基于BIM技术的轨道交通桥梁工程量计算

韩广晖

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

1 概述

在2D设计时代，工程数量计算多以CAD二维图纸为基础，计算机不能直接识别图中所包含的设计信息，需要依靠人工或专业造价软件进行计算[4]。在这个过程中，都需要对设计信息进行一次传递，当设计信息发生变化时，这种传递方式会使工程量计算出现滞后，拉长设计周期。在3D设计时代，工程数量计算以模型为基础，模型承载了设计信息，这些信息可以被计算机方便快速地读取，相较于2D设计，减少了设计信息传递的环节。当设计发生变化时，模型承载的设计信息会同时更新[5]。林韩涵等[8]开发了能够输出符合清单规则的构件工程数量插件，并论证了BIM设计软件输出工程量清单的可行性。杨国伟等研究了基于BIM的轨道交通工程量计算及投资控制方法，实现了工程量的精确计算、工程量可溯源及动态的投资控制[10-11]。刘为等[12]将BIM算量应用于高层住宅楼中，证明应用BIM模型算量可以避免工程算量的二次建模。付欢等[13]基于IFC标准，建立构件与量、价的关系，构建BIM设计、BIM预算与BIM造价管理的完整表达。王亮等[14]利用Revit模型和“广联达土建算量软件”对BIM工程量信息与施工预算模型的有效对接和传递进行研究。匡思羽等[15]分析了IFC标准中典型梁柱构件几何信息、关联信息的描述方法，借助几何方程实现节点重叠体积的计算，得到符合我国计量标准的混凝土工程量。

以模型为基础的工程量计算方式对模型的精确度和信息的完善度均有较高的要求，如模型不准确或信息完善程度不够，将极大地影响工程数量的计算。故在模型成熟度较高的情况下，BIM信息模型的价值才能真正显现。若采从二维图纸翻模到BIM信息模型，而不是设计之初就采用BIM信息模型，此种工作流程下所经历的数据传递，比基于图纸的工程量计算方式还要多一次(从图纸到模型的转换过程)。随着信息传递环节的增加，出错的风险也会成倍增加，信息滞后的情况会越来越凸显[9]。

为解决模型精度及信息量不足的问题，提出基于桥梁专业结构化数据进行工程量计算的解决方案。其主要方法是将信息存储于结构化的数据中，模型的创建和工程数量的计算均以带有专业属性的结构化数据为基础，即模型作为设计成果表达的承载体，工程数量计算作为设计成果的一部分。

2 基于结构化数据的工程量计算

以桥梁专业结构化数据为依托，模型既是结构化数据的实物外现，又是非几何设计信息的承载体。参考《铁路工程信息模型表达标准》[1]中桥梁模型可拆分系统的分类，对桥梁组成进行分解，对桥梁数据进行分类和结构化，并在此基础上进行工程数量的计算和输出。

2.1 桥梁数据结构化

按照常规桥梁的组成，结合桥梁结构对工程数量项进行划分，主要分为：上部结构、下部结构、附属工程、施工辅助四个部分。依据桥梁结构的特点，主要抽象出梁部、墩台、基础三大主要组成类(如图1所示)。桥梁结构的每个工程数量项均围绕三大主要构件展开，构件可作为数量项的挂接点和计算的归结点。采用编程的方法实现桥梁数据结构化[3]，其构成如图2所示。

梁部·梁、拱、柱、索塔、斜拉索、吊杆、缆索等墩台·桥台、桥墩、盖梁、系梁等基础·桩基础、沉井基础、挖井基础、明挖扩大基础等

图1 桥梁结构主要组成构件

图2 桥梁结构化数据构成

2.2 工程数量的计算方式

以构件为依托[7]，从结构化的数据中获得计算信息，采用编写程序计算模块的方式对工程数量进行计算。在数量计算的过程中，采用编码与工程数量项进行关联、在工程数量清单中预设编码的方式进行工程数量的输出。

根据工程数量项的特点，可采用不同的计算方法：①对于构件本体的工程数量，常规设计中均引用参考图，此类数量可通过配置构件工程数量数据库的方式，将主体结构的工程数量预设到数据库中，计算时根据特定的值(如墩高)进行查找。②涉及到基础开挖的相关数量项，因其与地面高程和地质信息相关，可编写针对性的数量计算模块。③涉及到长度、个数等指标信息的数量，可采用编写计算模块的方式进行计算。④对于常规的施工辅助措施，可编写专门的施工辅助计算模块进行计算；对于非常规的施工辅助措施，可预留工程数量扩充接口，进行人工干预。

(1)预设工程数量查找

对于常规的主体工程数量，如桥墩的墩身混凝土和钢筋量，其数量是一定的，且多数情况下是标准的(有标准图可以参考)，只需要把其数量从图纸中摘取出来，输入到数据库中(如图3所示)，以便使用时查询引用。

图3 主体工程量配置

(2)计算模块编写

除可以进行工程量预设的数量项外，其余数量项均采用编写计算模块的方式进行计算。对于土方量、钻孔信息，需要结合地质情况、土层顶高度和土层分类等参数进行计算。计算过程中，程序可自动根据性质、高程、直径等信息进行编码，计算完成后得到编码和数量的对应关系表，并采用结构化的数据存储类进行工程数量及编码的存储。

3 构件与工程数量的映射关系组织

桥梁工程数量的表达需要分解到针对某构件某个部位所用的某种材料，方可满足工程量计算的要求。如明挖基础施工展开项如图4所示。实体桥台的各部分展开至构件级，如图5所示。

图4 明挖基础工项级展开

图5 实体桥台展开至构件级

工程数量项的计算依托于构件进行，故每个工程数量项可找到其依附的构件，与构件产生映射关系。桥梁工程构件、程序内部编码、工程数量清单表、定额编码、工程数量交付标准编码间的组织关系如图6所示。程序内部编码对应构件的工程数量项，与工程数量表、定额编码和交付编码分别产生一一对应的映射关系，以此来完成工程数量的计算及BIM模型交付要求的工程数量表达。

图6 构件、编码、清单、定额的组织关系

4 工程数量编码分析

对工程数量进行编码是为了统一语义表达标准和方便计算机识别。根据程序编制和BIM交付的需求，编码可分为程序内部码、交付码和定额编码。定额编码与工程数量的关系可根据各行业和地区的定额手册来确定；程序内部编码根据“构件+工项+产品/材料”的组码原则进行编制；交付码根据铁路BIM联盟工程量技术标准，采用IFD53编码、IFD54编码、IFD59编码进行表达[2]。在实际操作过程中，对各种交付编码与程序内部码进行映射，最终表现在BIM模型交付物中。

针对程序开发的内部编码，以编码组成的方式进行分析。以工项编码为例，如“下部结构-基础工程-明挖基础-土方-3.0m以内，无挡，无水”编码为：“BR-FD-OC [桥梁-下部结构-明挖基础]+DS[土石方工程-挖方-挖土方]”。但此处的工项“挖土方”不能满足深度要求，需对该项编码进行扩充(扩充“开挖深度”、“有无水”、“有无挡”、“开挖方式”几项，直至满足表达唯一工程量项要求)，扩充后的码为：“DS-03(开挖深度3 m)-01(无挡)-01(无水)-01(人力开挖)”。以材料编码为例，如“下部结构-陆上-实体桥台-台身-混凝土C30T2泵送” 编码为：“BR-AB-BO [桥梁-下部结构-墩台-墩台身]+CN[非金属材料-混凝土材料-混凝土]”，构件编码为：“BR-AB-BO-01(陆上)，对材料进行编码：CN-30(混凝土标号) T2 (环境类别)01(泵送)”。

其余数量项的组码原则与上述举例类似。结合程序使用，可分别截取不同的码段进行对应属性的识别。进行BIM正向设计时，根据设计采用的构件编码自动进行属性判别，计算工程量数据；将数据与编码进行对应，进行灵活的概预算估算和数量表达。

5 结束语

将BIM技术[6]应用于工程造价管理，可在项目前期为方案决策提供依据，在项目实施阶段使参建各方快速、准确地获取工程数量和造价数据，使工程成本精细化控制成为可能。提出基于BIM技术的专业结构化数据算量解决方案，通过编写工程量计算程序，结合多种编码的方式进行工程量的快速计算和全生命周期BIM模型的创建，实现工程量数据从设计向实施阶段的流动。