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、聯動化等優勢特點，被越來越多的應用到實際工程項目中[1]。在BIM理念影響下，公路工程從業人員將BIM技術與傳統公路項目流程相結合，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技術相結合，對路網進行可視化分析模擬與優化，其中涉及對將路網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三維建模，基于有限元思想等對邊坡的穩定性問題進行研究[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定性情況進行監測[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技術相結合。

綜上所述，一方面，現階段邊坡往往作為公路附屬結構，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定性評價分析方面的研究并不是基于BIM技術。由此可見，現階段專門針對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展形勢下，將來應用BIM技術對邊坡主體結構設計、景觀設計、穩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揮其高效化和信息化優勢，有必要對邊坡BIM設計流程規范化和技術經驗進行研究和積累，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，尚未發揮出BIM技術真正優勢。

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

1 IFC標準

IFC(Industry Foundation Class)中文全稱為：工業基礎類標準，旨在為基于BIM技術的數據、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數據格式的支持開發，雖然應用在土木建筑工程類項目中還有不盡完善之處，但現階段IFC標準成為了實質上的BIM數據交換標準[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，功能層結構如圖2[12]。IFC標準各功能層之間規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標準的信息繼承規則極大程度上解決了公路工程項目數據交換和共享問題，節約了時間和經濟成本。

圖2 IFC功能層結構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通過構件參數約束和邏輯約束對公路邊坡BIM模型進行設計和創建，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，體現了BIM技術協調性、數據高度集成性、一致性、優化性等特點[13]；然而，在設計過程中邊坡信息覆蓋面廣、數據復雜、信息兼容性不高。針對以上問題，筆者以IFC標準功能層結構和數據傳輸規則為原則，提出基于BIM的公路邊坡設計技術路線，在設計流程規范化前提下保證信息數據順利傳遞和共享。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施工及運維管養技術路線

BIM技術的創新在于其突破了傳統公路項目建設理念和技術手段，尤其是與計算機技術、大數據技術、云技術、虛擬現實技術等高新科技相結合，提升了產業鏈效率，在公路邊坡BIM施工及運維管養階段即體現了這一特性[14]。邊坡不同于一般公路結構物，其施工安全和運維穩定性對公路安全性能具有重要意義[15]。因此，筆者結合BIM技術功能，以IFC數據傳輸規則為框架，規范BIM技術在公路邊坡施工和運維管養階段應用，實現指導施工、全面管理、實時監控的作用，尤其是對邊坡施工安全和運維病害的監測。具體公路邊坡BIM施工及運維管養技術路線如圖4。

圖4 公路邊坡BIM施工及運維管養技術路線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，兼顧其他專業應用。考慮到邊坡作為特殊的道路結構物，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BIM技術應用技巧和經驗。

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馬家溝組中風化白云質灰巖，地表覆蓋第四系上更新統洪、堆積形成的碎石等。采用參數化項目管理模式，對數據文件格式和模型數據進行參數化管理。

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”的思路進行模型創建。首先將模型劃分為不同族，分別對族進行創建，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建。

2)Civil 3D建模思路與傳統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、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。族參數等可在屬性對話框中進行修改，保存后即可實現族、項目同步修改，體現BIM技術聯動性特點。本項目模型中，將邊坡地質信息一并添加到模型中，直觀地顯示邊坡地質情況。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關系。在此基礎上利用放坡工具進行邊坡創建和參數設置。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設置功能。共享參數是在Revit已開發參數基礎上額外增加適用于本項目的參數，擴大模型參數化范圍。本項目中對邊坡模型增加邊坡穩定性監測內容，邊坡穩定性監測模型如圖7。運用共享參數功能增加“監控數據”和“邊坡監測”兩個共享參數，進行監測數據的集成和管理。共享參數編輯語句文件如圖8，參數建立結果如圖9。

圖7 邊坡穩定性監測模型Fig. 7 Slope stability monitoring model

圖8 共享參數編輯語句Fig. 8 Shared parameter editing statement

圖9 共享參數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對填挖方體積的改變和調整；對于半填半挖情況，可調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建邊坡模型并對其進行應用，故在輕量化方面更具優勢。但是Civil 3D更符合傳統道路設計流程，道路主體和邊坡關聯性更強。

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，采用方格網法計算坡面面積，其結果如表1[16]。Revit和Civil 3D計算結果都較貼近傾斜攝影實際測量結果，計算精度較高。

4 結 論

1)基于IFC標準功能層和數據傳輸規則，給出了公路邊坡BIM模型設計、施工和運維管養規范化技術路線，能夠以規范的流程提高工作效率，節約資源，最大化發揮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，在建模過程中各有優劣，尤其在參數設置、信息量化、邊坡分析等技術功能上各有側重，從業人員可根據實際工程需要靈活選用。

3)本研究案例應用BIM技術實現了邊坡三維建模，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，數據精度和準確度較高。此外，在邊坡監測模型基礎上，實現了監控布設直觀展示，應用Revit共享參數功能，在參數系統增加了邊坡穩定性監測內容，對以后BIM技術在邊坡運維管養階段穩定性監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、邊坡穩定監測、邊坡災害預警、基于二次開發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據無損交換方面也同樣亟待研究，以求真正發揮BIM的優勢。