基于Bentley平臺的鐵路箱涵設計應用研究

崔振宇

(軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院),西安 710043)

BIM技術自誕生以來，最早應用于建筑領域，目前在建筑行業已有較為成功的應用案例，并且有較為成熟的配套軟件支持[1]。在鐵路領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、應用方面處于領先地位[3]，許多基于BIM理念、技術開發的系統軟件已有相當的優勢，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)等也致力于本領域軟件系統的研究與開發。

BIM技術在軌道交通工程領域近幾年發展迅猛。許多業內人士進行了一些探討，如柳龍[4]利用Dynamo實現了橋梁BIM模型的快速創建。劉彥明[5]結合銀西高速鐵路項目，給出了Bentley平臺鐵路橋梁BIM設計系統開發的設計思想和主要技術特征。韓廣暉[6]等基于Microstation軟件的軌道交通梁式橋設計程序，實現了全橋模型的快速創建。齊成龍、張興華[7-9]進行了基于達索3D體驗平臺鐵路涵洞BIM建模的研究探索。

目前，現有的主流BIM軟件創建鐵路涵洞模型的方法基本相同，均是基于施工圖圖紙進行翻模，即首先根據圖紙相關尺寸，創建不同實體，然后將構件逐一拼裝成涵洞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眾多，逐一重復建模需耗費大量時間和精力，這顯然是不科學、不經濟的。本文旨在研究開發符合涵洞專業設計習慣和設計流程的輔助設計程序來完成規則涵洞的正向設計，讓計算機代替人工重復勞動，從而提高設計質量和設計效率。

1 BIM設計平臺選擇

鐵路工程與其他工程相比，具有點多線長、地質復雜、不確定因素多、施工風險高等特點，設計中遇見的問題紛繁復雜，并且涉及的數據種類較多、數據量較大[10]，因此迫切需要成熟的專業軟件來快速創建BIM模型。

現階段，Bentley、Autodesk和Dassault三家公司的軟件產品占據了大部分BIM軟件市場份額，它們均有各自的BIM系統平臺及數據交換接口，并提出各自的解決方案[11]。徐博[12]在基于BIM技術的鐵路工程正向設計方法研究中從三個平臺各自的解決方案、優點、缺點等方面進行詳細對比，研究發現從鐵路正向設計角度衡量，Bentley平臺對大體量長大帶狀模型支持能力強，各專業信息交互便捷，符合鐵路設計習慣。王婧[13]在基于BIM市場產品現狀的正向設計方案探索中，從承載能力與運行速度、建模方式、模型庫及復雜界面的應用、專業交互方式等角度出發對Revit與Bentley系列軟件進行比選，得出Bentley系列產品具有信息存載量大、專業間交互便捷、更好的支持復雜模型建模等優點的結論。因此選取Bentley平臺進行BIM鐵路涵洞的正向設計研究。

2 開發環境及研究方案

2.1 開發環境選擇

鐵路行業的BIM解決方案應該以路線設計為基礎，結構模型應該依賴于路線模型，可直接與路線模型進行信息交換和關聯修改。目前Bentley平臺三維路線設計軟件主要是PowerCivil，PowerCivil軟件具有以下優點。

(1)對大體量模型的支持。

(2)線路設計和實體建模相結合。PowerCivil內嵌MicroStation，不僅能完成三維線路設計建模，還能實現結構物的三維實體建模。

(3)集GIS/2D/3D/點云/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進行鐵路涵洞BIM輔助設計程序的二次開發，具有較強的基礎優勢和較好的發展前景。PowerCivil內嵌的MicroStation提供了完全開放的API接口，包含MicroStation各類功能的接口函數，如二維繪圖、三維建模、標注、文件處理、屬性管理等。

PowerCivil進一步擴充了MicroStation的二次開發接口，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計資料，創建或修改土木設計對象。

雖然PowerCivil是一個優秀的土木交通領域的BIM軟件平臺，但針對涵洞及其附屬結構物的設計還需要做進一步開發和完善。

2.2 研究開發方案

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(圖1)

圖1 CivilFramework架構

(2)CulvertBIM System架構

程序將在PowerCivil的ObjectSpace中增加自己的Model和Objects(均派生于Entity)?；凇懊嫦蚬こ獭⒚嫦蚝?、面向設計”的思想，構建如圖2所示的結構。

圖2 CulvertBIM System架構

(3)整體架構(圖3)

圖3 系統整體框架結構

3 鐵路箱涵正向設計解決方案

鐵路設計通常會涉及眾多專業之間的相互協同，包括方案配合、資料互提、節點控制等[14]，因此鐵路BIM正向設計專業間的數據交互是關鍵[15]，鐵路箱涵的正向設計宜繼承上游專業模型和數據，設計成果能傳遞給相關下游專業并貫穿于整個設計、施工、運維過程[16-17]。所以鐵路涵洞的設計，首先利用線路、地質模型，進行三維可視化人機交互創建涵洞模型，然后再根據審核意見修改、更新涵洞模型，最后進行設計成果傳遞和應用。

本次研究基于國內鐵路涵洞最新通用參考圖，采用國內工程師習慣的設計方式進行快速BIM三維設計，并且直接與路線模型進行信息交換和關聯修改，從而達到關聯一體化的目的。基于地形模型及線路模型，利用涵洞設計計算成果，快速創建涵洞構造模型，涵洞鋼筋模型、生成涵洞剖面圖紙、進行工程量統計，大大提升了設計效率，實現了涵洞BIM正向設計。

3.1 涵洞構造建模

鐵路涵洞BIM設計與路基、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。涵洞構造建模過程如下。

(1)圖4所示為涵洞的設計計算界面，根據涵洞工點的中心里程、孔徑、斜交角度、凈高、路基坡率、高程、預拱度、鋪砌類型等信息進行涵洞設計計算，得出涵身、翼墻、溝床鋪砌、錐體的相關幾何尺寸及高程信息。為了方便創建涵洞模型，把涵洞的相關信息和設計計算成果按照如圖5所示的固定格式進行整理。

圖4 涵洞設計界面

圖5 涵洞設計計算成果

(2)創建涵洞所需的標準構件庫[18]，涵洞的標準構件庫包括涵身、翼墻、錐體、基礎、鋪砌等。

(3)讀取設計成果中的相關信息(如：涵節長度、涵節高程、相關尺寸等)，確定相關各部分構造的尺寸參數及相對坐標，然后創建涵洞構造模型。涵洞構造模型如圖6所示。

圖6 涵洞構造模型

3.2 涵洞鋼筋建模

涵洞鋼筋BIM模型是涵洞建模的重點和難點。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。在涵洞每個涵節構造中建立局部空間坐標系，對涵洞橫向鋼筋類型精確計算節點空間坐標，以XZ坐標節點連線控制鋼筋大樣，以YZ坐標控制鋼筋分布，對涵洞縱向鋼筋類型采用X、Y軸對調處理，進而實例化創建涵洞鋼筋模型。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行描述，通過碰撞檢查、深化設計[19-20]，校正二維設計中的部分錯誤，提高了設計精度。深化設計后的涵洞鋼筋如圖9所示。

圖9 涵洞鋼筋局部

3.3 涵洞圖紙生成

Bentley軟件可以實現三維模型和二維圖紙的關聯，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行二次開發優化，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 涵洞工程量統計

PowerCivil軟件具有一定的工程數量計算和統計功能，該軟件能實現體積、數量、質量的統計，但是統計形式比較簡單，項目類型離散，尚不能滿足實際工程需求，需根據鐵路涵洞專業特點及施工圖要求對軟件進行二次開發。整理了各種鋼筋類型鋼筋大樣的出圖形式，同時規定了涵洞工程數量表的項目、格式、字體類型、統計精度等，形成滿足實際工程要求的鋼筋大樣圖及工程量統計表。如圖10所示。

圖10 涵洞鋼筋大樣圖及數量表

需要指出的是，目前鐵路涵洞二維施工圖中鋼筋數量是根據涵洞參考圖中單延米涵節所含的鋼筋數量與涵長計算所得。本次研究的工程量統計是基于涵洞構造模型與鋼筋模型進行屬性查詢，此方法相較于原施工圖的人工簡單數值計算更加準確[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、單涵節工程量和涵洞總體工程量3種形式進行統計，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

本研究的特點如下。

(1)參數化和特征化

參數化是涵洞設計建模的基礎，本次研究既實現涵洞構件的參數化，也實現常規標準化涵洞的參數化。本次研究按工程設計習慣實現涵洞設計建模，將涵洞構件特征化，即用真正工程含義的構件來定義設計對象，如涵身、基礎、翼墻、鋪砌等等。參數化的模型才是最終滿足BIM全生命周期要求的信息模型。

同時本次研究實現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信息。

(2)標準化和批量化

雖然涵洞設計難度不大，但其重復工作多，工作量大，標準化程度高。因此提高設計效率，保證設計質量，是涵洞BIM應用要重點解決的問題。本次研究針對涵洞工程，保證設計的標準化，提升設計質量。

(3)一體化和關聯化

本次研究實現涵洞與線路之間、涵洞各個構件之間、三維鋼筋模型與構造模型之間相互關聯，保證設計的快速完成。三維模型可直接生成相應的斷面圖紙，當構造模型調整時，可及時變更相應的三維鋼筋模型，實時計算詳細的工程數量，實時更新對應的二維圖紙。

4 實際工程應用

以包銀高鐵DK463+500～DK497+300為試點進行設計研究。涵洞工點設計應用傳統二維設計與三維BIM設計分別進行，三維BIM設計與二維設計鋼筋工程量統計結果如表1所示。從表格中得出涵洞依據孔徑、斜交角度、凈高和涵洞長度不同，二維設計與三維設計的鋼筋數量誤差也不相同，主要原因如下。

(1)二維設計與三維BIM設計的工程量計算方式不同。二維設計是人工簡單數值計算，三維BIM設計是以模型為基礎，利用計算機快速讀取模型屬性信息，因此三維BIM設計工程量計算更為準確。

(2)二維設計鋼筋只能表達平面上的相互位置，存在鋼筋之間相互碰撞，三維BIM設計充分考慮空間相互位置關系，進行碰撞檢查，調整鋼筋位置，使鋼筋布置更加合理。因此二維設計與三維BIM設計鋼筋數量存在一定誤差。

(3)二維設計中部分箍筋、拉筋是利用含筋量進行估算，三維BIM設計對每根箍筋、拉筋的位置和長度進行詳細設計，因此三維BIM設計更加精確。

(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設計通過碰撞檢查、深化設計進行了鋼筋調整，減少了鋼筋之間、鋼筋與預埋件之間的碰撞。同時三維BIM設計對每根箍筋、拉筋的位置和長度進行詳細設計，使箍筋、拉筋計算更加準確。因此，三維BIM設計在鋼筋布置及鋼筋工程量計算中更加合理。

表1 測試段涵洞工點

5 結論

(1)研究結合鐵路涵洞工程特點，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，各專業信息交互便捷，符合鐵路設計習慣。因此基于Bentley平臺進行鐵路涵洞工程BIM應用軟件開發是合適的。

(2)BIM正向設計與“施工圖翻?！苯厝徊煌?。鐵路箱涵的BIM正向設計需繼承上游專業(如線路專業、地質專業)的模型和數據，利用涵洞設計計算結果進行三維可視化人機交互創建涵洞模型，再根據涵洞模型出圖算量，最后涵洞設計成果能傳遞給相關下游專業并貫穿于整個設計、施工、運維過程。

(3)研究開發的涵洞BIM設計輔助程序符合專業設計習慣和設計流程，讓計算機代替人工重復建模，并且能夠快速生成二維圖紙、統計工程數量，大大提高設計效率。同時基于涵洞BIM模型能夠更加清晰、直觀地發現二維設計中的不足，有效提升設計質量。

(4)研究成果在包銀高鐵項目中得到實踐應用，能大大提升涵洞建模效率，與此同時，通過碰撞檢查、深化設計完善了二維設計中的一些不足，提升了設計質量。