基于BIM技术的涵洞一体化设计应用研究

石鲁宁 张忠良 王勇军 李 纯 张 弛

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

1 概述

1.1 国外研究现状

BIM技术在国际上属于一个崭新且前沿的学科。随着近年来计算机软硬件水平的大幅提高，BIM技术逐渐在土木工程领域受到重视和应用[1-3]。

2003年，美国总务管理局推出了“国家3D-4D-BIM计划”，并发布了一系列BIM指南[4]。从2007年到2012年，美国建筑领域的BIM应用比例已经从27%增长到71%。目前，北美建筑领域有超过50%的公司在使用BIM技术[5-6]。

英国发布了“政府建设战略”，计划到2016年实现3D-BIM的全面协同设计。在欧洲其它国家，BIM技术已经广泛应用于建筑领域的各个分支。2016年，全球运输工程咨询公司Ineco在英国高铁二号线(HS2)采用Bentley BIM技术构建地形模型，优化轨道线形，实现了协同设计。

新加坡建筑管理署发布了新加坡BIM发展路线规划，并制定了相关政策保证其实施。韩国公共采购服务中心发布了《设施管理BIM应用指南》，对BIM技术的可视化、施工准确化和运维标准化提出了具体要求[7-9]。

1.2 国内研究现状

直到2002年，国内才接触BIM技术。近年来，通过国内众多学者的不懈努力以及政府部门的大力支持，国内BIM技术的发展也取得了不少成果[10-14]。

2004年，葛松培等将BIM的概念引入到建筑工程中，并介绍了BIM技术的优势。2010年，朱江将BIM技术应用到铁路工程中，并详细介绍了铁路BIM技术的应用优势。

2013年，中铁二院开展大瑞铁路BIM综合应用研究，以怒江四线特大桥和高黎贡山隧道为工程试点，进行多专业的三维协同设计和建设管理BIM综合应用。

2015年以来，中国铁路BIM联盟先后发布了《铁路工程实体结构分解指南》、《铁路工程信息模型分类和编码》、《铁路工程信息模型数据存储标准》等BIM技术标准，极大地推进了铁路BIM技术的发展和应用[15-16]。

铁路工程BIM的应用多针对于复杂工点的设计、施工和运营管理，但是缺乏针对铁路涵洞的三维设计产品。为了促进BIM技术在铁路涵洞设计中的应用，提高涵洞设计效率，有必要开发一套涵洞三维可视化和参数化批量设计程序，实现铁路涵洞一体化设计。

2 涵洞一体化设计

2.1 模型创建思路

为了实现涵洞的参数化设计，需要根据涵洞各构件几何形状创建参数化构件，主要包括：涵节、涵洞基础、翼墙、翼墙基础、出入口、出入口垫层、帽石、锥体、泄床等。可根据铁路涵洞二维图纸信息确定涵洞几何轮廓表达的独立参数及中间参数；再根据独立参数和中间参数确定涵洞各构件的布置原则，其关键技术是寻求一组独立参数及中间参数，使其能完整地表达涵洞各构件的尺寸信息及构件间相互约束信息。

2.2 构件参数化

利用独立参数和中间参数创建涵洞构件参数化模型，如图1～图2所示。

图1 涵节参数化构件

图2 翼墙参数化构件

2.3 一体化设计

基于MicroStation CONNECT Edition软件的Add in二次开发功能，利用C#语言编程，完成“铁路涵洞一体化设计程序”的截面搭建和功能实现。该软件可实现涵洞构件的图层自动创建、涵洞模型全参数化创建、涵洞加固桩创建、受力和配筋计算、图纸输出和工程量统计等功能，初步搭建的软件主界面如图3所示。

图3 涵洞一体化设计程序主界面

基于BIM的涵洞三维参数化模型程序界面如图4所示，该程序将涵洞全部独立参数分为角度参数、纵向参数、扶手参数、翼墙基础参数、厚度参数、翼墙高度参数等。可根据输入的参数值自动驱动参数化构件，创建全参数化涵洞模型，并将设计参数传入计算模型，完成涵洞的配筋计算。另外，通过调整独立参数，可方便快捷地生成相应的三维涵洞可视化模型。

图4 涵洞参数化建模主界面

2.4 涵洞一体化设计成果

由涵洞一体化设计软件生成的三维涵洞模型如图5所示，涵洞模型细部及涵洞分层信息如图6所示。利用涵洞BIM模型，可开展相应的出图和工程量统计工作。

图5 涵洞整体模型

图6 涵洞模型细部

图7为通过二次开发赋予涵节的非几何属性信息示意(采用MicroStation CONNECT Edition最先进的EC Scheme方式创建)，设计者可随时查询属性信息，也可将属性信息按规则读取到涵洞模型信息库，并根据IFD编码和涵洞工程量统计表输出涵洞的主要工程数量。

图7 涵节属性信息示意

利用BIM三维模型，通过二次开发，创建涵洞的平、立、剖面以及图纸标注工具，实现涵洞图纸的自动生成，最终实现铁路涵洞一体化设计作业。

3 涵洞数据管理

3.1 信息依据

数据管理主要涉及构件信息分类和编码、构件数学参数表达、数据库架构和编程等方面的内容。其中，构件信息分类和编码的内容主要包括：①根据铁路BIM联盟《铁路工程信息模型分类和编码标准》，开展涵洞构件颗粒度IFD编码的拓展；依据53构件表、54工项表、58材料表、59特性表，对涵洞构件进行结构化编码。②根据涵洞工程数量统计的需要，对涵洞各构件的非几何属性内容进行梳理，创建非几何属性数据结构；将各构件非几何信息进行细化和分类管理，形成完备、结构化、便于检索的涵洞模型信息数据库，并编写涵洞模型信息数据检索标准，形成一套铁路涵洞信息管理体系。③根据铁路BIM联盟规范《铁路工程信息模型表达标准》，对涵洞构件工程数量项进行分类、分层和梳理，并结合《铁路桥涵工程预算定额》(2017版)，对涵洞的各项工程量进行比对，实现IFD编码与定额编码的一一对应。

图8 模型信息示意

3.2 信息库架构

根据前期调研初选，对MySQL、SQL Server、 Sybase、Access、Oracle等几种关系型数据库，进行存储容量、存储效率、检索速度、稳定性、安全性等方面指标的对比，选定读写速度快、检算效率高的SQL Server作为本项目的数据库。在涵洞信息的数据结构方面，采用了BTree数据检索方法。BTree(多路径平衡搜索树)是一种常见类型的数据结构，可以有效降低信息定位的耗时，提高数据的存储和读取速度。其逻辑结构为一颗N叉平衡树，每列中Distinct Key都对应一个RIDs(Row IDentifiers)数组。树状分叉结构在高频率信息的更新方面具有优势，适用于高速铁路涵洞设计和变更信息的存储。在涵洞信息检索方面，选定红黑树信息查找方法(Red-Black Tree)对涵洞信息进行检算。红黑树信息查找方法的基本思路为：对2-3查找树进行分类编码(涵洞信息采用IFD编码)，对2-3查找树中的3-nodes节点添加冗余的数据。该方法中，将节点间的链接分为两种不同方式，红色链用来关联两个2-nodes节点，黑色链用来关联普通的2-3节点。也可用红色链接的两个2-nodes来表示一个3-nodes节点，并且向左倾斜，即一个2-node是另一个2-node的左子节点。这种方式的好处是查找过程中不用做任何修改，如图9所示。

图9 Red-Black Tree检索示意

编程方面的主要研究内容：基于MicroStation CONNECT Edition软件的Add in进行二次开发，采用C#语言进行编程，根据二次开发类库，完成涵洞参数化模型的驱动、涵洞模型的自动创建、图纸标注、输出功能开发、数据库存储、检索算法编写等。此外，还需完成软件界面的架构，以及整个涵洞一体化设计程序调试等工作。

4 结论

铁路涵洞一体化设计程序能够进行铁路涵洞构件颗粒度的分类和编码，以及对构件非几何属性进行细化，形成完备、结构化、便于检索的涵洞模型信息数据库；根据涵洞构件几何特点创建全参数化涵洞模型库，并通过构件编码与数据库进行关联，输出涵洞主要工程数量。最后，基于涵洞BIM模型和软件剖面功能，通过二次开发，实现涵洞平、立、剖面概图的自动生成，配筋的自动计算和钢筋图的输出。基于本程序，可实现涵洞的三维可视化和参数化批量设计，有效减少涵洞变更引起的设计工作量，实现涵洞计算、出图、工程量统计的一体化，减少实际铁路工程中涵洞设计人力资源的投入，提高涵洞的设计生产效率。