BIM技術在擋土墻設計中的應用探討

羅鈞友

【摘要】BIM技術在各個工程領域運用逐漸增多，文章基于Civil 3D軟件平臺，使用Subassembly Composer建立了作為常用支擋結構之一的衡重式擋土墻模型，創建了測試道路模型對擋土墻部件進行應用，實現了擋土墻的參數化、可視化、動態化的設計，提高了設計效率與精度，證明了BIM技術應用于擋土墻設計中的可能性。

【關鍵詞】BIM技術; 衡重式擋土墻; 參數化; 可視化; 動態化

【中國分類號】U417.1+1【文獻標志碼】A

隨著社會經濟與科技的發展，近年來BIM技術在我國建筑領域各方面的應用逐漸增加。最初BIM技術在房屋建筑領域應用居多，到現在已經轉向應用于鐵路、公路、水電、航空等各個領域[1]。隨著BIM技術的不斷進步，一些基礎設施項目也開始嘗試使用BIM技術。然而BIM技術在國內起步比較晚，發展也較為緩慢。擋土墻作為常用的一種支擋結構形式，廣泛應用于鐵路、公路工程當中。目前國內針對運用BIM技術進行擋土墻設計的研究還處于起步階段，大多是采用理正擋土墻或緯地擋土墻設計系統等主流軟件進行設計[2-3]。但傳統的設計方法設計效率受到二維平面一定的制約，在實際工程項目中也存在著大量的重復設計工作，不僅費時費力，還讓設計者對于方案的優化有一些局限性，并且在施工階段也存在浪費建筑材料的現象。

綜上所述，擋土墻作為一個在工程中常用的支擋結構，BIM技術應用在支擋結構設計的案例還比較少，在這方面還存在很大的空白。在BIM技術在各建筑工程領域大力發展的形勢下，將來應用BIM技術在擋土墻結構設計中也將成為一種趨勢[4]。本文將基于BIM技術，進行擋土墻的設計研究，進行擋土墻參數化建模設計，對BIM技術在擋土墻設計中的應用進行探討。

1 BIM技術簡介

BIM即Building Information Modeling建筑信息模型，是近年來出現的建筑數字技術，以建筑工程項目的各項相關信息數據作為模型的基礎，進行建筑模型的創建，通過數字信息仿真模擬各類建筑物所具有的真實信息。采用BIM技術可實現建筑信息模型集成化管理，包括設計階段的協同設計、施工階段的建造一體化和運營階段對建筑的智能化管理與維護。對于傳統CAD設計階段的2D圖紙冗繁、錯誤率高、可視化程度低、協同設計難度大、設計溝通困難等缺點，BIM技術具有更加快捷與準確地繪制建筑模型的特點，能多個系統協同設計，并對于設計變更能靈活應對，更加提高設計質量與效率。

2 軟件平臺選用

BIM相關的軟件根據使用領域的不同，分為了很多種，其中以Autodesk與Bentley公司旗下的系列BIM軟件最為常用。本文根據此次設計的需要，使用AutoCAD Civil 3D軟件來進行擋土墻的設計與應用。

AutoCAD Civil 3D是借助BIM面向土木工程應用的軟件，可快速、更精確地創建、預測和完成交通、土地開發和環境項目設計。它的三維動態工程模型能夠快速完成道路工程規劃設計。所有曲面、橫斷面、縱斷面、部件等均可動態化鏈接，能更加高效快捷評估許多設計方案，做出更符合實際工程項目需要的設計圖紙。

3 選擇擋土墻類型與參數

依據中國建筑標準設計研究院04J008 《擋土墻（重力式衡重式懸臂式）》[5]國家建筑標準設計圖集作為這次擋土墻設計的參數選擇，并選擇衡重式擋土墻當作這次設計的擋土墻類型。衡重式擋土墻是我國山區鐵路應用較廣泛的一種擋土墻形式，并已在公路其他行業中得到推廣運用。衡重式擋土墻設置了衡重臺使墻身重心后移，利用衡重臺上的填土重量及墻體自重共同抵抗土壓力以及增加墻身的穩定性。由于墻胸坡陡、下墻背仰斜，在陡坡地區可降低墻高，減少基坑開挖面積，適用于地面橫坡較陡的路肩墻、路堤墻和路塹墻（兼有攔擋落石作用）[6]。衡重式擋土墻斷面圖，見圖1。擋土墻具體參數選擇，見表1。

4 擋土墻部件創建

采用Civil 3D 2017中的SubassemblyComposer（部件編輯器）編寫擋土墻部件。SubassemblyComposer是基于Civil 3D的編程插件，可以幫助使用者編寫各種復雜的橫斷面部件，包括行車道、邊坡、中央分隔帶、擋土墻等等。該插件將Civil 3D的基本點線面部件作為設計單元，設計者只需要添加部件的邏輯關系、邊界條件就能生成部件的幾何形狀;進一步對各基本部件添加代碼信息，則可以完成模型的基本創建[7]。表1 衡重式擋土墻斷面尺寸

SubassemblyComposer具有參數化、可視化、動態化的特點，它能提供擋土墻設計參數定義與輸入，在參數輸入進軟件后，經過一系列后臺運算，可動態化的呈現模型視圖;也可根據視圖實時改動，而改變設計參數，直到達到設計要求。

在SubassemblyComposer中編寫衡重式擋土墻部件，部件編輯器制作擋土墻部件界面，見圖2。

具體來說有如下操作步驟：

步驟1：根據擋土墻截面尺寸設定輸入/輸出參數，并定義好參數名稱、類型、方向，方便后續有需要進行更改。

步驟2：根據設定的控制參數，創建點、線，并定義其幾何性質，建立擋土墻部件的幾何形體。

步驟3：根據預覽視圖，調整各類參數，檢查擋土墻幾何圖形是否根據參數變化而變化。

步驟4：設定地形曲面、放坡高程、擋土墻底面高程目標參數，并創建Decision工作流，判斷是否需要設置擋土墻。

步驟5：墻背和墻面根據設定輸入的參數，分別設置回填面，并關聯地面曲線。

步驟6：最后檢查各幾何單元代碼是否正確，并作出相應調整。

5 測試道路模型創建

本次道路模型使用AutoCAD Civil 3D軟件創建。首先，需要使用Civil 3D創建三維地形曲面，導入DWG格式的二維地形圖，選中地形圖在曲面定義中添加等高線數據，再對部分區域進行修改和補充，最終生成三維地形曲面。選擇曲面對象后，在對象查看器中，可進行三維瀏覽，見圖3。

在Civil 3D中根據地形使用路線創建工具進行平面線形設計，采用切線-切線（帶有曲線）的方式，設定緩和曲線類型，根據地形圖逐一選擇交點，Civil 3D會自動用緩和曲線連接起來。后續如需調整也可直接在路線圖進行拖動，相應路線各類參數也會隨之改變。

完成平面路線設計之后，點擊創建曲面縱斷面圖，導入測試地形數據，設定縱斷面圖樁號和高度范圍，即可完成曲面縱斷面的創建。Civil 3D縱斷面設計的工作機制是以縱斷面圖為容器，將曲面縱斷面以及創建的縱斷面設計線及其標注放在一起，兩者相互獨立，也能進行動態編輯與更新[3]。以此為基礎，通過縱斷面圖創建工具進行縱斷面設計。.

因為本道路模型只是用來測試擋墻部件是否可用，暫不做過多復雜的橫斷面設計。在Civil 3D常用裝配中創建基本裝配，再把基本裝配的挖方坡度和填方坡度改為1∶1，接著點擊創建道路，把創建好的的平面線形道路路線、縱斷面線和基本裝配導入，關聯目標曲面為測試地形曲面。接著設定基準線和區域參數，即可完成測試道路模型的基本創建。

6 擋土墻部件的應用

具體步驟如下：

步驟1：首先將之前創建好的衡重式擋土墻部件導入到裝配中，見圖4，根據地形和道路模型綜合考慮，確定設置擋土墻段的樁號范圍。

步驟2：創建放坡高程縱斷面，設計擋土墻的墻底線，導入測試道路模型中，并重新生成道路模型。

步驟3：通過道路橫斷面編輯器預覽道路橫斷面圖，調整放坡高程和墻底線，并通過參數編輯器調整部分樁號范圍的擋土墻參數，見圖5。

步驟4：在測試道路模型特性中，添加曲面數據和指定代碼，設定道路邊界，更新道路模型生成道路曲面。

步驟5：創建采樣線，按照樁號范圍設定樣本寬度，并生成橫斷面圖。

步驟6：新建土方量標準，編輯材質列表，并在橫斷面編組特性中添加。

步驟7：自動計算出各樁號擋墻實體以及回填實體的工程量[8]。

7 結束語

本文通過使用Civil 3D對擋土墻進行設計，對BIM技術在擋土墻設計中的應用進行了研究。使用SubassemblyComposer實現了對衡重式擋土墻參數化、動態化、可視化的設計，并通過測試道路模型進行了擋土墻部件的應用，提高了擋土墻設計的質量與效率。后續還可使用Navisworks對擋土墻進行三維可視化展示，按工程施工順序進行路基施工模擬，并進行現場施工管理方面的研究。在實際工程中，已有運用BIM技術進行擋土墻自動化設計和建模的案例，可供參考借鑒。

參考文獻

[1] 劉志統.BIM技術在高速公路設計中的應用分析[J].路基工程，2019（3）：153-158.

[2] 郭瑞，李同春，馮旭松，等.擋土墻三維設計分析軟件平臺的實現及應用[J].水利水電技術，2018，49（3）：142-149.

[3] 黃原東. 基于BIM公路支擋結構設計與施工系統研究[D].重慶：重慶交通大學，2018.

[4] 孫建誠，朱雙晗，蔣浩鵬.BIM技術在公路邊坡的應用探究[J].重慶交通大學學報：自然科學版，2019，38（9）：63-67.

[5] 中國建筑標準設計研究院.04J008擋土墻（重力式衡重式懸臂式）[M].北京：中國計劃出版社，2006.

[6] 李海光.新型支擋結構設計與工程實例[M].北京：人民交通出版社. 2004.

[7] 陸洋，朱璨. 可視化編程工具Subassembly Composer與Dynamo for Civil3D在復雜路基BIM設計中的結合應用[C]// 中國圖學學會建筑信息模型（BIM）專業委員會.第六屆全國BIM學術會議論文集.中國圖學學會建筑信息模型（BIM）專業委員會：中國建筑工業出版社數字出版中心，2020：5.

[8] 張炳楠，鐘杰，肖彬，等.基于BIM的擋土墻三維設計研究與應用[J].重慶建筑，2020，19（11）：58-60.