基于BIM技术的铁路桥梁构件编码应用研究

朱 肖，刘彦明，李宗建，崔 鸣

(1.轨道交通工程信息化国家重点实验室(中铁一院),西安 710043; 2.中国铁建 BIM 工程实验室(中铁一院),西安 710043)

1 概述

BIM技术涵盖先进的三维理念和全生命周期的项目信息管理,为工程建设企业生产及管理效率提升带来新的驱动力[1-2]。

铁路桥梁工程具有鲜明的特点[3]:

(1)结构种类多,技术含量高,施工过程中控制变量多;

(2)上下游结合专业多,需要10多个专业通力协作完成;

(3)模型信息载量大,难以在工程全生命周期共享流转,运维管理困难。

建造桥梁精品工程亟需项目各参与方在设计、施工和运维管理阶段沟通协作,密切配合。总体上看,国内基于BIM的桥梁信息化管理研究尚处于起步阶段。戴林发宝[4]验证和深化应用铁路隧道EBS标准,提出当前面临的问题和下一步研究工作的主要方向;马继骏等[5]提出一套公路桥梁内部构件编码,提高了桥梁信息流通效率,为桥梁智能化管养奠定基础;王小宁等[6]结合现有信息分类和编码体系,制定公路桥梁EBS编码结构形式,为实现模型信息传递和项目管理提供依据。

上述研究在一定程度上推动了交通行业信息化发展,但研究成果主要偏向于公路、理论碎片化,缺乏一致性的铁路桥梁信息编码体系。随着BIM技术发展,特别是基于BIM技术的管理平台开发,需要对大量三维构件进行精细化管理,对构件编码提出新的要求。目前最常用的是EBS编码,采用线分法将工程系统分解为由特定性能面和专业特点构成的树状结构,具备通用性,但EBS编码是基于概预算角度对实体构件进行分解编码,可以用于BIM构件管理,但冗余较多,同时未考虑细部构件,需要进行大量扩充。相较于EBS编码体系,IFD编码采用面分法和ISO12006-2分类原则,是一种类码,可以用于构件非几何属性的表达,标识构件没有唯一性。由于铁路桥梁工程结构繁杂,专业性强,IFD产品不完善,内容也不全面,难以满足铁路建设管理的需求。两种编码体系侧重点不同,拥有各自的优势和弊端,导致桥梁专业缺乏统一的框架标准,不能实现工程建造各阶段信息的交互、共享,严重制约桥梁信息化的发展。

针对现状,构建切实可行的桥梁信息编码规则至关重要。根据《铁路工程实体结构分解指南》[7]和《铁路工程信息模型分类和编码标准》[8]的有关内容,将二者有机结合起来研究编制了铁路桥梁BIM构件的分类与编码LID(Location Identification Dictionary)——可定位的身份编码词典。编码采用数字编码形式,统一构建标准形式的桥梁信息模型结构目录树,清楚地表述各构件间的逻辑关系,实现信息模型构件在平台中的快速解析定位。

2 桥梁工程LID编码

2.1 编码原则

铁路桥梁工程信息模型编码应遵循以下基本原则[9-10]。

(1)唯一性

构件编码规则中,每个独立的构件拥有1个唯一性编码,可以准确定位识别某一具体构件。

(2)合理性

编码结构及格式应保持统一,必须合理分解庞大复杂的桥梁工程体系,才能达到全生命周期信息流通的目的。

(3)扩充性

构件编码可被方便地裁减和灵活地扩展,留有充分余量,能够适应不断扩展的需求。

(4)简明性

构件编码位数尽量简短,含义清晰明了,方便不同阶段的操作和使用。

(5)层级性

构件编码以对象层级分类为基础,契合模型精细度LOD分级要求,能准确反映分类编码对象的属性及相互关系,便于汇总数据。

2.2 编码方法

采用桥梁名称+结构物+子结构物的编码方法,依次往下类推到最小模型单元,保证每个层级都有相应的编码,不应有空缺[11-12],各层级编码使用“-”进行连接,表示对象间的主次关系。

桥梁工程LID编码一般结构如图1所示。

图1 分类编码结构Fig.1 Classification coding structure

第一编码层级由桥梁上部结构、下部结构、附属结构、大临工程、其他工程构成,对应数字编号为10、20、30、40、50;第二编码层级主要描述第一层级结构类型、形式、施工方法、跨数、排序,如表1所示;第三编码层级映射桥梁基本模型单元如表2所示;第四、第五编码层级可根据项目实际需要进行扩展,满足不同阶段的需求。

表1 第二级编码内容

表2 第三级编码内容

以XX特大桥后张法预制架设简支箱梁梁体和桩基础为例,根据上述编码结构可表示为:10—020104010008—030101(上部结构—第8孔混凝土简支梁(箱梁、后张法预制架设)—梁体1)和20—423201010001—100000—0201—01008(下部结构—第1号墩(圆端形)—桩基础-桩—桩8)。

3 BIM模型LID编码及属性添加工具开发

3.1 开发目标

桥梁工程BIM模型信息维护面临大量“增、删、查、改”的问题,为有效解决BIM模型属性添加困难,平台和模型间信息流通不畅等关键技术问题[13],确保每座桥梁构件实现有序编码,快捷录入、存储及检索,为桥梁智能建造和精细化管理奠定基础。在Revit平台下进行二次开发,重点实现目标如下[14-15]:

(1)按照桥梁结构特点,遍历各个构件,添加具有唯一性的LID编码;

(2)数据交互,快速实现属性信息的添加、修改和删除;

(3)模型轻量化处理后,保障信息的完整性,实现结构树和BIM模型的有机挂接。

3.2 实现流程

Revit提供了基于.NET的二次开发接口,通过C#语言编写LID编码及属性添加工具,扩展其原生功能[16],程序界面如图2所示,主要流程包括:

图2 LID编码工具界面Fig.2 LID encoding tool interface

(1)基于Visual Studio 2017开发环境,建立C#类库文件,添加引用System.Windows.Forms命名空间;

(2)在Revit安装目录下,引用RevitAPI.dll 和RevitAPIUI.dll动态链接库,调用其中的类和函数;

(3)采用Sqlite作为后台数据库,选择Sqlite.dll组件进行访问;

(4)编写程序开发代码,完成IExternalCommand 接口配置;

(5)调试编译代码,成功后生成.dll文件,通过Revit外部工具按钮,识别和加载插件,查看运行结果。

3.3 关键技术小结

Revit二次开发正处于发展阶段,关于桥梁专业资料相对较少,加之软件底层设计的限制,导致开发LID编码及属性添加工具过程中,面临较多的技术障碍。经过努力,这些问题得以完美解决。

(1)Revit软件中,批量选取的同类族不会自动排序,无法添加顺序码。通过设定起始元素和第二个元素,确定两者的方向向量V1,并判断与X轴是否平行,不平行的话,利用CrossProduct方法构造垂直向量V2,然后输入参数垂直向量V2、V1与X轴的角度、起始点坐标,采用Transform方法进行坐标几何变换实现所有选取构件按指定方向的排序编号。

(2)Revit软件中,模型需要手动添加修改属性信息,难以保障生产效率。通过类别过滤器OST_GenericModel过滤构件的LID编码,建立构件和属性表格的映射关系,然后采用LookupParameter方法识别LID编码,完成修改选择的族文档参数,批量赋予构件属性信息,载入项目中。

4 工程应用实例

西康高铁北起西安东站(含),南至安康西站(含),新建正线全长170.926 km,设计时速350 km,是“八纵八横”高铁通道中包(银)海通道、京昆通道的重要组成部分。龙潭沟大桥为跨越龙潭沟及水泥路而设,孔跨布置为:1-24m+4-32m双线简支梁桥,采用支架现浇施工。

三维设计阶段,运用自主开发的程序能够快速生成附加LID编码的属性信息模型,通过三角化和参数化处理将几何模型重构,压缩BIM模型体量。对模型进行轻量化处理,可以保证加载效率和信息传递的高效性。

结合自主研发的“BIM+建造管理平台”,载入龙潭沟大桥轻量化BIM模型和信息数据库,实现对模型的解析编译,将层级定位码和辅助定位信息以JSON文件格式存储,自动构建工程结构树,显示构件属性,如图3所示。运用大场景GIS技术和BIM模型可视化强、信息协调好的特性,解决构件定位、查询和高亮显示的难题,实现信息跨平台间的传递与共享[17],开展智能校审、工程量统计和进度管理研究,具体应用流程如图4所示。

图4 基于LID编码的桥梁BIM应用流程Fig.4 Bridge BIM application process based on LID encoding

4.1 工程量统计

精细化参考模型是为施工仿真和工程量统计专门建立的工程结构模型,如图5所示,囊括钢筋、预埋件和其他附属设施,充分展示出结构的细节部位。在平台中,将LID和IFD编码有机结合,通过LID编码定位构件,明确基本信息,读取构件的IFD编码属性。IFD是通过特定规则组合在一起的一串编码,用于表达一个工程数量名称。同时,将参考模型与基本模型的属性中LID编码部分对应的属性值保持一致,即可实现两者间的关联。对获取到的构件IFD编码进行特定的解析运算,即可将其反向编译为文字,同时读取该IFD编码对应的属性值,生成模型工程数量。

图5 平台下圆端形桥墩钢筋参考模型Fig.5 Reference model for steel reinforcement of circular pier under platform

后期方便随时调用和提取该工程数量数据库,核对施工图清单,控制成本,从根本上减少材料浪费[18]。

4.2 智能校审

LID编码作为基础性工作,在BIM模型智能辅助技术审查中得到了广泛应用,取得良好效果。通过对LID编码的识别解析,程序可以判断出构件的类型、名称、部位等基本信息。与程序中的其他算法相结合,对比规范中强制性条文和模型精度要求[19],使用特定算法分析信息可以实现模型单元属性完整性审查、模型几何结构拓扑性审查、模型空间位置审查、模型合规性审查等功能,如图6所示。

图6 单元属性合规性审查判定Fig.6 Unit attribute compliance review and judgment

4.3 进度管理

在管理平台中,识别LID编码,反向解析形成工程结构树,建立与模型构件一一对应的关系。施工组织信息采用计划结构树的形式,将计划结构树中的各个节点附加至工程结构树的对应节点上,实现利用LID编码建立计划进度与构件之间的映射关系。同时,进度管理模块通过模型窗口来展示施工进度,查询LID编码浏览挂接信息,使用进度信息图表直观显示进度数据,真正实现了高水平的动态进度管控[20]。

当实际施工进度与计划进度出现一定程度的偏差时,相关专业负责人、工程师可以在BIM管理平台上分析偏差原因,修改工程结构树中对应节点的信息,调整纠偏进度计划,实现利用LID编码建立实际进度与构件之间的映射关系,确保工程建设顺利完成。

5 结语

进入新世纪以来,信息化、数字化和智能化在各领域取得了突破性进展,开启了利用高新技术改造传统产业的进程。国铁集团 2017年发布《铁路信息化总体规划》,提出全力推进中国铁路信息化建设。结合西康高铁工程,通过分析桥梁工程编码需求、制定桥梁工程LID编码、开发编码和属性添加工具以及多方面应用实践,得出如下结论。

(1)目前我国铁路行业信息化发展水平较低,通过研究编制LID编码,首次建立起一套适用于铁路桥梁信息模型的编码规则,为实现工程智能建造管理奠定了基础。

(2)桥梁工程LID编码具有唯一性、可扩充性,分五级组成,表示结构对象间的主次关系,满足工程建设不同阶段的使用需求。

(3)运用C#语言开发Revit插件,界面简洁,操作方便,从根本上解决了BIM模型手动添加属性困难的现状,提高生产效率。

(4)正确解析出附加LID编码的构件类别、位置及属性信息,开展工程量统计、智能校审和进度管理研究,实现工程建设多阶段信息共享流转,填补当前我国铁路领域的技术空白,拓展BIM技术应用方向,具有创新性强、实用水平高的特点,提高工程建设质量和品质。

研究成果已在西延高铁、西康高铁和西十高铁等项目中展开深度应用,项目各方积极参与,共同打造精品工程,进一步推动BIM技术落地应用和铁路信息化的发展进步,践行国铁集团“交通强国,铁路先行”的数字化格局。