邊坡支護設計BIM技術研究

楊禮國，程雨秋，高 帆，王志寧

（中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

1 問題的提出

為保證邊坡下結構施工和周邊環(huán)境的安全，對邊坡側壁及周邊環(huán)境采用支擋、加固和保護的措施統(tǒng)稱為邊坡支護。邊坡支護工程是多種復雜因素交互影響的系統(tǒng)工程，既是結構工程，又是巖土工程。同時邊坡支護工程作為一門學科，它不僅是施工技術互相交叉的學科，而且是理論上尚待發(fā)展的綜合技術學科。

目前，邊坡支護工程正向大深度、大面積方向發(fā)展，有的長度、寬度、深度均超過百米，工程造價高，開工數(shù)量多。但由于其技術復雜、涉及范圍廣、變化因素多、事故頻發(fā)，因而又成為建筑工程中最具有挑戰(zhàn)性的技術難點。邊坡支護工程質量不僅僅關系到工程參建各單位的生存發(fā)展，更是關系到人民群眾的生命財產安全，因此必須做好整個開挖支護的全過程，包括勘察、設計、施工、監(jiān)測等各個工作環(huán)節(jié)。

設計作為邊坡支護工程中不可或缺的一環(huán)，對整個邊坡的安全起著根本性的作用，提高邊坡設計的質量至關重要。目前已經存在的支護設計軟件大都采用二維參數(shù)化繪圖，主要目的是解決設計人員的出圖問題，簡化傳統(tǒng)出圖的繁瑣流程，需要輸入大量的支護設計參數(shù)，給用戶帶來大量的前期準備工作，一定程度上降低了效率，同時由于缺乏高效統(tǒng)一的協(xié)同設計平臺，設計軟件不能直接使用三維地質成果，軟件的工程適用性無法得到提高，不能形成系統(tǒng)完整的解決方案。另外，不注重設計成果的記錄與輸出，支護設計信息未能得到管理與有效利用，使得支護信息缺失，這也給后期邊坡的維護帶來不利影響。

隨著BIM理論與技術的發(fā)展，信息模型的應用正在不斷的向工程全行業(yè)擴展。利用BIM技術，一方面實現(xiàn)模型可視化，另一方面實現(xiàn)設計過程和設計信息的集成，同時，有了協(xié)同設計，各專業(yè)的技術設計人員可以全部參與進來。目前工程行業(yè)對于模型與信息的應用已經遠遠超出以前單純參數(shù)化三維建模的應用深度。BIM技術的應用讓構件以三維虛擬實體展示，不僅能夠在構件之間形成互動和反饋，而且可以和實景融合并進行施工模擬，顯著提高工程項目各方之間溝通與交流能力，同時，也大大促進建筑工程全生命周期的信息共享，提高工程項目各方對整個建筑工程項目全生命周期的管理能力，優(yōu)化所有利益相關人員的工作效率。因此，將BIM技術應用于邊坡支護，成為工程領域的迫切需求，也是近年來行業(yè)內熱門的研究課題。

2 邊坡支護技術難點

由于邊坡支護涉及范圍廣，支護形式多樣，開發(fā)適用于邊坡支護設計的BIM軟件系統(tǒng)，一般面臨著以下4個技術難點：

（1）邊坡三維模型的表達。邊坡是為了保證結構穩(wěn)定，在結構兩側做成的具有一定坡度的坡面，邊坡分為人為和自然邊坡，形狀不規(guī)則，并且體積巨大。邊坡的支護設計依據(jù)邊坡周邊的地質環(huán)境進行，但通常支護后的邊坡形狀和支護前的邊坡形狀變化不大，在實際建模過程中，邊坡由于其不規(guī)則性，不適宜用規(guī)則的樣條面和平面表達。需要一種高效靈活的方式去表達邊坡三維模型。

（2）支護三維模型的表達。傳統(tǒng)的支護分類方法，通常將支護分類方式按照施工工藝進行分類，大體分為4類：抹面與捶面防護、植物防護、柔性支護以及綜合防護，但這種分類方式并沒有從支護模型的特點考量，使得三維建模時，不能找到統(tǒng)一的表達方式，增加BIM軟件系統(tǒng)復雜度。支護的類別眾多，模型表達的粒度至關重要，粒度大小直接決定建模的工作量和模型的大小。模型表達的越精細，工作量越大，需要存儲的數(shù)據(jù)也越大，模型所占用的存儲空間也越大，進行分析處理需要的時間也越長，BIM軟件需要根據(jù)工程實際應用需求，選擇一個合適的建模粒度。

（3）支護信息的存儲與管理。BIM最有價值的部分是和模型關聯(lián)的屬性信息，信息是連接工程設計、工程施工、工程運維的紐帶。如何設計和存儲支護的屬性信息至關重要，需要屬性信息能夠很便捷的查詢同時而不依賴特定的平臺，并可以在各個平臺（包含PC端、Web端、移動端）之間實現(xiàn)無損傳遞和共享，同時還能夠方便的擴展和修改。如何存儲和管理這些信息，也是邊坡支護BIM系統(tǒng)需要研究解決的一個問題。

（4）支護的自動布置。邊坡支護的首要目的是保證邊坡的穩(wěn)定性，設計時必須要依據(jù)工程位置的地質條件。因此，實現(xiàn)支護的自動布置及設計，必須要首先解決地質模型和信息的融合問題。邊坡的形狀極不規(guī)則，支護的布置和邊坡的表面形狀緊密相關，采用手工建立三維模型的方法很難在不規(guī)則的表面進行精確定位，工作量大且非常繁瑣，基本不可行。如果要建立支護的三維模型必須依靠軟件并結合支護設計思想進行智能化的生成。

3 邊坡支護技術研究

為開發(fā)適用于邊坡支護設計的BIM系統(tǒng)，針對以上技術難點，可以采用以下方法進行解決：

（1）根據(jù)支護布置方式的特點進行分類。傳統(tǒng)的支護方式分類方法通常按照施工工藝進行分類，不適合作為三維建模的分類標準。結合邊坡支護行業(yè)的特點，以及參數(shù)化三維建模的要求，對支護按照其布置方式的特點進行分類，可以分為點類支護、面狀支護以及體類支護等3類。①點類支護的特點可以概括為和邊坡表面交集，它是以點的形式存在的，通過大量的點狀分布，來實現(xiàn)邊坡整體的加強。例如錨桿類支護、種植樹木支護。對于點類支護模型，又可以分為2類進行表達：第一類采用線條進行表達，并在屬性信息中記錄其錨桿的直徑、材料等信息，在模型顯示時，則使用柱狀的實體進行表達，對于錨桿表面的紋理、溝槽等信息則不在三維模型中表達，改為使用材質覆蓋，這種表達方式適用于錨桿、鉆孔類支護。第二類則采用共享單元表達，這種表達方式適用于種植樹木一類的支護，不但可以壓縮文件大小，還可以優(yōu)化顯示性能。②面狀支護則可概括為通過覆蓋邊坡表面的方式來加強邊坡整體，例如噴混凝土、覆蓋草皮、放置防護網等方式。對于面狀類支護模型，如噴混凝土、種植草皮等支護方式，統(tǒng)計時僅需要面積即可，這一類的支護模型可以使用沒有厚度并附加材質的網格面進行表達。③體類支護則可統(tǒng)一為在邊坡表面建立縱橫交錯的條帶狀的混凝土塊體型的支護方式。對于體類支護，由于其和邊坡的表面緊密相連，同樣具備邊坡的不規(guī)則性，并且在工程應用中都需要統(tǒng)計其體積，因此使用封閉的網格體來表達，比如格構梁類支護

（2）針對性的選擇模型表達方式來建立邊坡以及支護模型。三維模型的常用表達方式有3種：實體、曲面以及網格。①實體建模是一種非常精確的表達方式，邊界非常嚴格，各個軟件通常都有自己的一套數(shù)據(jù)結構，相互之間存在轉換障礙，實體建模不適用于表達不封閉的邊坡。②曲面建模也是一種常用的模型表達方式，曲面模型與實體模型的區(qū)別在于所包含的信息和具備性不同，實體模型總是封閉的，沒有任何縫隙和重疊邊，曲面模型可以不封閉，幾個曲面之間可以不相交，可以有縫隙和重疊。③網格建模是計算機圖形學中用于為各種不規(guī)則物體建立模型的一種數(shù)據(jù)結構。網格的數(shù)據(jù)結構簡單，擴展性好，并且所有圖形平臺都能夠支持，具有良好的跨平臺特性?；诖?，采用網格來表達邊坡模型，可以有效彌補采用實體及曲面方式的不足。

（3）支護屬性設計與存儲。在BIM的世界里，一個完整對象不僅僅包含幾何圖形，還包含相關的屬性信息。考慮到設計、施工、運維的各個階段都需要大量的屬性信息，因此屬性設計需要兼顧各個階段。同時伴隨著屬性不斷的擴充，屬性的存儲需要容易擴展和變更。基于以上原因，屬性的存儲采用可擴展標記語言（XML）進行存儲。XML是一種用于標記電子文件使其具有結構性的標記語言，可以對文檔和數(shù)據(jù)進行結構化處理，并且能夠在部門、客戶和供應商之間進行交換，實現(xiàn)動態(tài)內容生成，企業(yè)集成和應用開發(fā)。同時，XML的簡單使其易于在任何應用程序中讀寫數(shù)據(jù)，各個BIM平臺都支持XML。通過使用XML存儲支護的屬性數(shù)據(jù)，可以擺脫平臺的依賴同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)在各個平臺的共享。

（4）支護的參數(shù)化三維建模。支護三維參數(shù)化的建模的難點在于如何將工程設計師的設計思想同計算機程序結合。由于邊坡的形狀不規(guī)則的特性，在三維空間內建立支護的三維模型和傳統(tǒng)的二維制圖有很大的不同，為解決這一難題，可以將支護的設計參數(shù)和邊坡作為輸入參數(shù)，由BIM系統(tǒng)對邊坡進行幾何分析，依據(jù)設計參數(shù)自動建立支護的三維模型。支護的參數(shù)通常具有很強的復用性和穩(wěn)定性，通過建立邊坡支護設計知識庫，實現(xiàn)支護參數(shù)的模版化管理，將標準化支護設計參數(shù)以XML文件方式在服務器端統(tǒng)一管理，滿足支護設計知識跨專業(yè)、跨工程共享。通過建立參數(shù)化的三維模型，可以顯著提高邊坡支護設計的質量，也使得支護工程量的統(tǒng)計變得更加直觀和精確。

4 應用案例

為驗證上述技術方案的效果，使用基于該技術方案開發(fā)的邊坡支護設計BIM軟件Civil Designer在國內某大型水利工程項目中進行嘗試。在采用網格表達的原始邊坡模型的基礎上，程序自動將馬道和邊坡分離，并基于用戶設定的參數(shù)，自動生成支護模型。圖1為原始的邊坡模型及程序自動提取的需要進行支護設計的邊坡模型圖。從左至右分別為原始的邊坡模型、自動提取的需要進行支護設計的邊坡模型、自動生成的錨桿支護模型，其中錨桿類支護采用線條表達，不但實現(xiàn)模型輕量化，同時提高運行效率。

圖1 原始的邊坡模型及程序自動提取的需要進行支護設計的邊坡模型圖

圖2則為基于邊坡自動生成的框格梁支護BIM模型圖。該模型采用封閉的網格體來表達，附帶完整的屬性信息，可以用于工程量統(tǒng)計和后期運維。最終基于該技術方案，該項目實現(xiàn)了邊坡工程參數(shù)化支護設計、工程量統(tǒng)計、工程屬性信息管理的一體化。

圖2 基于邊坡自動生成的框格梁支護BIM模型圖

5 結 語

本文針對邊坡支護設計BIM系統(tǒng)中遇到的一些技術難點，提出從模型表達到支護分類方式，再到屬性存儲和參數(shù)化設計的解決方案，最終實現(xiàn)BIM技術在邊坡支護設計過程中的應用。不但完成了支護的參數(shù)化三維建模和智能化設計，而且實現(xiàn)了支護設計方案的模板化關聯(lián)、支護信息管理、工程量統(tǒng)計的功能，顯著提高了邊坡支護設計的質量和效率，對提高工程設計質量有著十分重要的意義，為滿足日益深化的工程全生命周期應用奠定了堅實的基礎。