基于BIM技術的涵洞一體化設計應用研究

石魯寧 張忠良 王勇軍 李 純 張 弛

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 概述

1.1 國外研究現狀

BIM技術在國際上屬于一個嶄新且前沿的學科。隨著近年來計算機軟硬件水平的大幅提高，BIM技術逐漸在土木工程領域受到重視和應用[1-3]。

2003年，美國總務管理局推出了“國家3D-4D-BIM計劃”，并發布了一系列BIM指南[4]。從2007年到2012年，美國建筑領域的BIM應用比例已經從27%增長到71%。目前，北美建筑領域有超過50%的公司在使用BIM技術[5-6]。

英國發布了“政府建設戰略”，計劃到2016年實現3D-BIM的全面協同設計。在歐洲其它國家，BIM技術已經廣泛應用于建筑領域的各個分支。2016年，全球運輸工程咨詢公司Ineco在英國高鐵二號線(HS2)采用Bentley BIM技術構建地形模型，優化軌道線形，實現了協同設計。

新加坡建筑管理署發布了新加坡BIM發展路線規劃，并制定了相關政策保證其實施。韓國公共采購服務中心發布了《設施管理BIM應用指南》，對BIM技術的可視化、施工準確化和運維標準化提出了具體要求[7-9]。

1.2 國內研究現狀

直到2002年，國內才接觸BIM技術。近年來，通過國內眾多學者的不懈努力以及政府部門的大力支持，國內BIM技術的發展也取得了不少成果[10-14]。

2004年，葛松培等將BIM的概念引入到建筑工程中，并介紹了BIM技術的優勢。2010年，朱江將BIM技術應用到鐵路工程中，并詳細介紹了鐵路BIM技術的應用優勢。

2013年，中鐵二院開展大瑞鐵路BIM綜合應用研究，以怒江四線特大橋和高黎貢山隧道為工程試點，進行多專業的三維協同設計和建設管理BIM綜合應用。

2015年以來，中國鐵路BIM聯盟先后發布了《鐵路工程實體結構分解指南》、《鐵路工程信息模型分類和編碼》、《鐵路工程信息模型數據存儲標準》等BIM技術標準，極大地推進了鐵路BIM技術的發展和應用[15-16]。

鐵路工程BIM的應用多針對于復雜工點的設計、施工和運營管理，但是缺乏針對鐵路涵洞的三維設計產品。為了促進BIM技術在鐵路涵洞設計中的應用，提高涵洞設計效率，有必要開發一套涵洞三維可視化和參數化批量設計程序，實現鐵路涵洞一體化設計。

2 涵洞一體化設計

2.1 模型創建思路

為了實現涵洞的參數化設計，需要根據涵洞各構件幾何形狀創建參數化構件，主要包括：涵節、涵洞基礎、翼墻、翼墻基礎、出入口、出入口墊層、帽石、錐體、泄床等。可根據鐵路涵洞二維圖紙信息確定涵洞幾何輪廓表達的獨立參數及中間參數；再根據獨立參數和中間參數確定涵洞各構件的布置原則，其關鍵技術是尋求一組獨立參數及中間參數，使其能完整地表達涵洞各構件的尺寸信息及構件間相互約束信息。

2.2 構件參數化

利用獨立參數和中間參數創建涵洞構件參數化模型，如圖1～圖2所示。

圖1 涵節參數化構件

圖2 翼墻參數化構件

2.3 一體化設計

基于MicroStation CONNECT Edition軟件的Add in二次開發功能，利用C#語言編程，完成“鐵路涵洞一體化設計程序”的截面搭建和功能實現。該軟件可實現涵洞構件的圖層自動創建、涵洞模型全參數化創建、涵洞加固樁創建、受力和配筋計算、圖紙輸出和工程量統計等功能，初步搭建的軟件主界面如圖3所示。

圖3 涵洞一體化設計程序主界面

基于BIM的涵洞三維參數化模型程序界面如圖4所示，該程序將涵洞全部獨立參數分為角度參數、縱向參數、扶手參數、翼墻基礎參數、厚度參數、翼墻高度參數等。可根據輸入的參數值自動驅動參數化構件，創建全參數化涵洞模型，并將設計參數傳入計算模型，完成涵洞的配筋計算。另外，通過調整獨立參數，可方便快捷地生成相應的三維涵洞可視化模型。

圖4 涵洞參數化建模主界面

2.4 涵洞一體化設計成果

由涵洞一體化設計軟件生成的三維涵洞模型如圖5所示，涵洞模型細部及涵洞分層信息如圖6所示。利用涵洞BIM模型，可開展相應的出圖和工程量統計工作。

圖5 涵洞整體模型

圖6 涵洞模型細部

圖7為通過二次開發賦予涵節的非幾何屬性信息示意(采用MicroStation CONNECT Edition最先進的EC Scheme方式創建)，設計者可隨時查詢屬性信息，也可將屬性信息按規則讀取到涵洞模型信息庫，并根據IFD編碼和涵洞工程量統計表輸出涵洞的主要工程數量。

圖7 涵節屬性信息示意

利用BIM三維模型，通過二次開發，創建涵洞的平、立、剖面以及圖紙標注工具，實現涵洞圖紙的自動生成，最終實現鐵路涵洞一體化設計作業。

3 涵洞數據管理

3.1 信息依據

數據管理主要涉及構件信息分類和編碼、構件數學參數表達、數據庫架構和編程等方面的內容。其中，構件信息分類和編碼的內容主要包括：①根據鐵路BIM聯盟《鐵路工程信息模型分類和編碼標準》，開展涵洞構件顆粒度IFD編碼的拓展；依據53構件表、54工項表、58材料表、59特性表，對涵洞構件進行結構化編碼。②根據涵洞工程數量統計的需要，對涵洞各構件的非幾何屬性內容進行梳理，創建非幾何屬性數據結構；將各構件非幾何信息進行細化和分類管理，形成完備、結構化、便于檢索的涵洞模型信息數據庫，并編寫涵洞模型信息數據檢索標準，形成一套鐵路涵洞信息管理體系。③根據鐵路BIM聯盟規范《鐵路工程信息模型表達標準》，對涵洞構件工程數量項進行分類、分層和梳理，并結合《鐵路橋涵工程預算定額》(2017版)，對涵洞的各項工程量進行比對，實現IFD編碼與定額編碼的一一對應。

圖8 模型信息示意

3.2 信息庫架構

根據前期調研初選，對MySQL、SQL Server、 Sybase、Access、Oracle等幾種關系型數據庫，進行存儲容量、存儲效率、檢索速度、穩定性、安全性等方面指標的對比，選定讀寫速度快、檢算效率高的SQL Server作為本項目的數據庫。在涵洞信息的數據結構方面，采用了BTree數據檢索方法。BTree(多路徑平衡搜索樹)是一種常見類型的數據結構，可以有效降低信息定位的耗時，提高數據的存儲和讀取速度。其邏輯結構為一顆N叉平衡樹，每列中Distinct Key都對應一個RIDs(Row IDentifiers)數組。樹狀分叉結構在高頻率信息的更新方面具有優勢，適用于高速鐵路涵洞設計和變更信息的存儲。在涵洞信息檢索方面，選定紅黑樹信息查找方法(Red-Black Tree)對涵洞信息進行檢算。紅黑樹信息查找方法的基本思路為：對2-3查找樹進行分類編碼(涵洞信息采用IFD編碼)，對2-3查找樹中的3-nodes節點添加冗余的數據。該方法中，將節點間的鏈接分為兩種不同方式，紅色鏈用來關聯兩個2-nodes節點，黑色鏈用來關聯普通的2-3節點。也可用紅色鏈接的兩個2-nodes來表示一個3-nodes節點，并且向左傾斜，即一個2-node是另一個2-node的左子節點。這種方式的好處是查找過程中不用做任何修改，如圖9所示。

圖9 Red-Black Tree檢索示意

編程方面的主要研究內容：基于MicroStation CONNECT Edition軟件的Add in進行二次開發，采用C#語言進行編程，根據二次開發類庫，完成涵洞參數化模型的驅動、涵洞模型的自動創建、圖紙標注、輸出功能開發、數據庫存儲、檢索算法編寫等。此外，還需完成軟件界面的架構，以及整個涵洞一體化設計程序調試等工作。

4 結論

鐵路涵洞一體化設計程序能夠進行鐵路涵洞構件顆粒度的分類和編碼，以及對構件非幾何屬性進行細化，形成完備、結構化、便于檢索的涵洞模型信息數據庫；根據涵洞構件幾何特點創建全參數化涵洞模型庫，并通過構件編碼與數據庫進行關聯，輸出涵洞主要工程數量。最后，基于涵洞BIM模型和軟件剖面功能，通過二次開發，實現涵洞平、立、剖面概圖的自動生成，配筋的自動計算和鋼筋圖的輸出。基于本程序，可實現涵洞的三維可視化和參數化批量設計，有效減少涵洞變更引起的設計工作量，實現涵洞計算、出圖、工程量統計的一體化，減少實際鐵路工程中涵洞設計人力資源的投入，提高涵洞的設計生產效率。