基于Revit平臺的高速鐵路大跨斜拉橋工程算量系統(tǒng)研發(fā)

張鵬飛,楊福瑞,雷曉燕,宋 鑫

(華東交通大學鐵路環(huán)境振動與噪聲教育部工程研究中心,南昌 330013)

大跨度斜拉橋在我國高速鐵路建設中應用越來越多，其項目投資大、建設周期長、協(xié)同效率低下等特點對項目造價管理提出了更高的要求[1]。對于鐵路基礎設施而言，工程量計算是設計及施工階段成本控制的前提和基礎，通過控制設計及施工階段中的工程量，可減少造價成本。隨著BIM技術[2-3]在鐵路建設工程中的廣泛應用，鐵路基礎設施的工程量計算方式已逐步由手工計量向智能化計量過渡。當前鐵路BIM標準[4-7]與現(xiàn)行鐵路工程量清單分解結構等方面存在較大差異，應用BIM直接計量與按清單計量得到的工程量結果也有偏差，因此，基于BIM直接計量不能快速準確地實現(xiàn)對鐵路基礎設施工程量統(tǒng)計。

國內(nèi)外學者對BIM模型工程量自動提取的二次開發(fā)展開了一系列的研究，KWON O-Cheol等[8]通過建立BIM模型方式，從BIM模型中提取正確的數(shù)據(jù)進行工程計量；安培等[9]通過Revit二次開發(fā)的插件將BIM模型導入廣聯(lián)達BIM土建算量軟件，進行工程計量、計價計算；于鑫等[10]基于Revit二次開發(fā)實現(xiàn)了三維鋼筋算量，該研究為鋼筋用料統(tǒng)計提供科學、準確的數(shù)據(jù)支撐，并深度挖掘了BIM在鋼筋工程中的應用價值。在鐵路工程領域，為解決鐵路BIM標準與現(xiàn)行鐵路工程量清單存在差異的問題，景風等[11]建立了符合BIM建模特點且滿足總承包模式及全過程造價管理的三級高鐵工程量清單EBSWBS；單向華等[12]通過對鐵路工程造價標準定位和工程定額模型的分析，提出了模型構建上的一致性，論證了鐵路BIM標準與造價標準一體化發(fā)展的可行性。這些研究成果驗證了基于BIM技術可以實現(xiàn)設計信息和計量信息傳遞與共享的可行性，同時也印證了鐵路BIM標準與現(xiàn)行鐵路工程量清單模型一體化的可行性，但鐵路基礎設施基于BIM模型工程算量仍然處于探索階段。因此，進行鐵路基礎設施BIM模型工程量計算研究具有重要意義。

本文針對高速鐵路大跨斜拉橋中的軌道與橋梁，構建了適合BIM算量的工程量清單，并進行了高速鐵路大跨斜拉橋算量系統(tǒng)的研發(fā)，為基于BIM模型實現(xiàn)高速鐵路工程量快速統(tǒng)計提供參考。

1 工程量清單構建與計量信息分析

1.1 工程量清單構建

在BIM軟件中，構件以族的形式表現(xiàn)，而鐵路工程量清單項目[13]按分部分項工程進行分解，諸如正線與站線、新與舊等不同類型工程，兩種分解結構有所不同，但最終涵蓋的工程內(nèi)容大致是一致的。工程量清單與BIM模型的工程分解結構的差異性，使得從BIM軟件中導出的工程量結果不能與工程量清單形成一一對應關系，無法直接實現(xiàn)基于BIM的工程算量。

針對當前BIM標準與現(xiàn)行鐵路工程量清單存在的差異，構建了高速鐵路大跨斜拉橋中軌道與橋梁工程量清單的分解結構，其分解結構的部分成果如圖1所示，并根據(jù)工程量清單分解結構中的構件，從現(xiàn)行鐵路工程量清單中將構件的計量信息一一提取，重構高速鐵路大跨斜拉橋中軌道與橋梁的工程量清單。通過重構工程量清單的方法與BIM模型建立聯(lián)系來實現(xiàn)基于BIM模型的智能化算量。

圖1 軌道與橋梁部分工程量清單分解結構

1.2 計量信息分析

為滿足不同構件計量的信息需求，在設計階段，依據(jù)鐵路建設工程定額和清單工程量計算規(guī)則，詳細分析各類構件計量所需的信息，為BIM模型添加相關的幾何、物理、功能等基礎數(shù)據(jù)[14]，完善BIM模型中所需的計量信息。

根據(jù)鐵路建設工程定額和清單工程量計算規(guī)則，計量信息特征可大致分為功能作用類、材料種類及要求類、幾何特征類、施工方式和施工工藝五大類，這五大類特征的計量信息基本上滿足高速鐵路大跨斜拉橋構件實體分解的要求。以標準鋼軌構件為例，其計量所需的參數(shù)信息見表1。

表1 標準鋼軌構件計量所需的參數(shù)信息

2 高速鐵路大跨鐵路斜拉橋計量系統(tǒng)設計

Revit是一款市場上使用廣泛的BIM參數(shù)化三維建模軟件[15]，其擁有豐富的應用程序接口API(Application Programming Interface)，開發(fā)者可以通過調(diào)用API的類，根據(jù)自己的需求對Revit的功能進行擴展。為了實現(xiàn)基于BIM模型的智能化算量，需對Revit軟件進行二次開發(fā)來進行算量系統(tǒng)的研發(fā)。該算量系統(tǒng)基于根據(jù)Revit 2019的二次開發(fā)要求，在.NET Framework 4.7開發(fā)環(huán)境下，采用Visual Studio 2017工具、C#開發(fā)語言及SQLServer2014數(shù)據(jù)庫進行設計。

2.1 基于Revit平臺的算量系統(tǒng)的架構設計

本算量系統(tǒng)采用了經(jīng)典的三層架構模型，如圖2所示，主要在Revit平臺上實現(xiàn)BIM模型設計和工程量統(tǒng)計工作，通過程序調(diào)用RevitAPI來提取模型中與操作相關的數(shù)據(jù)，并與外部數(shù)據(jù)庫建立聯(lián)系，實現(xiàn)計量信息的收集。數(shù)據(jù)層主要由外部數(shù)據(jù)庫和BIM模型數(shù)據(jù)庫構成，外部數(shù)據(jù)庫基于SQL Server2014進行構建，并建立計量清單及計量規(guī)則庫與項目庫；應用層主要基于Revit平臺定制相應功能，通過相應的功能程序與數(shù)據(jù)層建立聯(lián)系，進行數(shù)據(jù)的提取與存儲；展示層主要通過Revit平臺對應用層相應的功能效果進行展示。

圖2 基于BIM的算量系統(tǒng)構架

2.2 BIM計量模型的構建

2.2.1 BIM模型的構建

本文選取某高速鐵路大跨鐵路斜拉橋為研究對象，其結構為(136+260+136) m四線預應力混凝土斜拉橋，橋上鋪設CRTSⅢ型板式無砟軌道。利用Revit軟件建立的高速鐵路大跨斜拉橋BIM模型如圖3所示。

圖3 某大跨鐵路斜拉橋BIM模型

2.2.2 BIM計量模型的構建

BIM計量模型構件名稱映射規(guī)則通過BIM模型構件族名稱與高速鐵路大跨斜拉橋中軌道與橋梁的工程量清單分解結構中構件的名稱是否產(chǎn)生一一映射關系確定，并通過構件名稱映射規(guī)則判定BIM模型構件是否符合BIM計量模型構件要求。利用BIM模型結合BIM計量模型構件名稱映射規(guī)則構建完整的BIM計量模型如圖4所示。

圖4 BIM計量模型的構建

2.3 Revit與SQL Server數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)交互

采用SQL Server[16]數(shù)據(jù)庫建立外部數(shù)據(jù)庫，運用ADO技術進行C#語言與SQL語句混合編程，使Revit與外部數(shù)據(jù)庫之間進行數(shù)據(jù)交互，如圖5所示。

圖5 Revit與SQLServer數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)交互

Revit與數(shù)據(jù)庫之間的數(shù)據(jù)交互主要包括：(1)將BIM計量模型中計量信息按計量規(guī)則提取到外部數(shù)據(jù)庫中進行存儲；(2)將外部數(shù)據(jù)庫中存儲計量清單中的計量規(guī)則信息與BIM計量模型中的構件建立一一映射關系，以便于計量信息的提?。?3)將外部數(shù)據(jù)庫中存儲的計量信息與Winform窗體控件綁定，進行信息的輸入與輸出。

2.4 BIM模型計量信息的提取

BIM模型作為計量信息的載體，計量信息需根據(jù)BIM模型各個構件進行獲取。運用Revit二次開發(fā)技術，使用過濾器與收集器，將BIM模型中的構件進行分類，并遍歷收集器中的構件元素，使構件元素與工程量清單產(chǎn)生映射關系，從而提取出BIM模型中所需的計量信息。

根據(jù)BIM計量模型計算工程數(shù)量，是通過構件與該構件的計量單位之間的映射關系，進行該構件的工程數(shù)量匯總。通過鐵路工程計量規(guī)則進行工程數(shù)量計算的內(nèi)容包括體積計算、面積計算、長度計算、重量計算、自然計量單位計算(如個、座等)等，對于圖元映射所計算的子目是體積與長度，則通過調(diào)用RevitAPI中的類Parameter來獲取該圖元所需計量的體積和長度信息；對于圖元映射所計算的子目是面積，則通過調(diào)用RevitAPI中的類GeometryElement來獲取該圖元的幾何實體，然后該圖元的幾何實體通過幾何算法獲取該圖元所需計量的面積信息；對于圖元映射所計算的子目是重量，則通過調(diào)用RevitAPI中的類Parameter來獲取該圖元計量信息體積，然后根據(jù)該圖元所賦予的材質(zhì)，通過調(diào)用RevitAPI中的類PropertySetElement獲取圖元材質(zhì)的密度，最后通過質(zhì)量計算規(guī)則獲得該圖元計量的重量信息；對于圖元映射所計算的子目是個、處、孔、組、座或其他可以明示的自然計量單位，按過濾條件遍歷收集器中的元素，通過遍歷的次數(shù)獲得所需的計量信息。

構件的其他計量信息如構件的元素Id、族名稱、族類型及材質(zhì)等構件自身所賦予的計量信息，則通過調(diào)用RevitAPI獲取所需字段的計量信息；如編碼、項目劃分特征、計量規(guī)則及附注等計量信息是通過構件與外部數(shù)據(jù)庫進行關聯(lián)的，其計量信息則根據(jù)構件計量信息的字段名稱從外部數(shù)據(jù)庫中獲得。

2.5 算量系統(tǒng)功能的實現(xiàn)

本系統(tǒng)使用Visual Studio 2017的Winform窗體來對Revit平臺界面進行UI擴展，如圖6所示。UI界面的功能包括模型映射功能、數(shù)據(jù)提取功能、匯總功能、查詢構件清單功能和查詢與導出功能。

圖6 UI擴展功能界面

(1)模型映射功能：BIM模型中的構件與構件映射規(guī)則中的構件名稱產(chǎn)生映射關系，通過模型映射功能判斷BIM模型中的構件是否符合BIM計量要求。圖3中的BIM模型通過模型映射功能(圖7)將BIM模型中的構件與映射規(guī)則中的構件名稱一一映射后的結果，BIM模型全部構件顯示紅色(圖8)，則該BIM模型符合BIM計量要求。

圖7 模型映射功能

圖8 映射后的BIM模型

(2)數(shù)據(jù)提取功能：通過添加提取字段(圖9)，創(chuàng)建項目數(shù)據(jù)庫及構件數(shù)據(jù)表，然后通過數(shù)據(jù)提取功能按所需的計量信息字段通過一定的映射關系，將所需的計量信息提取到相應的構件數(shù)據(jù)表中進行儲存，生成構件明細數(shù)據(jù)表。

圖9 計量信息字段的添加

(3)匯總功能：在項目數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建匯總表，然后通過匯總功能將構件與構件的計量單位產(chǎn)生映射關系，通過一定的計算關系進行工程量統(tǒng)計，將統(tǒng)計的工程量在匯總表中進行儲存。

(4)查詢構件清單功能：BIM模型中的單個構件匹配對應的清單項目，通過查詢構件清單功能進行清單項目信息查看，如圖10所示。

圖10 構件清單庫

(5)查詢與導出功能：通過該功能查看構件的明細表與工程量匯總結果，然后輸出到excel表中，生成工程量明細清單，如圖11、圖12所示。

圖11 混凝土底座明細表

圖12 工程量匯總表

3 算例分析

以2.2.1節(jié)中高速鐵路大跨斜拉橋BIM模型為例，對該計量系統(tǒng)進行驗證分析。分別按照傳統(tǒng)設計和BIM設計算量方法對該高速鐵路大跨斜拉橋的工程數(shù)量進行統(tǒng)計，其部分成果見表2。

表2 兩種模式工程量統(tǒng)計

由表2可知：兩種不同模式下工程量對比差值百分率在3%的范圍之內(nèi)，是由于大多數(shù)構件是非規(guī)則形狀構件，非規(guī)則形狀構件建模的精度不夠或者圖紙設計有誤導致，屬于合理范圍；普通箱梁和0號塊箱梁的BIM設計結果與傳統(tǒng)設計計算結果產(chǎn)生的誤差偏大，這是因為在設計階段沒有對普通箱梁和0號塊箱梁內(nèi)部預應力管道等部分體積進行扣減，而該系統(tǒng)只對構件實體部分進行統(tǒng)計。因此，在構件的BIM設計階段，需對模型進行深化，提高模型的精度；兩種不同模式下工程量對比，除箱梁的對比誤差較大，其他構件的對比差值百分率都小于3%，因此，使用該算量系統(tǒng)進行BIM設計計算結果產(chǎn)生的誤差屬于合理范圍。

4 結論

對高速鐵路工程量計算現(xiàn)狀進行了分析，總結了高速鐵路大跨斜拉橋工程基于BIM進行工程量計算的不足，根據(jù)鐵路工程工程量清單計價指南和鐵路BIM標準，構建了適合高速鐵路大跨斜拉橋的軌道、橋梁工程量清單，實現(xiàn)了基于BIM模型直接計量，為高速鐵路工程量快速統(tǒng)計提供了一種新的方法。主要結論如下。

(1)利用C#語言進行了Revit二次開發(fā)，研發(fā)了高速鐵路大跨斜拉橋工程的算量系統(tǒng)，極大提高了工程量統(tǒng)計的效率。

(2)本系統(tǒng)直接基于Revit平臺進行開發(fā)，不需要借助其他算量軟件進行工程量統(tǒng)計，避免了將BIM模型導入到其他算量軟件過程中存在數(shù)據(jù)丟失、無法轉(zhuǎn)化等問題，保證了數(shù)據(jù)的準確性。

(3)通過高速鐵路大跨斜拉橋的算例分析，驗證了該系統(tǒng)的正確性，確保了模型與設計圖紙的一致性。