基于BIM技術(shù)的軌道交通橋梁工程量計(jì)算

韓廣暉

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

1 概述

在2D設(shè)計(jì)時(shí)代，工程數(shù)量計(jì)算多以CAD二維圖紙為基礎(chǔ)，計(jì)算機(jī)不能直接識(shí)別圖中所包含的設(shè)計(jì)信息，需要依靠人工或?qū)I(yè)造價(jià)軟件進(jìn)行計(jì)算[4]。在這個(gè)過(guò)程中，都需要對(duì)設(shè)計(jì)信息進(jìn)行一次傳遞，當(dāng)設(shè)計(jì)信息發(fā)生變化時(shí)，這種傳遞方式會(huì)使工程量計(jì)算出現(xiàn)滯后，拉長(zhǎng)設(shè)計(jì)周期。在3D設(shè)計(jì)時(shí)代，工程數(shù)量計(jì)算以模型為基礎(chǔ)，模型承載了設(shè)計(jì)信息，這些信息可以被計(jì)算機(jī)方便快速地讀取，相較于2D設(shè)計(jì)，減少了設(shè)計(jì)信息傳遞的環(huán)節(jié)。當(dāng)設(shè)計(jì)發(fā)生變化時(shí)，模型承載的設(shè)計(jì)信息會(huì)同時(shí)更新[5]。林韓涵等[8]開發(fā)了能夠輸出符合清單規(guī)則的構(gòu)件工程數(shù)量插件，并論證了BIM設(shè)計(jì)軟件輸出工程量清單的可行性。楊國(guó)偉等研究了基于BIM的軌道交通工程量計(jì)算及投資控制方法，實(shí)現(xiàn)了工程量的精確計(jì)算、工程量可溯源及動(dòng)態(tài)的投資控制[10-11]。劉為等[12]將BIM算量應(yīng)用于高層住宅樓中，證明應(yīng)用BIM模型算量可以避免工程算量的二次建模。付歡等[13]基于IFC標(biāo)準(zhǔn)，建立構(gòu)件與量、價(jià)的關(guān)系，構(gòu)建BIM設(shè)計(jì)、BIM預(yù)算與BIM造價(jià)管理的完整表達(dá)。王亮等[14]利用Revit模型和“廣聯(lián)達(dá)土建算量軟件”對(duì)BIM工程量信息與施工預(yù)算模型的有效對(duì)接和傳遞進(jìn)行研究?？锼加鸬萚15]分析了IFC標(biāo)準(zhǔn)中典型梁柱構(gòu)件幾何信息、關(guān)聯(lián)信息的描述方法，借助幾何方程實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)重疊體積的計(jì)算，得到符合我國(guó)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的混凝土工程量。

以模型為基礎(chǔ)的工程量計(jì)算方式對(duì)模型的精確度和信息的完善度均有較高的要求，如模型不準(zhǔn)確或信息完善程度不夠，將極大地影響工程數(shù)量的計(jì)算。故在模型成熟度較高的情況下，BIM信息模型的價(jià)值才能真正顯現(xiàn)。若采從二維圖紙翻模到BIM信息模型，而不是設(shè)計(jì)之初就采用BIM信息模型，此種工作流程下所經(jīng)歷的數(shù)據(jù)傳遞，比基于圖紙的工程量計(jì)算方式還要多一次(從圖紙到模型的轉(zhuǎn)換過(guò)程)。隨著信息傳遞環(huán)節(jié)的增加，出錯(cuò)的風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)成倍增加，信息滯后的情況會(huì)越來(lái)越凸顯[9]。

為解決模型精度及信息量不足的問(wèn)題，提出基于橋梁專業(yè)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行工程量計(jì)算的解決方案。其主要方法是將信息存儲(chǔ)于結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)中，模型的創(chuàng)建和工程數(shù)量的計(jì)算均以帶有專業(yè)屬性的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，即模型作為設(shè)計(jì)成果表達(dá)的承載體，工程數(shù)量計(jì)算作為設(shè)計(jì)成果的一部分。

2 基于結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的工程量計(jì)算

以橋梁專業(yè)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)為依托，模型既是結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的實(shí)物外現(xiàn)，又是非幾何設(shè)計(jì)信息的承載體。參考《鐵路工程信息模型表達(dá)標(biāo)準(zhǔn)》[1]中橋梁模型可拆分系統(tǒng)的分類，對(duì)橋梁組成進(jìn)行分解，對(duì)橋梁數(shù)據(jù)進(jìn)行分類和結(jié)構(gòu)化，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行工程數(shù)量的計(jì)算和輸出。

2.1 橋梁數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化

按照常規(guī)橋梁的組成，結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)對(duì)工程數(shù)量項(xiàng)進(jìn)行劃分，主要分為：上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)、附屬工程、施工輔助四個(gè)部分。依據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，主要抽象出梁部、墩臺(tái)、基礎(chǔ)三大主要組成類(如圖1所示)。橋梁結(jié)構(gòu)的每個(gè)工程數(shù)量項(xiàng)均圍繞三大主要構(gòu)件展開，構(gòu)件可作為數(shù)量項(xiàng)的掛接點(diǎn)和計(jì)算的歸結(jié)點(diǎn)。采用編程的方法實(shí)現(xiàn)橋梁數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化[3]，其構(gòu)成如圖2所示。

梁部·梁、拱、柱、索塔、斜拉索、吊桿、纜索等墩臺(tái)·橋臺(tái)、橋墩、蓋梁、系梁等基礎(chǔ)·樁基礎(chǔ)、沉井基礎(chǔ)、挖井基礎(chǔ)、明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)等

圖1 橋梁結(jié)構(gòu)主要組成構(gòu)件

圖2 橋梁結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)構(gòu)成

2.2 工程數(shù)量的計(jì)算方式

以構(gòu)件為依托[7]，從結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)中獲得計(jì)算信息，采用編寫程序計(jì)算模塊的方式對(duì)工程數(shù)量進(jìn)行計(jì)算。在數(shù)量計(jì)算的過(guò)程中，采用編碼與工程數(shù)量項(xiàng)進(jìn)行關(guān)聯(lián)、在工程數(shù)量清單中預(yù)設(shè)編碼的方式進(jìn)行工程數(shù)量的輸出。

根據(jù)工程數(shù)量項(xiàng)的特點(diǎn)，可采用不同的計(jì)算方法：①對(duì)于構(gòu)件本體的工程數(shù)量，常規(guī)設(shè)計(jì)中均引用參考圖，此類數(shù)量可通過(guò)配置構(gòu)件工程數(shù)量數(shù)據(jù)庫(kù)的方式，將主體結(jié)構(gòu)的工程數(shù)量預(yù)設(shè)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，計(jì)算時(shí)根據(jù)特定的值(如墩高)進(jìn)行查找。②涉及到基礎(chǔ)開挖的相關(guān)數(shù)量項(xiàng)，因其與地面高程和地質(zhì)信息相關(guān)，可編寫針對(duì)性的數(shù)量計(jì)算模塊。③涉及到長(zhǎng)度、個(gè)數(shù)等指標(biāo)信息的數(shù)量，可采用編寫計(jì)算模塊的方式進(jìn)行計(jì)算。④對(duì)于常規(guī)的施工輔助措施，可編寫專門的施工輔助計(jì)算模塊進(jìn)行計(jì)算；對(duì)于非常規(guī)的施工輔助措施，可預(yù)留工程數(shù)量擴(kuò)充接口，進(jìn)行人工干預(yù)。

(1)預(yù)設(shè)工程數(shù)量查找

對(duì)于常規(guī)的主體工程數(shù)量，如橋墩的墩身混凝土和鋼筋量，其數(shù)量是一定的，且多數(shù)情況下是標(biāo)準(zhǔn)的(有標(biāo)準(zhǔn)圖可以參考)，只需要把其數(shù)量從圖紙中摘取出來(lái)，輸入到數(shù)據(jù)庫(kù)中(如圖3所示)，以便使用時(shí)查詢引用。

圖3 主體工程量配置

(2)計(jì)算模塊編寫

除可以進(jìn)行工程量預(yù)設(shè)的數(shù)量項(xiàng)外，其余數(shù)量項(xiàng)均采用編寫計(jì)算模塊的方式進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于土方量、鉆孔信息，需要結(jié)合地質(zhì)情況、土層頂高度和土層分類等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算過(guò)程中，程序可自動(dòng)根據(jù)性質(zhì)、高程、直徑等信息進(jìn)行編碼，計(jì)算完成后得到編碼和數(shù)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系表，并采用結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)類進(jìn)行工程數(shù)量及編碼的存儲(chǔ)。

3 構(gòu)件與工程數(shù)量的映射關(guān)系組織

橋梁工程數(shù)量的表達(dá)需要分解到針對(duì)某構(gòu)件某個(gè)部位所用的某種材料，方可滿足工程量計(jì)算的要求。如明挖基礎(chǔ)施工展開項(xiàng)如圖4所示。實(shí)體橋臺(tái)的各部分展開至構(gòu)件級(jí)，如圖5所示。

圖4 明挖基礎(chǔ)工項(xiàng)級(jí)展開

圖5 實(shí)體橋臺(tái)展開至構(gòu)件級(jí)

工程數(shù)量項(xiàng)的計(jì)算依托于構(gòu)件進(jìn)行，故每個(gè)工程數(shù)量項(xiàng)可找到其依附的構(gòu)件，與構(gòu)件產(chǎn)生映射關(guān)系。橋梁工程構(gòu)件、程序內(nèi)部編碼、工程數(shù)量清單表、定額編碼、工程數(shù)量交付標(biāo)準(zhǔn)編碼間的組織關(guān)系如圖6所示。程序內(nèi)部編碼對(duì)應(yīng)構(gòu)件的工程數(shù)量項(xiàng)，與工程數(shù)量表、定額編碼和交付編碼分別產(chǎn)生一一對(duì)應(yīng)的映射關(guān)系，以此來(lái)完成工程數(shù)量的計(jì)算及BIM模型交付要求的工程數(shù)量表達(dá)。

圖6 構(gòu)件、編碼、清單、定額的組織關(guān)系

4 工程數(shù)量編碼分析

對(duì)工程數(shù)量進(jìn)行編碼是為了統(tǒng)一語(yǔ)義表達(dá)標(biāo)準(zhǔn)和方便計(jì)算機(jī)識(shí)別。根據(jù)程序編制和BIM交付的需求，編碼可分為程序內(nèi)部碼、交付碼和定額編碼。定額編碼與工程數(shù)量的關(guān)系可根據(jù)各行業(yè)和地區(qū)的定額手冊(cè)來(lái)確定；程序內(nèi)部編碼根據(jù)“構(gòu)件+工項(xiàng)+產(chǎn)品/材料”的組碼原則進(jìn)行編制；交付碼根據(jù)鐵路BIM聯(lián)盟工程量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，采用IFD53編碼、IFD54編碼、IFD59編碼進(jìn)行表達(dá)[2]。在實(shí)際操作過(guò)程中，對(duì)各種交付編碼與程序內(nèi)部碼進(jìn)行映射，最終表現(xiàn)在BIM模型交付物中。

針對(duì)程序開發(fā)的內(nèi)部編碼，以編碼組成的方式進(jìn)行分析。以工項(xiàng)編碼為例，如“下部結(jié)構(gòu)-基礎(chǔ)工程-明挖基礎(chǔ)-土方-3.0m以內(nèi)，無(wú)擋，無(wú)水”編碼為：“BR-FD-OC [橋梁-下部結(jié)構(gòu)-明挖基礎(chǔ)]+DS[土石方工程-挖方-挖土方]”。但此處的工項(xiàng)“挖土方”不能滿足深度要求，需對(duì)該項(xiàng)編碼進(jìn)行擴(kuò)充(擴(kuò)充“開挖深度”、“有無(wú)水”、“有無(wú)擋”、“開挖方式”幾項(xiàng)，直至滿足表達(dá)唯一工程量項(xiàng)要求)，擴(kuò)充后的碼為：“DS-03(開挖深度3 m)-01(無(wú)擋)-01(無(wú)水)-01(人力開挖)”。以材料編碼為例，如“下部結(jié)構(gòu)-陸上-實(shí)體橋臺(tái)-臺(tái)身-混凝土C30T2泵送” 編碼為：“BR-AB-BO [橋梁-下部結(jié)構(gòu)-墩臺(tái)-墩臺(tái)身]+CN[非金屬材料-混凝土材料-混凝土]”，構(gòu)件編碼為：“BR-AB-BO-01(陸上)，對(duì)材料進(jìn)行編碼：CN-30(混凝土標(biāo)號(hào)) T2 (環(huán)境類別)01(泵送)”。

其余數(shù)量項(xiàng)的組碼原則與上述舉例類似。結(jié)合程序使用，可分別截取不同的碼段進(jìn)行對(duì)應(yīng)屬性的識(shí)別。進(jìn)行BIM正向設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)采用的構(gòu)件編碼自動(dòng)進(jìn)行屬性判別，計(jì)算工程量數(shù)據(jù)；將數(shù)據(jù)與編碼進(jìn)行對(duì)應(yīng)，進(jìn)行靈活的概預(yù)算估算和數(shù)量表達(dá)。

5 結(jié)束語(yǔ)

將BIM技術(shù)[6]應(yīng)用于工程造價(jià)管理，可在項(xiàng)目前期為方案決策提供依據(jù)，在項(xiàng)目實(shí)施階段使參建各方快速、準(zhǔn)確地獲取工程數(shù)量和造價(jià)數(shù)據(jù)，使工程成本精細(xì)化控制成為可能。提出基于BIM技術(shù)的專業(yè)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)算量解決方案，通過(guò)編寫工程量計(jì)算程序，結(jié)合多種編碼的方式進(jìn)行工程量的快速計(jì)算和全生命周期BIM模型的創(chuàng)建，實(shí)現(xiàn)工程量數(shù)據(jù)從設(shè)計(jì)向?qū)嵤╇A段的流動(dòng)。