基于BIM技術(shù)的涵洞一體化設(shè)計(jì)應(yīng)用研究

石魯寧 張忠良 王勇軍 李 純 張 弛

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

1 概述

1.1 國外研究現(xiàn)狀

BIM技術(shù)在國際上屬于一個嶄新且前沿的學(xué)科。隨著近年來計(jì)算機(jī)軟硬件水平的大幅提高，BIM技術(shù)逐漸在土木工程領(lǐng)域受到重視和應(yīng)用[1-3]。

2003年，美國總務(wù)管理局推出了“國家3D-4D-BIM計(jì)劃”，并發(fā)布了一系列BIM指南[4]。從2007年到2012年，美國建筑領(lǐng)域的BIM應(yīng)用比例已經(jīng)從27%增長到71%。目前，北美建筑領(lǐng)域有超過50%的公司在使用BIM技術(shù)[5-6]。

英國發(fā)布了“政府建設(shè)戰(zhàn)略”，計(jì)劃到2016年實(shí)現(xiàn)3D-BIM的全面協(xié)同設(shè)計(jì)。在歐洲其它國家，BIM技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于建筑領(lǐng)域的各個分支。2016年，全球運(yùn)輸工程咨詢公司Ineco在英國高鐵二號線(HS2)采用Bentley BIM技術(shù)構(gòu)建地形模型，優(yōu)化軌道線形，實(shí)現(xiàn)了協(xié)同設(shè)計(jì)。

新加坡建筑管理署發(fā)布了新加坡BIM發(fā)展路線規(guī)劃，并制定了相關(guān)政策保證其實(shí)施。韓國公共采購服務(wù)中心發(fā)布了《設(shè)施管理BIM應(yīng)用指南》，對BIM技術(shù)的可視化、施工準(zhǔn)確化和運(yùn)維標(biāo)準(zhǔn)化提出了具體要求[7-9]。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

直到2002年，國內(nèi)才接觸BIM技術(shù)。近年來，通過國內(nèi)眾多學(xué)者的不懈努力以及政府部門的大力支持，國內(nèi)BIM技術(shù)的發(fā)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(shù)的優(yōu)勢。2010年，朱江將BIM技術(shù)應(yīng)用到鐵路工程中，并詳細(xì)介紹了鐵路BIM技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢。

2013年，中鐵二院開展大瑞鐵路BIM綜合應(yīng)用研究，以怒江四線特大橋和高黎貢山隧道為工程試點(diǎn)，進(jìn)行多專業(yè)的三維協(xié)同設(shè)計(jì)和建設(shè)管理BIM綜合應(yīng)用。

2015年以來，中國鐵路BIM聯(lián)盟先后發(fā)布了《鐵路工程實(shí)體結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)》等BIM技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，極大地推進(jìn)了鐵路BIM技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用[15-16]。

鐵路工程BIM的應(yīng)用多針對于復(fù)雜工點(diǎn)的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營管理，但是缺乏針對鐵路涵洞的三維設(shè)計(jì)產(chǎn)品。為了促進(jìn)BIM技術(shù)在鐵路涵洞設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，提高涵洞設(shè)計(jì)效率，有必要開發(fā)一套涵洞三維可視化和參數(shù)化批量設(shè)計(jì)程序，實(shí)現(xiàn)鐵路涵洞一體化設(shè)計(jì)。

2 涵洞一體化設(shè)計(jì)

2.1 模型創(chuàng)建思路

為了實(shí)現(xiàn)涵洞的參數(shù)化設(shè)計(jì)，需要根據(jù)涵洞各構(gòu)件幾何形狀創(chuàng)建參數(shù)化構(gòu)件，主要包括：涵節(jié)、涵洞基礎(chǔ)、翼墻、翼墻基礎(chǔ)、出入口、出入口墊層、帽石、錐體、泄床等?？筛鶕?jù)鐵路涵洞二維圖紙信息確定涵洞幾何輪廓表達(dá)的獨(dú)立參數(shù)及中間參數(shù)；再根據(jù)獨(dú)立參數(shù)和中間參數(shù)確定涵洞各構(gòu)件的布置原則，其關(guān)鍵技術(shù)是尋求一組獨(dú)立參數(shù)及中間參數(shù)，使其能完整地表達(dá)涵洞各構(gòu)件的尺寸信息及構(gòu)件間相互約束信息。

2.2 構(gòu)件參數(shù)化

利用獨(dú)立參數(shù)和中間參數(shù)創(chuàng)建涵洞構(gòu)件參數(shù)化模型，如圖1～圖2所示。

圖1 涵節(jié)參數(shù)化構(gòu)件

圖2 翼墻參數(shù)化構(gòu)件

2.3 一體化設(shè)計(jì)

基于MicroStation CONNECT Edition軟件的Add in二次開發(fā)功能，利用C#語言編程，完成“鐵路涵洞一體化設(shè)計(jì)程序”的截面搭建和功能實(shí)現(xiàn)。該軟件可實(shí)現(xiàn)涵洞構(gòu)件的圖層自動創(chuàng)建、涵洞模型全參數(shù)化創(chuàng)建、涵洞加固樁創(chuàng)建、受力和配筋計(jì)算、圖紙輸出和工程量統(tǒng)計(jì)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(shè)計(jì)程序主界面

基于BIM的涵洞三維參數(shù)化模型程序界面如圖4所示，該程序?qū)⒑慈开?dú)立參數(shù)分為角度參數(shù)、縱向參數(shù)、扶手參數(shù)、翼墻基礎(chǔ)參數(shù)、厚度參數(shù)、翼墻高度參數(shù)等。可根據(jù)輸入的參數(shù)值自動驅(qū)動參數(shù)化構(gòu)件，創(chuàng)建全參數(shù)化涵洞模型，并將設(shè)計(jì)參數(shù)傳入計(jì)算模型，完成涵洞的配筋計(jì)算。另外，通過調(diào)整獨(dú)立參數(shù)，可方便快捷地生成相應(yīng)的三維涵洞可視化模型。

圖4 涵洞參數(shù)化建模主界面

2.4 涵洞一體化設(shè)計(jì)成果

由涵洞一體化設(shè)計(jì)軟件生成的三維涵洞模型如圖5所示，涵洞模型細(xì)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(yīng)的出圖和工程量統(tǒng)計(jì)工作。

圖5 涵洞整體模型

圖6 涵洞模型細(xì)部

圖7為通過二次開發(fā)賦予涵節(jié)的非幾何屬性信息示意(采用MicroStation CONNECT Edition最先進(jìn)的EC Scheme方式創(chuàng)建)，設(shè)計(jì)者可隨時(shí)查詢屬性信息，也可將屬性信息按規(guī)則讀取到涵洞模型信息庫，并根據(jù)IFD編碼和涵洞工程量統(tǒng)計(jì)表輸出涵洞的主要工程數(shù)量。

圖7 涵節(jié)屬性信息示意

利用BIM三維模型，通過二次開發(fā)，創(chuàng)建涵洞的平、立、剖面以及圖紙標(biāo)注工具，實(shí)現(xiàn)涵洞圖紙的自動生成，最終實(shí)現(xiàn)鐵路涵洞一體化設(shè)計(jì)作業(yè)。

3 涵洞數(shù)據(jù)管理

3.1 信息依據(jù)

數(shù)據(jù)管理主要涉及構(gòu)件信息分類和編碼、構(gòu)件數(shù)學(xué)參數(shù)表達(dá)、數(shù)據(jù)庫架構(gòu)和編程等方面的內(nèi)容。其中，構(gòu)件信息分類和編碼的內(nèi)容主要包括：①根據(jù)鐵路BIM聯(lián)盟《鐵路工程信息模型分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)》，開展涵洞構(gòu)件顆粒度IFD編碼的拓展；依據(jù)53構(gòu)件表、54工項(xiàng)表、58材料表、59特性表，對涵洞構(gòu)件進(jìn)行結(jié)構(gòu)化編碼。②根據(jù)涵洞工程數(shù)量統(tǒng)計(jì)的需要，對涵洞各構(gòu)件的非幾何屬性內(nèi)容進(jìn)行梳理，創(chuàng)建非幾何屬性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；將各構(gòu)件非幾何信息進(jìn)行細(xì)化和分類管理，形成完備、結(jié)構(gòu)化、便于檢索的涵洞模型信息數(shù)據(jù)庫，并編寫涵洞模型信息數(shù)據(jù)檢索標(biāo)準(zhǔn)，形成一套鐵路涵洞信息管理體系。③根據(jù)鐵路BIM聯(lián)盟規(guī)范《鐵路工程信息模型表達(dá)標(biāo)準(zhǔn)》，對涵洞構(gòu)件工程數(shù)量項(xiàng)進(jìn)行分類、分層和梳理，并結(jié)合《鐵路橋涵工程預(yù)算定額》(2017版)，對涵洞的各項(xiàng)工程量進(jìn)行比對，實(shí)現(xiàn)IFD編碼與定額編碼的一一對應(yīng)。

圖8 模型信息示意

3.2 信息庫架構(gòu)

根據(jù)前期調(diào)研初選，對MySQL、SQL Server、 Sybase、Access、Oracle等幾種關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行存儲容量、存儲效率、檢索速度、穩(wěn)定性、安全性等方面指標(biāo)的對比，選定讀寫速度快、檢算效率高的SQL Server作為本項(xiàng)目的數(shù)據(jù)庫。在涵洞信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方面，采用了BTree數(shù)據(jù)檢索方法。BTree(多路徑平衡搜索樹)是一種常見類型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以有效降低信息定位的耗時(shí)，提高數(shù)據(jù)的存儲和讀取速度。其邏輯結(jié)構(gòu)為一顆N叉平衡樹，每列中Distinct Key都對應(yīng)一個RIDs(Row IDentifiers)數(shù)組。樹狀分叉結(jié)構(gòu)在高頻率信息的更新方面具有優(yōu)勢，適用于高速鐵路涵洞設(shè)計(jì)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(jìn)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(jìn)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(jié)點(diǎn)添加冗余的數(shù)據(jù)。該方法中，將節(jié)點(diǎn)間的鏈接分為兩種不同方式，紅色鏈用來關(guān)聯(lián)兩個2-nodes節(jié)點(diǎn)，黑色鏈用來關(guān)聯(lián)普通的2-3節(jié)點(diǎn)。也可用紅色鏈接的兩個2-nodes來表示一個3-nodes節(jié)點(diǎn)，并且向左傾斜，即一個2-node是另一個2-node的左子節(jié)點(diǎn)。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(nèi)容：基于MicroStation CONNECT Edition軟件的Add in進(jìn)行二次開發(fā)，采用C#語言進(jìn)行編程，根據(jù)二次開發(fā)類庫，完成涵洞參數(shù)化模型的驅(qū)動、涵洞模型的自動創(chuàng)建、圖紙標(biāo)注、輸出功能開發(fā)、數(shù)據(jù)庫存儲、檢索算法編寫等。此外，還需完成軟件界面的架構(gòu)，以及整個涵洞一體化設(shè)計(jì)程序調(diào)試等工作。

4 結(jié)論

鐵路涵洞一體化設(shè)計(jì)程序能夠進(jìn)行鐵路涵洞構(gòu)件顆粒度的分類和編碼，以及對構(gòu)件非幾何屬性進(jìn)行細(xì)化，形成完備、結(jié)構(gòu)化、便于檢索的涵洞模型信息數(shù)據(jù)庫；根據(jù)涵洞構(gòu)件幾何特點(diǎn)創(chuàng)建全參數(shù)化涵洞模型庫，并通過構(gòu)件編碼與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行關(guān)聯(lián)，輸出涵洞主要工程數(shù)量。最后，基于涵洞BIM模型和軟件剖面功能，通過二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)涵洞平、立、剖面概圖的自動生成，配筋的自動計(jì)算和鋼筋圖的輸出?；诒境绦颍蓪?shí)現(xiàn)涵洞的三維可視化和參數(shù)化批量設(shè)計(jì)，有效減少涵洞變更引起的設(shè)計(jì)工作量，實(shí)現(xiàn)涵洞計(jì)算、出圖、工程量統(tǒng)計(jì)的一體化，減少實(shí)際鐵路工程中涵洞設(shè)計(jì)人力資源的投入，提高涵洞的設(shè)計(jì)生產(chǎn)效率。