基于Bentley平臺的鐵路箱涵設(shè)計(jì)應(yīng)用研究

崔振宇

(軌道交通工程信息化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院),西安 710043)

BIM技術(shù)自誕生以來，最早應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，目前在建筑行業(yè)已有較為成功的應(yīng)用案例，并且有較為成熟的配套軟件支持[1]。在鐵路領(lǐng)域近幾年才有所嘗試，目前基本還處在探索研究階段[2]。

國外如美國、英國、法國等一些歐美國家在BIM軟件研發(fā)、應(yīng)用方面處于領(lǐng)先地位[3]，許多基于BIM理念、技術(shù)開發(fā)的系統(tǒng)軟件已有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢，如奔特力(Bentley)公司和歐特克(Autodesk)公司的BIM解決方案套件；法國的達(dá)索公司也緊隨其后，向用戶提供了一整套基于BIM理念的解決方案；除此之外，圖軟(Graphisoft)等也致力于本領(lǐng)域軟件系統(tǒng)的研究與開發(fā)。

BIM技術(shù)在軌道交通工程領(lǐng)域近幾年發(fā)展迅猛。許多業(yè)內(nèi)人士進(jìn)行了一些探討，如柳龍[4]利用Dynamo實(shí)現(xiàn)了橋梁BIM模型的快速創(chuàng)建。劉彥明[5]結(jié)合銀西高速鐵路項(xiàng)目，給出了Bentley平臺鐵路橋梁BIM設(shè)計(jì)系統(tǒng)開發(fā)的設(shè)計(jì)思想和主要技術(shù)特征。韓廣暉[6]等基于Microstation軟件的軌道交通梁式橋設(shè)計(jì)程序，實(shí)現(xiàn)了全橋模型的快速創(chuàng)建。齊成龍、張興華[7-9]進(jìn)行了基于達(dá)索3D體驗(yàn)平臺鐵路涵洞BIM建模的研究探索。

目前，現(xiàn)有的主流BIM軟件創(chuàng)建鐵路涵洞模型的方法基本相同，均是基于施工圖圖紙進(jìn)行翻模，即首先根據(jù)圖紙相關(guān)尺寸，創(chuàng)建不同實(shí)體，然后將構(gòu)件逐一拼裝成涵洞BIM模型。鐵路涵洞工程是鐵路工程的重要組成部分，一條鐵路干線涵洞工點(diǎn)眾多，逐一重復(fù)建模需耗費(fèi)大量時間和精力，這顯然是不科學(xué)、不經(jīng)濟(jì)的。本文旨在研究開發(fā)符合涵洞專業(yè)設(shè)計(jì)習(xí)慣和設(shè)計(jì)流程的輔助設(shè)計(jì)程序來完成規(guī)則涵洞的正向設(shè)計(jì)，讓計(jì)算機(jī)代替人工重復(fù)勞動，從而提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率。

1 BIM設(shè)計(jì)平臺選擇

鐵路工程與其他工程相比，具有點(diǎn)多線長、地質(zhì)復(fù)雜、不確定因素多、施工風(fēng)險(xiǎn)高等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)中遇見的問題紛繁復(fù)雜，并且涉及的數(shù)據(jù)種類較多、數(shù)據(jù)量較大[10]，因此迫切需要成熟的專業(yè)軟件來快速創(chuàng)建BIM模型。

現(xiàn)階段，Bentley、Autodesk和Dassault三家公司的軟件產(chǎn)品占據(jù)了大部分BIM軟件市場份額，它們均有各自的BIM系統(tǒng)平臺及數(shù)據(jù)交換接口，并提出各自的解決方案[11]。徐博[12]在基于BIM技術(shù)的鐵路工程正向設(shè)計(jì)方法研究中從三個平臺各自的解決方案、優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)等方面進(jìn)行詳細(xì)對比，研究發(fā)現(xiàn)從鐵路正向設(shè)計(jì)角度衡量，Bentley平臺對大體量長大帶狀模型支持能力強(qiáng)，各專業(yè)信息交互便捷，符合鐵路設(shè)計(jì)習(xí)慣。王婧[13]在基于BIM市場產(chǎn)品現(xiàn)狀的正向設(shè)計(jì)方案探索中，從承載能力與運(yùn)行速度、建模方式、模型庫及復(fù)雜界面的應(yīng)用、專業(yè)交互方式等角度出發(fā)對Revit與Bentley系列軟件進(jìn)行比選，得出Bentley系列產(chǎn)品具有信息存載量大、專業(yè)間交互便捷、更好的支持復(fù)雜模型建模等優(yōu)點(diǎn)的結(jié)論。因此選取Bentley平臺進(jìn)行BIM鐵路涵洞的正向設(shè)計(jì)研究。

2 開發(fā)環(huán)境及研究方案

2.1 開發(fā)環(huán)境選擇

鐵路行業(yè)的BIM解決方案應(yīng)該以路線設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)模型應(yīng)該依賴于路線模型，可直接與路線模型進(jìn)行信息交換和關(guān)聯(lián)修改。目前Bentley平臺三維路線設(shè)計(jì)軟件主要是PowerCivil，PowerCivil軟件具有以下優(yōu)點(diǎn)。

(1)對大體量模型的支持。

(2)線路設(shè)計(jì)和實(shí)體建模相結(jié)合。PowerCivil內(nèi)嵌MicroStation，不僅能完成三維線路設(shè)計(jì)建模，還能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)物的三維實(shí)體建模。

(3)集GIS/2D/3D/點(diǎn)云/渲染動畫等于一體。

(4)模型采用DGN格式，方便和Bentley其他軟件共享交換模型信息。

基于PowerCivil進(jìn)行鐵路涵洞BIM輔助設(shè)計(jì)程序的二次開發(fā)，具有較強(qiáng)的基礎(chǔ)優(yōu)勢和較好的發(fā)展前景。PowerCivil內(nèi)嵌的MicroStation提供了完全開放的API接口，包含MicroStation各類功能的接口函數(shù)，如二維繪圖、三維建模、標(biāo)注、文件處理、屬性管理等。

PowerCivil進(jìn)一步擴(kuò)充了MicroStation的二次開發(fā)接口，提供了CivilPlatform庫以支持土木對象的定義、修改等，如：通過CivilPlatform可便捷地獲得路線的平縱橫設(shè)計(jì)資料，創(chuàng)建或修改土木設(shè)計(jì)對象。

雖然PowerCivil是一個優(yōu)秀的土木交通領(lǐng)域的BIM軟件平臺，但針對涵洞及其附屬結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)還需要做進(jìn)一步開發(fā)和完善。

2.2 研究開發(fā)方案

本次研究同時用到了PowerPlatform和CivilPlatform，采用C++、C#、CLR多語言混合編程。研究方案如下。

(1)CivilFramework的架構(gòu)(圖1)

圖1 CivilFramework架構(gòu)

(2)CulvertBIM System架構(gòu)

程序?qū)⒃赑owerCivil的ObjectSpace中增加自己的Model和Objects(均派生于Entity)。基于“面向工程、面向涵洞、面向設(shè)計(jì)”的思想，構(gòu)建如圖2所示的結(jié)構(gòu)。

圖2 CulvertBIM System架構(gòu)

(3)整體架構(gòu)(圖3)

圖3 系統(tǒng)整體框架結(jié)構(gòu)

3 鐵路箱涵正向設(shè)計(jì)解決方案

鐵路設(shè)計(jì)通常會涉及眾多專業(yè)之間的相互協(xié)同，包括方案配合、資料互提、節(jié)點(diǎn)控制等[14]，因此鐵路BIM正向設(shè)計(jì)專業(yè)間的數(shù)據(jù)交互是關(guān)鍵[15]，鐵路箱涵的正向設(shè)計(jì)宜繼承上游專業(yè)模型和數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)成果能傳遞給相關(guān)下游專業(yè)并貫穿于整個設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維過程[16-17]。所以鐵路涵洞的設(shè)計(jì)，首先利用線路、地質(zhì)模型，進(jìn)行三維可視化人機(jī)交互創(chuàng)建涵洞模型，然后再根據(jù)審核意見修改、更新涵洞模型，最后進(jìn)行設(shè)計(jì)成果傳遞和應(yīng)用。

本次研究基于國內(nèi)鐵路涵洞最新通用參考圖，采用國內(nèi)工程師習(xí)慣的設(shè)計(jì)方式進(jìn)行快速BIM三維設(shè)計(jì)，并且直接與路線模型進(jìn)行信息交換和關(guān)聯(lián)修改，從而達(dá)到關(guān)聯(lián)一體化的目的?；诘匦文Ｐ图熬€路模型，利用涵洞設(shè)計(jì)計(jì)算成果，快速創(chuàng)建涵洞構(gòu)造模型，涵洞鋼筋模型、生成涵洞剖面圖紙、進(jìn)行工程量統(tǒng)計(jì)，大大提升了設(shè)計(jì)效率，實(shí)現(xiàn)了涵洞BIM正向設(shè)計(jì)。

3.1 涵洞構(gòu)造建模

鐵路涵洞BIM設(shè)計(jì)與路基、橋梁工程類似，均為特定形式斷面與線路按一定夾角有序的組合與拉伸。涵洞構(gòu)造建模過程如下。

(1)圖4所示為涵洞的設(shè)計(jì)計(jì)算界面，根據(jù)涵洞工點(diǎn)的中心里程、孔徑、斜交角度、凈高、路基坡率、高程、預(yù)拱度、鋪砌類型等信息進(jìn)行涵洞設(shè)計(jì)計(jì)算，得出涵身、翼墻、溝床鋪砌、錐體的相關(guān)幾何尺寸及高程信息。為了方便創(chuàng)建涵洞模型，把涵洞的相關(guān)信息和設(shè)計(jì)計(jì)算成果按照如圖5所示的固定格式進(jìn)行整理。

圖4 涵洞設(shè)計(jì)界面

圖5 涵洞設(shè)計(jì)計(jì)算成果

(2)創(chuàng)建涵洞所需的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件庫[18]，涵洞的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件庫包括涵身、翼墻、錐體、基礎(chǔ)、鋪砌等。

(3)讀取設(shè)計(jì)成果中的相關(guān)信息(如：涵節(jié)長度、涵節(jié)高程、相關(guān)尺寸等)，確定相關(guān)各部分構(gòu)造的尺寸參數(shù)及相對坐標(biāo)，然后創(chuàng)建涵洞構(gòu)造模型。涵洞構(gòu)造模型如圖6所示。

圖6 涵洞構(gòu)造模型

3.2 涵洞鋼筋建模

涵洞鋼筋BIM模型是涵洞建模的重點(diǎn)和難點(diǎn)。鐵路涵洞按不同孔徑、斜交角度、涵洞凈高及填土高分級，劃分為622種涵洞類型。

歸納所有的涵洞類型，劃分出16種鋼筋類型。在涵洞每個涵節(jié)構(gòu)造中建立局部空間坐標(biāo)系，對涵洞橫向鋼筋類型精確計(jì)算節(jié)點(diǎn)空間坐標(biāo)，以XZ坐標(biāo)節(jié)點(diǎn)連線控制鋼筋大樣，以YZ坐標(biāo)控制鋼筋分布，對涵洞縱向鋼筋類型采用X、Y軸對調(diào)處理，進(jìn)而實(shí)例化創(chuàng)建涵洞鋼筋模型。涵洞鋼筋模型如圖7、圖8所示。

圖7 涵洞鋼筋模型(一)

圖8 涵洞鋼筋模型(二)

目前，二維鋼筋圖紙中只能表達(dá)鋼筋在平面上的相互位置，本次研究在空間上對鋼筋位置進(jìn)行描述，通過碰撞檢查、深化設(shè)計(jì)[19-20]，校正二維設(shè)計(jì)中的部分錯誤，提高了設(shè)計(jì)精度。深化設(shè)計(jì)后的涵洞鋼筋如圖9所示。

圖9 涵洞鋼筋局部

3.3 涵洞圖紙生成

Bentley軟件可以實(shí)現(xiàn)三維模型和二維圖紙的關(guān)聯(lián)，但是所生成的二維圖紙與鐵路工程施工圖的要求有較大差異。本次研究基于Bentley軟件的剖切功能，對Bentley軟件自帶的出圖功能進(jìn)行二次開發(fā)優(yōu)化，使其能直接生成符合鐵路涵洞施工圖紙要求的二維圖紙。

3.4 涵洞工程量統(tǒng)計(jì)

PowerCivil軟件具有一定的工程數(shù)量計(jì)算和統(tǒng)計(jì)功能，該軟件能實(shí)現(xiàn)體積、數(shù)量、質(zhì)量的統(tǒng)計(jì)，但是統(tǒng)計(jì)形式比較簡單，項(xiàng)目類型離散，尚不能滿足實(shí)際工程需求，需根據(jù)鐵路涵洞專業(yè)特點(diǎn)及施工圖要求對軟件進(jìn)行二次開發(fā)。整理了各種鋼筋類型鋼筋大樣的出圖形式，同時規(guī)定了涵洞工程數(shù)量表的項(xiàng)目、格式、字體類型、統(tǒng)計(jì)精度等，形成滿足實(shí)際工程要求的鋼筋大樣圖及工程量統(tǒng)計(jì)表。如圖10所示。

圖10 涵洞鋼筋大樣圖及數(shù)量表

需要指出的是，目前鐵路涵洞二維施工圖中鋼筋數(shù)量是根據(jù)涵洞參考圖中單延米涵節(jié)所含的鋼筋數(shù)量與涵長計(jì)算所得。本次研究的工程量統(tǒng)計(jì)是基于涵洞構(gòu)造模型與鋼筋模型進(jìn)行屬性查詢，此方法相較于原施工圖的人工簡單數(shù)值計(jì)算更加準(zhǔn)確[21-22]。同時本次研究涵洞涵身的工程量可以分別以單延米工程量、單涵節(jié)工程量和涵洞總體工程量3種形式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，使涵洞施工時鋼筋放樣及物料管理更加便捷、高效、合理。

3.5 研究特點(diǎn)

本研究的特點(diǎn)如下。

(1)參數(shù)化和特征化

參數(shù)化是涵洞設(shè)計(jì)建模的基礎(chǔ)，本次研究既實(shí)現(xiàn)涵洞構(gòu)件的參數(shù)化，也實(shí)現(xiàn)常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)化涵洞的參數(shù)化。本次研究按工程設(shè)計(jì)習(xí)慣實(shí)現(xiàn)涵洞設(shè)計(jì)建模，將涵洞構(gòu)件特征化，即用真正工程含義的構(gòu)件來定義設(shè)計(jì)對象，如涵身、基礎(chǔ)、翼墻、鋪砌等等。參數(shù)化的模型才是最終滿足BIM全生命周期要求的信息模型。

同時本次研究實(shí)現(xiàn)工程屬性信息與三維模型綁定，既可以通過三維模型迅速找到工程對象的所有信息，也可以通過三維模型在全生命周期中傳遞相關(guān)信息。

(2)標(biāo)準(zhǔn)化和批量化

雖然涵洞設(shè)計(jì)難度不大，但其重復(fù)工作多，工作量大，標(biāo)準(zhǔn)化程度高。因此提高設(shè)計(jì)效率，保證設(shè)計(jì)質(zhì)量，是涵洞BIM應(yīng)用要重點(diǎn)解決的問題。本次研究針對涵洞工程，保證設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化，提升設(shè)計(jì)質(zhì)量。

(3)一體化和關(guān)聯(lián)化

本次研究實(shí)現(xiàn)涵洞與線路之間、涵洞各個構(gòu)件之間、三維鋼筋模型與構(gòu)造模型之間相互關(guān)聯(lián)，保證設(shè)計(jì)的快速完成。三維模型可直接生成相應(yīng)的斷面圖紙，當(dāng)構(gòu)造模型調(diào)整時，可及時變更相應(yīng)的三維鋼筋模型，實(shí)時計(jì)算詳細(xì)的工程數(shù)量，實(shí)時更新對應(yīng)的二維圖紙。

4 實(shí)際工程應(yīng)用

以包銀高鐵DK463+500～DK497+300為試點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。涵洞工點(diǎn)設(shè)計(jì)應(yīng)用傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)與三維BIM設(shè)計(jì)分別進(jìn)行，三維BIM設(shè)計(jì)與二維設(shè)計(jì)鋼筋工程量統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。從表格中得出涵洞依據(jù)孔徑、斜交角度、凈高和涵洞長度不同，二維設(shè)計(jì)與三維設(shè)計(jì)的鋼筋數(shù)量誤差也不相同，主要原因如下。

(1)二維設(shè)計(jì)與三維BIM設(shè)計(jì)的工程量計(jì)算方式不同。二維設(shè)計(jì)是人工簡單數(shù)值計(jì)算，三維BIM設(shè)計(jì)是以模型為基礎(chǔ)，利用計(jì)算機(jī)快速讀取模型屬性信息，因此三維BIM設(shè)計(jì)工程量計(jì)算更為準(zhǔn)確。

(2)二維設(shè)計(jì)鋼筋只能表達(dá)平面上的相互位置，存在鋼筋之間相互碰撞，三維BIM設(shè)計(jì)充分考慮空間相互位置關(guān)系，進(jìn)行碰撞檢查，調(diào)整鋼筋位置，使鋼筋布置更加合理。因此二維設(shè)計(jì)與三維BIM設(shè)計(jì)鋼筋數(shù)量存在一定誤差。

(3)二維設(shè)計(jì)中部分箍筋、拉筋是利用含筋量進(jìn)行估算，三維BIM設(shè)計(jì)對每根箍筋、拉筋的位置和長度進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，因此三維BIM設(shè)計(jì)更加精確。

(4)鐵路涵洞通用參考圖中存在一些人為錯誤，如孔徑1～2.5 m、填土高3 m

三維BIM設(shè)計(jì)通過碰撞檢查、深化設(shè)計(jì)進(jìn)行了鋼筋調(diào)整，減少了鋼筋之間、鋼筋與預(yù)埋件之間的碰撞。同時三維BIM設(shè)計(jì)對每根箍筋、拉筋的位置和長度進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，使箍筋、拉筋計(jì)算更加準(zhǔn)確。因此，三維BIM設(shè)計(jì)在鋼筋布置及鋼筋工程量計(jì)算中更加合理。

表1 測試段涵洞工點(diǎn)

5 結(jié)論

(1)研究結(jié)合鐵路涵洞工程特點(diǎn)，通過對目前市場主流BIM軟件平臺分析，其中Bentley平臺對大體量長大帶狀模型支持能力強(qiáng)，各專業(yè)信息交互便捷，符合鐵路設(shè)計(jì)習(xí)慣。因此基于Bentley平臺進(jìn)行鐵路涵洞工程BIM應(yīng)用軟件開發(fā)是合適的。

(2)BIM正向設(shè)計(jì)與“施工圖翻?！苯厝徊煌?。鐵路箱涵的BIM正向設(shè)計(jì)需繼承上游專業(yè)(如線路專業(yè)、地質(zhì)專業(yè))的模型和數(shù)據(jù)，利用涵洞設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行三維可視化人機(jī)交互創(chuàng)建涵洞模型，再根據(jù)涵洞模型出圖算量，最后涵洞設(shè)計(jì)成果能傳遞給相關(guān)下游專業(yè)并貫穿于整個設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維過程。

(3)研究開發(fā)的涵洞BIM設(shè)計(jì)輔助程序符合專業(yè)設(shè)計(jì)習(xí)慣和設(shè)計(jì)流程，讓計(jì)算機(jī)代替人工重復(fù)建模，并且能夠快速生成二維圖紙、統(tǒng)計(jì)工程數(shù)量，大大提高設(shè)計(jì)效率。同時基于涵洞BIM模型能夠更加清晰、直觀地發(fā)現(xiàn)二維設(shè)計(jì)中的不足，有效提升設(shè)計(jì)質(zhì)量。

(4)研究成果在包銀高鐵項(xiàng)目中得到實(shí)踐應(yīng)用，能大大提升涵洞建模效率，與此同時，通過碰撞檢查、深化設(shè)計(jì)完善了二維設(shè)計(jì)中的一些不足，提升了設(shè)計(jì)質(zhì)量。