定断面轮廓的所有尺寸参数值，从而能够容纳不同算法所需的任意数量输入参数。

扫掠路径类SweepRoute核心属性构成如图6所示。其中，PointsArray属性是一个point3d类型的动态数组，它有序地存储了定义扫掠路径中心线的一系列三维空间控制点坐标。为精确控制扫掠体端部几何形态与衔接，该类还定义了StartTanVec和EndTanVec两个三维向量属性，分别指定路径起点与终点处的切线方向。

代表单层衬砌的TunnelLiner类，其Name属性用于标识衬砌名称（如“V级围岩初期支护”“二次衬砌”等），ConcreteGrade属性记录混凝土设计强度等级，StartBzlc和EndBzlc属性则精确标定该段衬砌的起止里程。在几何构成上，一个TunnelLiner实体由其内、外两道边界轮廓（分别由LinerSection类型的SectionInner和SectionOuter属性定义）沿一条指定空间路径（由SweepRoute类型的Route属性定义）扫掠而成。此外，考虑到山岭隧道衬砌断面常呈现内（二次衬砌内缘）、中（初期支护内缘或二次衬砌外缘）、外（初期支护外缘）多层轮廓同心共圆的特点，为在全局坐标系中精确定位该断面，在TunnelLiner类增设HorizontalOffset（水平偏移量）和VerticalOffset（竖向偏移量）两个double类型属性。这两个参数共同描述断面局部坐标系原点相对于隧道设计中线（或某一基准线）在水平面和竖直面上的投影距离，实现局部参数化模型与全局工程坐标的无缝关联。

3.3　山岭隧道单层衬砌结构三维几何建模

三维几何建模的核心，在于将几何语义解析与断面轮廓参数化设计算法成果，转化为具体三维实体。这一过程通过调用BIMBase内核层造型与运算接口实现。

山岭隧道单层衬砌结构三维参数化建模完整流程如图7所示，其具体实现步骤如下。

首先，需为每种预设断面轮廓形式开发独立的曲线生成函数。函数实现逻辑为：根据轮廓关键点的参数化坐标，实例化多个GePoint3d类型三维点对象；继而，利用IGeCurveBase接口提供的createEllipse（）（用于弧形段）和createSegment（）（用于直线段）方法，依次构造组成轮廓的各段曲线。为了将这些离散曲线段整合为一个完整的闭合轮廓，需要创建GeCurveArray类型对象。该对象作为IGeCurveBase子类，专用于管理曲线集合并能表征区域或截面。通过调用其add（）方法，将生成的弧线段与直线段逐一添加至集合中，最终将此GeCurveArray对象作为轮廓生成函数的返回值，从而封装完整的断面几何信息。

其次，扫掠路径空间曲线由路径控制点生成。通过访问衬砌构件Route属性的getValue（）接口，提取其存储的所有GePoint3d类型路径点。将这些点序列作为输入参数，传递给IGeCurveBase接口的createLineString（）方法，即可生成一条表征隧道中心线轨迹的GeCurveArray类型空间曲线。

第三步是内轮廓的定位与生成。程序读取当前衬砌构件的SectionInner属性，以确定内圈轮廓类型标识。根据该标识，调用第一步中对应的轮廓生成函数，在三维空间原点（XOY平面）创建出基础的内轮廓曲线。接着，结合构件属性中定义的HorizontalOffset和VerticalOffset（即局部坐标系原点相对于隧道设计基准线的偏移量），计算并生成一个GeTransform类型二维平移变换矩阵。调用轮廓曲线的setByTransform（）方法并传入该矩阵，即可将轮廓精确平移至正确平面位置。

第四步实现轮廓在三维空间的定向与放置。从Route属性的PointsArray数组获取扫掠路径起点坐标，并结合StartTanVec向量（定义路径起点的切线方向）。以此点和方向向量为参数，构造GeTransform类型的空间变换矩阵。再次调用轮廓曲线的setByTransform（）方法，此次传入三维变换矩阵，便可将平面轮廓移动并旋转至扫掠路径起点，并确保其断面与路径切线垂直，为后续扫掠做好准备。

第五步执行扫掠操作以生成实体。调用IGeSolidBase接口的createGeSweptBody（）成员函数，将已完成空间定位的内轮廓（作为截面）沿第二步生成的路径曲线扫掠，从而创建与隧道内圈对应的IGeSolidBase类型三维实心体模型，效果如图8所示。

最后一步是通过布尔运算生成空心衬砌。解析构件SectionOuter属性，重复执行上述第三至第五步，创建与外圈轮廓对应的三维实心体。随后，调用BIMBase引擎提供的BPSolidBooleanUtil工具类中doBoolean（）函数，对外圈实心体与内圈实心体执行布尔差运算（即外体“减”内体），最终生成准确表达工程实际的山岭隧道空心单层衬砌三维参数化模型。

3.4　交互式程序实现

本文基于国产BIMBase平台，开发铁路山岭隧道衬砌结构BIM正向设计软件模块。该模块以插件形式集成于BIMBase主程序环境，其主交互界面如图9所示。其核心特点如下：①知识化数据管理，采用可扩展的标记语言（如XML）格式，本地管理标准化数据，实现数据持久化保存，并构建可复用知识库；②全三维交互式正向设计，通过模型属性值与三维几何联动更新，确保设计过程“所见即所得”；③多工况模型适配，支持暗挖隧道（复合式衬砌）与明挖隧道（整体式衬砌）等多种工程工况的参数化建模需求；④一体化设计流程，实现从三维空间线位创建，到衬砌分段参数赋值，再到模型生成的完整闭环。

使用本软件进行山岭隧道衬砌BIM设计的标准操作流程如下：首先，基于线路设计资料创建或导入三维空间线位模型作为建模基准。随后，在软件交互界面，依次定义衬砌起止里程、指定初期支护与二次衬砌的混凝土强度等级、输入断面拱顶圆心相对于设计中线的水平与竖向偏移量等定位与属性参数。最后，从内置参数化断面库中选择匹配的衬砌类型并确认其他相关参数，软件即自动驱动几何引擎，生成精确的衬砌结构三维BIM模型。

衬砌参数化BIM建模的核心在于如何确定断面轮廓与扫掠路径两个属性值。对于断面轮廓，将用户选择的断面类型字符串赋予LinerSection类的SecTypeName属性，从本地硬盘提取尺寸参数数据，构成double类型数组，为LinerSection类的DimArray属性赋值。对于扫掠路径，程序在衬砌起、止里程范围内，根据建模精度要求按特定间距沿空间线位提取若干GePoint3d类型三维点集，调用SweepRoute类构造函数，生成衬砌扫掠路径对象。最后将断面轮廓与扫掠路径赋予衬砌组件实例，调用3.3节三维几何建模流程，完成衬砌参数化建模。

根据设计需要，如图10所示，用户选择某单层衬砌结构，在属性窗口修改参数值，程序自动更新三维几何及其属性值，得到最终设计成果。

4 结 语

（1） 提出一套系统性工程结构参数化建模方法与三维模型解构策略。该方法始于对铁路山岭隧道常用衬砌断面形式的工程化梳理与分类。在此基础上，对各类断面轮廓进行层级化解构与几何语义解析，并完成关键参数标准化定义。

（2） 建立断面设计参数与轮廓几何元素间的精确数学映射关系。将离散的工程参数转化为可计算的几何约束，最终形成一套独立于特定商业软件的通用断面轮廓参数化生成算法。

（3） 调用几何造型接口，构建单层衬砌结构维模型，验证所提算法的有效性与可行性，并证明了国产几何引擎具备支撑复杂基础设施工程造型的能力。

（4） 遵循铁路工程正向设计流程，进行BIMBase深入二次开发，形成衬砌结构专用BIM设计程序，实现从参数输入到三维建模的全过程，达到山岭隧道衬砌工程BIM正向设计目标。

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基金资助

中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划［N2023G080-A（JB）］

天津市自然科学基金资助项目(25YFYFFG 00310)

中国铁路设计集团有限公司科技研究开发计划项目(2025A0153803)