BIM技術在公路邊坡的應用探究

孫建誠，朱雙晗，蔣浩鵬

(河北工業(yè)大學 土木與交通學院，天津 300400)

0 引 言

近年來，BIM技術以其信息化、高效化、聯(lián)動化等優(yōu)勢特點，被越來越多的應用到實際工程項目中[1]。在BIM理念影響下，公路工程從業(yè)人員將BIM技術與傳統(tǒng)公路項目流程相結(jié)合，不斷探索其在公路各方面的應用，但僅處于剛剛起步階段[2]。王雄[3]運用Power Civil軟件將道路三維模型與周圍環(huán)境景觀相融合，應用三維模型對道路景觀進行分析和評價，并對道路邊坡景觀及附屬設施進行了建模處理；曹睿明[4]運用Power Civil軟件進行了道路三維模型創(chuàng)建及設計探索，主要針對道路主體本身，未過多涉及對邊坡部分的重點說明；王玨[5]運用Civil 3D對BIM技術在互通式立交設計中的理論及應用技術進行了研究；熊桂開等[6]將GIS與BIM技術相結(jié)合，對路網(wǎng)進行可視化分析模擬與優(yōu)化，其中涉及對將路網(wǎng)邊坡與周圍地形相融合技術的探索。另有學者利用Arc GIS等軟件進行邊坡地質(zhì)三維建模，基于有限元思想等對邊坡的穩(wěn)定性問題進行研究[7]，或是運用無人機航拍并建立三維點云對邊坡施工過程中的穩(wěn)定性情況進行監(jiān)測[8]。諸如此類，雖是在三維可視化建模基礎上對邊坡進行研究，但沒有與BIM技術相結(jié)合。

綜上所述，一方面，現(xiàn)階段邊坡往往作為公路附屬結(jié)構(gòu)，在BIM技術應用方面一帶而過，雖有通用之處但沒有重點詳細研究；另一方面，在三維建模基礎上，專門針對邊坡景觀設計或穩(wěn)定性評價分析方面的研究并不是基于BIM技術。由此可見，現(xiàn)階段專門針對BIM技術在邊坡應用研究較少，在BIM技術應用于道路工程蓬勃發(fā)展形勢下，將來應用BIM技術對邊坡主體結(jié)構(gòu)設計、景觀設計、穩(wěn)定性分析等問題進行研究是必然趨勢。為使BIM技術在邊坡問題上發(fā)揮其高效化和信息化優(yōu)勢，有必要對邊坡BIM設計流程規(guī)范化和技術經(jīng)驗進行研究和積累，而由于BIM技術應用在邊坡方面探索和案例還較少，因此在這些方面還存在很大空白，尚未發(fā)揮出BIM技術真正優(yōu)勢。

基于此，筆者以IFC標準數(shù)據(jù)傳輸規(guī)則為總體原則，給出公路邊坡BIM設計、施工和運維管養(yǎng)規(guī)范化技術路線；并結(jié)合工程實例，對Revit和Civil 3D在公路邊坡應用進行對比，以期對BIM邊坡設計規(guī)范流程欠缺和技術經(jīng)驗不足問題進行探索，以規(guī)范化設計流程使BIM技術應用暢通，最大化其經(jīng)濟效益，為BIM技術應用于邊坡積累技術經(jīng)驗。

1 IFC標準

IFC(Industry Foundation Class)中文全稱為：工業(yè)基礎類標準，旨在為基于BIM技術的數(shù)據(jù)、信息和文件提供共享的傳輸格式和交互法則[9-10]。各BIM應用軟件也基本上完成了對IFC數(shù)據(jù)格式的支持開發(fā)，雖然應用在土木建筑工程類項目中還有不盡完善之處，但現(xiàn)階段IFC標準成為了實質(zhì)上的BIM數(shù)據(jù)交換標準[11]。IFC運作流程如圖1。

圖1 IFC運作流程Fig. 1 IFC operation flow

IFC標準將建筑全生命周期信息架構(gòu)分為4個功能層，每個功能層都由信息相互獨立模塊組成，功能層結(jié)構(gòu)如圖2[12]。IFC標準各功能層之間規(guī)定了嚴格的引用關系，即一個功能層只能引用同級和下級功能層，IFC標準的信息繼承規(guī)則極大程度上解決了公路工程項目數(shù)據(jù)交換和共享問題，節(jié)約了時間和經(jīng)濟成本。

圖2 IFC功能層結(jié)構(gòu)Fig. 2 IFC functional layer structure

2 公路邊坡BIM應用

2.1 公路邊坡BIM技術路線

BIM通過構(gòu)件參數(shù)約束和邏輯約束對公路邊坡BIM模型進行設計和創(chuàng)建，以三維模型為起始載體，完成邊坡設計過程中的圖表生成和綜合分析等工作，將邊坡全生命周期各類信息集成和應用，在不同維度上向項目各參與方進行展示和分析，體現(xiàn)了BIM技術協(xié)調(diào)性、數(shù)據(jù)高度集成性、一致性、優(yōu)化性等特點[13]；然而，在設計過程中邊坡信息覆蓋面廣、數(shù)據(jù)復雜、信息兼容性不高。針對以上問題，筆者以IFC標準功能層結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸規(guī)則為原則，提出基于BIM的公路邊坡設計技術路線，在設計流程規(guī)范化前提下保證信息數(shù)據(jù)順利傳遞和共享。公路邊坡BIM設計技術路線如圖3。

圖3 公路邊坡BIM設計技術路線Fig. 3 Technical route of BIM design for highway slope

2.2 公路邊坡BIM施工及運維管養(yǎng)技術路線

BIM技術的創(chuàng)新在于其突破了傳統(tǒng)公路項目建設理念和技術手段，尤其是與計算機技術、大數(shù)據(jù)技術、云技術、虛擬現(xiàn)實技術等高新科技相結(jié)合，提升了產(chǎn)業(yè)鏈效率，在公路邊坡BIM施工及運維管養(yǎng)階段即體現(xiàn)了這一特性[14]。邊坡不同于一般公路結(jié)構(gòu)物，其施工安全和運維穩(wěn)定性對公路安全性能具有重要意義[15]。因此，筆者結(jié)合BIM技術功能，以IFC數(shù)據(jù)傳輸規(guī)則為框架，規(guī)范BIM技術在公路邊坡施工和運維管養(yǎng)階段應用，實現(xiàn)指導施工、全面管理、實時監(jiān)控的作用，尤其是對邊坡施工安全和運維病害的監(jiān)測。具體公路邊坡BIM施工及運維管養(yǎng)技術路線如圖4。

圖4 公路邊坡BIM施工及運維管養(yǎng)技術路線Fig. 4 Technical route of highway slope BIM construction,operation and maintenance

3 建模軟件在公路邊坡中的應用

3.1 建模軟件

Civil 3D和Revit是Autodesk公司開發(fā)的兩款針對BIM應用軟件，其中Civil 3D專注于道路建模，Revit則是主要針對建筑方面，兼顧其他專業(yè)應用。考慮到邊坡作為特殊的道路結(jié)構(gòu)物，故筆者通過邊坡工程實例對這兩款軟件進行對比，以此總結(jié)BIM技術應用技巧和經(jīng)驗。

3.2 項目概況

該項目為我國太行山高速公路邯鄲段，設計速度為80 km/h，雙向四車道，邊坡平均高度最高31.60 m，最低8.00 m。筆者截取K10+550～K10+630路段邊坡作為試驗段進行建模，其長度80.00 m，平均高度28.80 m，SNS主動防護，地層主要為古生界奧陶系中統(tǒng)馬家溝組中風化白云質(zhì)灰?guī)r，地表覆蓋第四系上更新統(tǒng)洪、堆積形成的碎石等。采用參數(shù)化項目管理模式，對數(shù)據(jù)文件格式和模型數(shù)據(jù)進行參數(shù)化管理。

3.3 Revit和Civil 3D應用對比

3.3.1 建模思路對比

1)Revit基于“族”與“項目”的思路進行模型創(chuàng)建。首先將模型劃分為不同族，分別對族進行創(chuàng)建，然后在同一項目中進行族的拼裝，最終在項目中完成模型構(gòu)建。

2)Civil 3D建模思路與傳統(tǒng)道路設計思路基本保持一致，于邊坡建模同樣適用。

3.3.2 建模過程對比

1)Revit邊坡建模。新建并保存族文件，新建項目并設置工作平面、軸網(wǎng)、標高等，選擇標高和平面插入截取的邊坡路段CAD圖，再將建好的族加載到新建項目中。族參數(shù)等可在屬性對話框中進行修改，保存后即可實現(xiàn)族、項目同步修改，體現(xiàn)BIM技術聯(lián)動性特點。本項目模型中，將邊坡地質(zhì)信息一并添加到模型中，直觀地顯示邊坡地質(zhì)情況。Revit邊坡模型如圖5。

圖5 Revit邊坡模型Fig. 5 Slope model in Revit

2)Civil 3D邊坡建模需要依托于道路三維模型。在Civil 3D中要尤其注意“組”的邏輯劃分，在邊坡設計中，屬于不同放坡組的要素線生成邊坡曲面沒有相互關聯(lián)關系。在此基礎上利用放坡工具進行邊坡創(chuàng)建和參數(shù)設置。普通片段線并不能被當做放坡要素線，需要首先設置其高程，并在此基礎上才能作為放坡要素線進行操作設計邊坡。調(diào)整放坡要素線則依附于要素線的整個放坡曲面全部隨之調(diào)整。Civil 3D邊坡模型如圖6。

圖6 Civil 3D邊坡模型Fig. 6 Slope model in Civil 3D

3.3.3 深化設計對比

1)Revit具有強大的共享參數(shù)設置功能。共享參數(shù)是在Revit已開發(fā)參數(shù)基礎上額外增加適用于本項目的參數(shù)，擴大模型參數(shù)化范圍。本項目中對邊坡模型增加邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測內(nèi)容，邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測模型如圖7。運用共享參數(shù)功能增加“監(jiān)控數(shù)據(jù)”和“邊坡監(jiān)測”兩個共享參數(shù)，進行監(jiān)測數(shù)據(jù)的集成和管理。共享參數(shù)編輯語句文件如圖8，參數(shù)建立結(jié)果如圖9。

圖7 邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測模型Fig. 7 Slope stability monitoring model

圖8 共享參數(shù)編輯語句Fig. 8 Shared parameter editing statement

圖9 共享參數(shù)Fig. 9 Shared parameters

2)Civil 3D放坡工具可對填挖方體積進行顯示，還可對整個放坡進行整體沉降以此實現(xiàn)對填挖方體積的改變和調(diào)整；對于半填半挖情況，可調(diào)整放坡使得填挖平衡，達到邊坡深化設計目的。

3)輕量化對比。由于Revit可不依賴于道路三維模型直接創(chuàng)建邊坡模型并對其進行應用，故在輕量化方面更具優(yōu)勢。但是Civil 3D更符合傳統(tǒng)道路設計流程，道路主體和邊坡關聯(lián)性更強。

4)Revit和Civil 3D都具有在三維模型基礎上進行邊坡坡面面積計算功能，方便快捷。取項目K10+550～K10+630路段進行計算，Revit和Civil 3D計算結(jié)果如表1。

表1 坡面面積對比Table 1 Comparison of slope surface area m2

同時，采用紅鵬AC1200型號無人機搭載五鏡頭傾斜相機對該段邊坡進行實地測量，距離邊坡垂直距離10 m，航向和旁向重疊度均為90%，共獲得309張影像，采用方格網(wǎng)法計算坡面面積，其結(jié)果如表1[16]。Revit和Civil 3D計算結(jié)果都較貼近傾斜攝影實際測量結(jié)果，計算精度較高。

4 結(jié) 論

1)基于IFC標準功能層和數(shù)據(jù)傳輸規(guī)則，給出了公路邊坡BIM模型設計、施工和運維管養(yǎng)規(guī)范化技術路線，能夠以規(guī)范的流程提高工作效率，節(jié)約資源，最大化發(fā)揮BIM在公路邊坡應用。

2)以實際工程案例對Revit和Civil 3D在公路邊坡BIM的應用中進行了對比。研究表明：這兩款軟件從不同建模思路出發(fā)，在建模過程中各有優(yōu)劣，尤其在參數(shù)設置、信息量化、邊坡分析等技術功能上各有側(cè)重，從業(yè)人員可根據(jù)實際工程需要靈活選用。

3)本研究案例應用BIM技術實現(xiàn)了邊坡三維建模，并應用三維模型進行了坡面面積計算，其中Revit僅有0.064%的偏差，Civil 3D僅有0.056%的偏差，數(shù)據(jù)精度和準確度較高。此外，在邊坡監(jiān)測模型基礎上，實現(xiàn)了監(jiān)控布設直觀展示，應用Revit共享參數(shù)功能，在參數(shù)系統(tǒng)增加了邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測內(nèi)容，對以后BIM技術在邊坡運維管養(yǎng)階段穩(wěn)定性監(jiān)測方面的應用進行了初步探索。應用BIM技術，可使得邊坡相關信息在三維模型基礎上進行有效集成和應用。

4)BIM在公路方面應用尚處于起步階段，在邊坡中的應用更是尚待探索，本文研究成果還存在很多不足之處，類似邊坡工程中還可在本文研究成果基礎上應用BIM技術對邊坡設計綠化方案比選、邊坡施工信息管理、邊坡防護、邊坡穩(wěn)定監(jiān)測、邊坡災害預警、基于二次開發(fā)的邊坡模型生成和信息提取等方面進行應用和探索。此外，BIM標準研究以及軟件數(shù)據(jù)無損交換方面也同樣亟待研究，以求真正發(fā)揮BIM的優(yōu)勢。