基于Revit平台的高速铁路大跨斜拉桥工程算量系统研发

张鹏飞,杨福瑞,雷晓燕,宋 鑫

(华东交通大学铁路环境振动与噪声教育部工程研究中心,南昌 330013)

大跨度斜拉桥在我国高速铁路建设中应用越来越多，其项目投资大、建设周期长、协同效率低下等特点对项目造价管理提出了更高的要求[1]。对于铁路基础设施而言，工程量计算是设计及施工阶段成本控制的前提和基础，通过控制设计及施工阶段中的工程量，可减少造价成本。随着BIM技术[2-3]在铁路建设工程中的广泛应用，铁路基础设施的工程量计算方式已逐步由手工计量向智能化计量过渡。当前铁路BIM标准[4-7]与现行铁路工程量清单分解结构等方面存在较大差异，应用BIM直接计量与按清单计量得到的工程量结果也有偏差，因此，基于BIM直接计量不能快速准确地实现对铁路基础设施工程量统计。

国内外学者对BIM模型工程量自动提取的二次开发展开了一系列的研究，KWON O-Cheol等[8]通过建立BIM模型方式，从BIM模型中提取正确的数据进行工程计量；安培等[9]通过Revit二次开发的插件将BIM模型导入广联达BIM土建算量软件，进行工程计量、计价计算；于鑫等[10]基于Revit二次开发实现了三维钢筋算量，该研究为钢筋用料统计提供科学、准确的数据支撑，并深度挖掘了BIM在钢筋工程中的应用价值。在铁路工程领域，为解决铁路BIM标准与现行铁路工程量清单存在差异的问题，景风等[11]建立了符合BIM建模特点且满足总承包模式及全过程造价管理的三级高铁工程量清单EBSWBS；单向华等[12]通过对铁路工程造价标准定位和工程定额模型的分析，提出了模型构建上的一致性，论证了铁路BIM标准与造价标准一体化发展的可行性。这些研究成果验证了基于BIM技术可以实现设计信息和计量信息传递与共享的可行性，同时也印证了铁路BIM标准与现行铁路工程量清单模型一体化的可行性，但铁路基础设施基于BIM模型工程算量仍然处于探索阶段。因此，进行铁路基础设施BIM模型工程量计算研究具有重要意义。

本文针对高速铁路大跨斜拉桥中的轨道与桥梁，构建了适合BIM算量的工程量清单，并进行了高速铁路大跨斜拉桥算量系统的研发，为基于BIM模型实现高速铁路工程量快速统计提供参考。

1 工程量清单构建与计量信息分析

1.1 工程量清单构建

在BIM软件中，构件以族的形式表现，而铁路工程量清单项目[13]按分部分项工程进行分解，诸如正线与站线、新与旧等不同类型工程，两种分解结构有所不同，但最终涵盖的工程内容大致是一致的。工程量清单与BIM模型的工程分解结构的差异性，使得从BIM软件中导出的工程量结果不能与工程量清单形成一一对应关系，无法直接实现基于BIM的工程算量。

针对当前BIM标准与现行铁路工程量清单存在的差异，构建了高速铁路大跨斜拉桥中轨道与桥梁工程量清单的分解结构，其分解结构的部分成果如图1所示，并根据工程量清单分解结构中的构件，从现行铁路工程量清单中将构件的计量信息一一提取，重构高速铁路大跨斜拉桥中轨道与桥梁的工程量清单。通过重构工程量清单的方法与BIM模型建立联系来实现基于BIM模型的智能化算量。

图1 轨道与桥梁部分工程量清单分解结构

1.2 计量信息分析

为满足不同构件计量的信息需求，在设计阶段，依据铁路建设工程定额和清单工程量计算规则，详细分析各类构件计量所需的信息，为BIM模型添加相关的几何、物理、功能等基础数据[14]，完善BIM模型中所需的计量信息。

根据铁路建设工程定额和清单工程量计算规则，计量信息特征可大致分为功能作用类、材料种类及要求类、几何特征类、施工方式和施工工艺五大类，这五大类特征的计量信息基本上满足高速铁路大跨斜拉桥构件实体分解的要求。以标准钢轨构件为例，其计量所需的参数信息见表1。

表1 标准钢轨构件计量所需的参数信息

2 高速铁路大跨铁路斜拉桥计量系统设计

Revit是一款市场上使用广泛的BIM参数化三维建模软件[15]，其拥有丰富的应用程序接口API(Application Programming Interface)，开发者可以通过调用API的类，根据自己的需求对Revit的功能进行扩展。为了实现基于BIM模型的智能化算量，需对Revit软件进行二次开发来进行算量系统的研发。该算量系统基于根据Revit 2019的二次开发要求，在.NET Framework 4.7开发环境下，采用Visual Studio 2017工具、C#开发语言及SQLServer2014数据库进行设计。

2.1 基于Revit平台的算量系统的架构设计

本算量系统采用了经典的三层架构模型，如图2所示，主要在Revit平台上实现BIM模型设计和工程量统计工作，通过程序调用RevitAPI来提取模型中与操作相关的数据，并与外部数据库建立联系，实现计量信息的收集。数据层主要由外部数据库和BIM模型数据库构成，外部数据库基于SQL Server2014进行构建，并建立计量清单及计量规则库与项目库；应用层主要基于Revit平台定制相应功能，通过相应的功能程序与数据层建立联系，进行数据的提取与存储；展示层主要通过Revit平台对应用层相应的功能效果进行展示。

图2 基于BIM的算量系统构架

2.2 BIM计量模型的构建

2.2.1 BIM模型的构建

本文选取某高速铁路大跨铁路斜拉桥为研究对象，其结构为(136+260+136) m四线预应力混凝土斜拉桥，桥上铺设CRTSⅢ型板式无砟轨道。利用Revit软件建立的高速铁路大跨斜拉桥BIM模型如图3所示。

图3 某大跨铁路斜拉桥BIM模型

2.2.2 BIM计量模型的构建

BIM计量模型构件名称映射规则通过BIM模型构件族名称与高速铁路大跨斜拉桥中轨道与桥梁的工程量清单分解结构中构件的名称是否产生一一映射关系确定，并通过构件名称映射规则判定BIM模型构件是否符合BIM计量模型构件要求。利用BIM模型结合BIM计量模型构件名称映射规则构建完整的BIM计量模型如图4所示。

图4 BIM计量模型的构建

2.3 Revit与SQL Server数据库数据交互

采用SQL Server[16]数据库建立外部数据库，运用ADO技术进行C#语言与SQL语句混合编程，使Revit与外部数据库之间进行数据交互，如图5所示。

图5 Revit与SQLServer数据库数据交互

Revit与数据库之间的数据交互主要包括：(1)将BIM计量模型中计量信息按计量规则提取到外部数据库中进行存储；(2)将外部数据库中存储计量清单中的计量规则信息与BIM计量模型中的构件建立一一映射关系，以便于计量信息的提取；(3)将外部数据库中存储的计量信息与Winform窗体控件绑定，进行信息的输入与输出。

2.4 BIM模型计量信息的提取

BIM模型作为计量信息的载体，计量信息需根据BIM模型各个构件进行获取。运用Revit二次开发技术，使用过滤器与收集器，将BIM模型中的构件进行分类，并遍历收集器中的构件元素，使构件元素与工程量清单产生映射关系，从而提取出BIM模型中所需的计量信息。

根据BIM计量模型计算工程数量，是通过构件与该构件的计量单位之间的映射关系，进行该构件的工程数量汇总。通过铁路工程计量规则进行工程数量计算的内容包括体积计算、面积计算、长度计算、重量计算、自然计量单位计算(如个、座等)等，对于图元映射所计算的子目是体积与长度，则通过调用RevitAPI中的类Parameter来获取该图元所需计量的体积和长度信息；对于图元映射所计算的子目是面积，则通过调用RevitAPI中的类GeometryElement来获取该图元的几何实体，然后该图元的几何实体通过几何算法获取该图元所需计量的面积信息；对于图元映射所计算的子目是重量，则通过调用RevitAPI中的类Parameter来获取该图元计量信息体积，然后根据该图元所赋予的材质，通过调用RevitAPI中的类PropertySetElement获取图元材质的密度，最后通过质量计算规则获得该图元计量的重量信息；对于图元映射所计算的子目是个、处、孔、组、座或其他可以明示的自然计量单位，按过滤条件遍历收集器中的元素，通过遍历的次数获得所需的计量信息。

构件的其他计量信息如构件的元素Id、族名称、族类型及材质等构件自身所赋予的计量信息，则通过调用RevitAPI获取所需字段的计量信息；如编码、项目划分特征、计量规则及附注等计量信息是通过构件与外部数据库进行关联的，其计量信息则根据构件计量信息的字段名称从外部数据库中获得。

2.5 算量系统功能的实现

本系统使用Visual Studio 2017的Winform窗体来对Revit平台界面进行UI扩展，如图6所示。UI界面的功能包括模型映射功能、数据提取功能、汇总功能、查询构件清单功能和查询与导出功能。

图6 UI扩展功能界面

(1)模型映射功能：BIM模型中的构件与构件映射规则中的构件名称产生映射关系，通过模型映射功能判断BIM模型中的构件是否符合BIM计量要求。图3中的BIM模型通过模型映射功能(图7)将BIM模型中的构件与映射规则中的构件名称一一映射后的结果，BIM模型全部构件显示红色(图8)，则该BIM模型符合BIM计量要求。

图7 模型映射功能

图8 映射后的BIM模型

(2)数据提取功能：通过添加提取字段(图9)，创建项目数据库及构件数据表，然后通过数据提取功能按所需的计量信息字段通过一定的映射关系，将所需的计量信息提取到相应的构件数据表中进行储存，生成构件明细数据表。

图9 计量信息字段的添加

(3)汇总功能：在项目数据库中创建汇总表，然后通过汇总功能将构件与构件的计量单位产生映射关系，通过一定的计算关系进行工程量统计，将统计的工程量在汇总表中进行储存。

(4)查询构件清单功能：BIM模型中的单个构件匹配对应的清单项目，通过查询构件清单功能进行清单项目信息查看，如图10所示。

图10 构件清单库

(5)查询与导出功能：通过该功能查看构件的明细表与工程量汇总结果，然后输出到excel表中，生成工程量明细清单，如图11、图12所示。

图11 混凝土底座明细表

图12 工程量汇总表

3 算例分析

以2.2.1节中高速铁路大跨斜拉桥BIM模型为例，对该计量系统进行验证分析。分别按照传统设计和BIM设计算量方法对该高速铁路大跨斜拉桥的工程数量进行统计，其部分成果见表2。

表2 两种模式工程量统计

由表2可知：两种不同模式下工程量对比差值百分率在3%的范围之内，是由于大多数构件是非规则形状构件，非规则形状构件建模的精度不够或者图纸设计有误导致，属于合理范围；普通箱梁和0号块箱梁的BIM设计结果与传统设计计算结果产生的误差偏大，这是因为在设计阶段没有对普通箱梁和0号块箱梁内部预应力管道等部分体积进行扣减，而该系统只对构件实体部分进行统计。因此，在构件的BIM设计阶段，需对模型进行深化，提高模型的精度；两种不同模式下工程量对比，除箱梁的对比误差较大，其他构件的对比差值百分率都小于3%，因此，使用该算量系统进行BIM设计计算结果产生的误差属于合理范围。

4 结论

对高速铁路工程量计算现状进行了分析，总结了高速铁路大跨斜拉桥工程基于BIM进行工程量计算的不足，根据铁路工程工程量清单计价指南和铁路BIM标准，构建了适合高速铁路大跨斜拉桥的轨道、桥梁工程量清单，实现了基于BIM模型直接计量，为高速铁路工程量快速统计提供了一种新的方法。主要结论如下。

(1)利用C#语言进行了Revit二次开发，研发了高速铁路大跨斜拉桥工程的算量系统，极大提高了工程量统计的效率。

(2)本系统直接基于Revit平台进行开发，不需要借助其他算量软件进行工程量统计，避免了将BIM模型导入到其他算量软件过程中存在数据丢失、无法转化等问题，保证了数据的准确性。

(3)通过高速铁路大跨斜拉桥的算例分析，验证了该系统的正确性，确保了模型与设计图纸的一致性。