基于Bentley平台的铁路箱涵设计应用研究

崔振宇

(轨道交通工程信息化国家重点实验室(中铁一院),西安 710043)

BIM技术自诞生以来，最早应用于建筑领域，目前在建筑行业已有较为成功的应用案例，并且有较为成熟的配套软件支持[1]。在铁路领域近几年才有所尝试，目前基本还处在探索研究阶段[2]。

国外如美国、英国、法国等一些欧美国家在BIM软件研发、应用方面处于领先地位[3]，许多基于BIM理念、技术开发的系统软件已有相当的优势，如奔特力(Bentley)公司和欧特克(Autodesk)公司的BIM解决方案套件；法国的达索公司也紧随其后，向用户提供了一整套基于BIM理念的解决方案；除此之外，图软(Graphisoft)等也致力于本领域软件系统的研究与开发。

BIM技术在轨道交通工程领域近几年发展迅猛。许多业内人士进行了一些探讨，如柳龙[4]利用Dynamo实现了桥梁BIM模型的快速创建。刘彦明[5]结合银西高速铁路项目，给出了Bentley平台铁路桥梁BIM设计系统开发的设计思想和主要技术特征。韩广晖[6]等基于Microstation软件的轨道交通梁式桥设计程序，实现了全桥模型的快速创建。齐成龙、张兴华[7-9]进行了基于达索3D体验平台铁路涵洞BIM建模的研究探索。

目前，现有的主流BIM软件创建铁路涵洞模型的方法基本相同，均是基于施工图图纸进行翻模，即首先根据图纸相关尺寸，创建不同实体，然后将构件逐一拼装成涵洞BIM模型。铁路涵洞工程是铁路工程的重要组成部分，一条铁路干线涵洞工点众多，逐一重复建模需耗费大量时间和精力，这显然是不科学、不经济的。本文旨在研究开发符合涵洞专业设计习惯和设计流程的辅助设计程序来完成规则涵洞的正向设计，让计算机代替人工重复劳动，从而提高设计质量和设计效率。

1 BIM设计平台选择

铁路工程与其他工程相比，具有点多线长、地质复杂、不确定因素多、施工风险高等特点，设计中遇见的问题纷繁复杂，并且涉及的数据种类较多、数据量较大[10]，因此迫切需要成熟的专业软件来快速创建BIM模型。

现阶段，Bentley、Autodesk和Dassault三家公司的软件产品占据了大部分BIM软件市场份额，它们均有各自的BIM系统平台及数据交换接口，并提出各自的解决方案[11]。徐博[12]在基于BIM技术的铁路工程正向设计方法研究中从三个平台各自的解决方案、优点、缺点等方面进行详细对比，研究发现从铁路正向设计角度衡量，Bentley平台对大体量长大带状模型支持能力强，各专业信息交互便捷，符合铁路设计习惯。王婧[13]在基于BIM市场产品现状的正向设计方案探索中，从承载能力与运行速度、建模方式、模型库及复杂界面的应用、专业交互方式等角度出发对Revit与Bentley系列软件进行比选，得出Bentley系列产品具有信息存载量大、专业间交互便捷、更好的支持复杂模型建模等优点的结论。因此选取Bentley平台进行BIM铁路涵洞的正向设计研究。

2 开发环境及研究方案

2.1 开发环境选择

铁路行业的BIM解决方案应该以路线设计为基础，结构模型应该依赖于路线模型，可直接与路线模型进行信息交换和关联修改。目前Bentley平台三维路线设计软件主要是PowerCivil，PowerCivil软件具有以下优点。

(1)对大体量模型的支持。

(2)线路设计和实体建模相结合。PowerCivil内嵌MicroStation，不仅能完成三维线路设计建模，还能实现结构物的三维实体建模。

(3)集GIS/2D/3D/点云/渲染动画等于一体。

(4)模型采用DGN格式，方便和Bentley其他软件共享交换模型信息。

基于PowerCivil进行铁路涵洞BIM辅助设计程序的二次开发，具有较强的基础优势和较好的发展前景。PowerCivil内嵌的MicroStation提供了完全开放的API接口，包含MicroStation各类功能的接口函数，如二维绘图、三维建模、标注、文件处理、属性管理等。

PowerCivil进一步扩充了MicroStation的二次开发接口，提供了CivilPlatform库以支持土木对象的定义、修改等，如：通过CivilPlatform可便捷地获得路线的平纵横设计资料，创建或修改土木设计对象。

虽然PowerCivil是一个优秀的土木交通领域的BIM软件平台，但针对涵洞及其附属结构物的设计还需要做进一步开发和完善。

2.2 研究开发方案

本次研究同时用到了PowerPlatform和CivilPlatform，采用C++、C#、CLR多语言混合编程。研究方案如下。

(1)CivilFramework的架构(图1)

图1 CivilFramework架构

(2)CulvertBIM System架构

程序将在PowerCivil的ObjectSpace中增加自己的Model和Objects(均派生于Entity)。基于“面向工程、面向涵洞、面向设计”的思想，构建如图2所示的结构。

图2 CulvertBIM System架构

(3)整体架构(图3)

图3 系统整体框架结构

3 铁路箱涵正向设计解决方案

铁路设计通常会涉及众多专业之间的相互协同，包括方案配合、资料互提、节点控制等[14]，因此铁路BIM正向设计专业间的数据交互是关键[15]，铁路箱涵的正向设计宜继承上游专业模型和数据，设计成果能传递给相关下游专业并贯穿于整个设计、施工、运维过程[16-17]。所以铁路涵洞的设计，首先利用线路、地质模型，进行三维可视化人机交互创建涵洞模型，然后再根据审核意见修改、更新涵洞模型，最后进行设计成果传递和应用。

本次研究基于国内铁路涵洞最新通用参考图，采用国内工程师习惯的设计方式进行快速BIM三维设计，并且直接与路线模型进行信息交换和关联修改，从而达到关联一体化的目的。基于地形模型及线路模型，利用涵洞设计计算成果，快速创建涵洞构造模型，涵洞钢筋模型、生成涵洞剖面图纸、进行工程量统计，大大提升了设计效率，实现了涵洞BIM正向设计。

3.1 涵洞构造建模

铁路涵洞BIM设计与路基、桥梁工程类似，均为特定形式断面与线路按一定夹角有序的组合与拉伸。涵洞构造建模过程如下。

(1)图4所示为涵洞的设计计算界面，根据涵洞工点的中心里程、孔径、斜交角度、净高、路基坡率、高程、预拱度、铺砌类型等信息进行涵洞设计计算，得出涵身、翼墙、沟床铺砌、锥体的相关几何尺寸及高程信息。为了方便创建涵洞模型，把涵洞的相关信息和设计计算成果按照如图5所示的固定格式进行整理。

图4 涵洞设计界面

图5 涵洞设计计算成果

(2)创建涵洞所需的标准构件库[18]，涵洞的标准构件库包括涵身、翼墙、锥体、基础、铺砌等。

(3)读取设计成果中的相关信息(如：涵节长度、涵节高程、相关尺寸等)，确定相关各部分构造的尺寸参数及相对坐标，然后创建涵洞构造模型。涵洞构造模型如图6所示。

图6 涵洞构造模型

3.2 涵洞钢筋建模

涵洞钢筋BIM模型是涵洞建模的重点和难点。铁路涵洞按不同孔径、斜交角度、涵洞净高及填土高分级，划分为622种涵洞类型。

归纳所有的涵洞类型，划分出16种钢筋类型。在涵洞每个涵节构造中建立局部空间坐标系，对涵洞横向钢筋类型精确计算节点空间坐标，以XZ坐标节点连线控制钢筋大样，以YZ坐标控制钢筋分布，对涵洞纵向钢筋类型采用X、Y轴对调处理，进而实例化创建涵洞钢筋模型。涵洞钢筋模型如图7、图8所示。

图7 涵洞钢筋模型(一)

图8 涵洞钢筋模型(二)

目前，二维钢筋图纸中只能表达钢筋在平面上的相互位置，本次研究在空间上对钢筋位置进行描述，通过碰撞检查、深化设计[19-20]，校正二维设计中的部分错误，提高了设计精度。深化设计后的涵洞钢筋如图9所示。

图9 涵洞钢筋局部

3.3 涵洞图纸生成

Bentley软件可以实现三维模型和二维图纸的关联，但是所生成的二维图纸与铁路工程施工图的要求有较大差异。本次研究基于Bentley软件的剖切功能，对Bentley软件自带的出图功能进行二次开发优化，使其能直接生成符合铁路涵洞施工图纸要求的二维图纸。

3.4 涵洞工程量统计

PowerCivil软件具有一定的工程数量计算和统计功能，该软件能实现体积、数量、质量的统计，但是统计形式比较简单，项目类型离散，尚不能满足实际工程需求，需根据铁路涵洞专业特点及施工图要求对软件进行二次开发。整理了各种钢筋类型钢筋大样的出图形式，同时规定了涵洞工程数量表的项目、格式、字体类型、统计精度等，形成满足实际工程要求的钢筋大样图及工程量统计表。如图10所示。

图10 涵洞钢筋大样图及数量表

需要指出的是，目前铁路涵洞二维施工图中钢筋数量是根据涵洞参考图中单延米涵节所含的钢筋数量与涵长计算所得。本次研究的工程量统计是基于涵洞构造模型与钢筋模型进行属性查询，此方法相较于原施工图的人工简单数值计算更加准确[21-22]。同时本次研究涵洞涵身的工程量可以分别以单延米工程量、单涵节工程量和涵洞总体工程量3种形式进行统计，使涵洞施工时钢筋放样及物料管理更加便捷、高效、合理。

3.5 研究特点

本研究的特点如下。

(1)参数化和特征化

参数化是涵洞设计建模的基础，本次研究既实现涵洞构件的参数化，也实现常规标准化涵洞的参数化。本次研究按工程设计习惯实现涵洞设计建模，将涵洞构件特征化，即用真正工程含义的构件来定义设计对象，如涵身、基础、翼墙、铺砌等等。参数化的模型才是最终满足BIM全生命周期要求的信息模型。

同时本次研究实现工程属性信息与三维模型绑定，既可以通过三维模型迅速找到工程对象的所有信息，也可以通过三维模型在全生命周期中传递相关信息。

(2)标准化和批量化

虽然涵洞设计难度不大，但其重复工作多，工作量大，标准化程度高。因此提高设计效率，保证设计质量，是涵洞BIM应用要重点解决的问题。本次研究针对涵洞工程，保证设计的标准化，提升设计质量。

(3)一体化和关联化

本次研究实现涵洞与线路之间、涵洞各个构件之间、三维钢筋模型与构造模型之间相互关联，保证设计的快速完成。三维模型可直接生成相应的断面图纸，当构造模型调整时，可及时变更相应的三维钢筋模型，实时计算详细的工程数量，实时更新对应的二维图纸。

4 实际工程应用

以包银高铁DK463+500～DK497+300为试点进行设计研究。涵洞工点设计应用传统二维设计与三维BIM设计分别进行，三维BIM设计与二维设计钢筋工程量统计结果如表1所示。从表格中得出涵洞依据孔径、斜交角度、净高和涵洞长度不同，二维设计与三维设计的钢筋数量误差也不相同，主要原因如下。

(1)二维设计与三维BIM设计的工程量计算方式不同。二维设计是人工简单数值计算，三维BIM设计是以模型为基础，利用计算机快速读取模型属性信息，因此三维BIM设计工程量计算更为准确。

(2)二维设计钢筋只能表达平面上的相互位置，存在钢筋之间相互碰撞，三维BIM设计充分考虑空间相互位置关系，进行碰撞检查，调整钢筋位置，使钢筋布置更加合理。因此二维设计与三维BIM设计钢筋数量存在一定误差。

(3)二维设计中部分箍筋、拉筋是利用含筋量进行估算，三维BIM设计对每根箍筋、拉筋的位置和长度进行详细设计，因此三维BIM设计更加精确。

(4)铁路涵洞通用参考图中存在一些人为错误，如孔径1～2.5 m、填土高3 m

三维BIM设计通过碰撞检查、深化设计进行了钢筋调整，减少了钢筋之间、钢筋与预埋件之间的碰撞。同时三维BIM设计对每根箍筋、拉筋的位置和长度进行详细设计，使箍筋、拉筋计算更加准确。因此，三维BIM设计在钢筋布置及钢筋工程量计算中更加合理。

表1 测试段涵洞工点

5 结论

(1)研究结合铁路涵洞工程特点，通过对目前市场主流BIM软件平台分析，其中Bentley平台对大体量长大带状模型支持能力强，各专业信息交互便捷，符合铁路设计习惯。因此基于Bentley平台进行铁路涵洞工程BIM应用软件开发是合适的。

(2)BIM正向设计与“施工图翻模”截然不同。铁路箱涵的BIM正向设计需继承上游专业(如线路专业、地质专业)的模型和数据，利用涵洞设计计算结果进行三维可视化人机交互创建涵洞模型，再根据涵洞模型出图算量，最后涵洞设计成果能传递给相关下游专业并贯穿于整个设计、施工、运维过程。

(3)研究开发的涵洞BIM设计辅助程序符合专业设计习惯和设计流程，让计算机代替人工重复建模，并且能够快速生成二维图纸、统计工程数量，大大提高设计效率。同时基于涵洞BIM模型能够更加清晰、直观地发现二维设计中的不足，有效提升设计质量。

(4)研究成果在包银高铁项目中得到实践应用，能大大提升涵洞建模效率，与此同时，通过碰撞检查、深化设计完善了二维设计中的一些不足，提升了设计质量。