孫建誠，朱雙晗，蔣浩鵬

(河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院，天津 300400)

0 引 言

近年來，BIM技術(shù)以其信息化、高效化、聯(lián)動(dòng)化等優(yōu)勢特點(diǎn)，被越來越多的應(yīng)用到實(shí)際工程項(xiàng)目中[1]。在BIM理念影響下，公路工程從業(yè)人員將BIM技術(shù)與傳統(tǒng)公路項(xiàng)目流程相結(jié)合，不斷探索其在公路各方面的應(yīng)用，但僅處于剛剛起步階段[2]。王雄[3]運(yùn)用Power Civil軟件將道路三維模型與周圍環(huán)境景觀相融合，應(yīng)用三維模型對(duì)道路景觀進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，并對(duì)道路邊坡景觀及附屬設(shè)施進(jìn)行了建模處理；曹睿明[4]運(yùn)用Power Civil軟件進(jìn)行了道路三維模型創(chuàng)建及設(shè)計(jì)探索，主要針對(duì)道路主體本身，未過多涉及對(duì)邊坡部分的重點(diǎn)說明；王玨[5]運(yùn)用Civil 3D對(duì)BIM技術(shù)在互通式立交設(shè)計(jì)中的理論及應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行了研究；熊桂開等[6]將GIS與BIM技術(shù)相結(jié)合，對(duì)路網(wǎng)進(jìn)行可視化分析模擬與優(yōu)化，其中涉及對(duì)將路網(wǎng)邊坡與周圍地形相融合技術(shù)的探索。另有學(xué)者利用Arc GIS等軟件進(jìn)行邊坡地質(zhì)三維建模，基于有限元思想等對(duì)邊坡的穩(wěn)定性問題進(jìn)行研究[7]，或是運(yùn)用無人機(jī)航拍并建立三維點(diǎn)云對(duì)邊坡施工過程中的穩(wěn)定性情況進(jìn)行監(jiān)測[8]。諸如此類，雖是在三維可視化建?；A(chǔ)上對(duì)邊坡進(jìn)行研究，但沒有與BIM技術(shù)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(shù)應(yīng)用方面一帶而過，雖有通用之處但沒有重點(diǎn)詳細(xì)研究；另一方面，在三維建?；A(chǔ)上，專門針對(duì)邊坡景觀設(shè)計(jì)或穩(wěn)定性評(píng)價(jià)分析方面的研究并不是基于BIM技術(shù)。由此可見，現(xiàn)階段專門針對(duì)BIM技術(shù)在邊坡應(yīng)用研究較少，在BIM技術(shù)應(yīng)用于道路工程蓬勃發(fā)展形勢下，將來應(yīng)用BIM技術(shù)對(duì)邊坡主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、景觀設(shè)計(jì)、穩(wěn)定性分析等問題進(jìn)行研究是必然趨勢。為使BIM技術(shù)在邊坡問題上發(fā)揮其高效化和信息化優(yōu)勢，有必要對(duì)邊坡BIM設(shè)計(jì)流程規(guī)范化和技術(shù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行研究和積累，而由于BIM技術(shù)應(yīng)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(shù)真正優(yōu)勢。

基于此，筆者以IFC標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)傳輸規(guī)則為總體原則，給出公路邊坡BIM設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維管養(yǎng)規(guī)范化技術(shù)路線；并結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)Revit和Civil 3D在公路邊坡應(yīng)用進(jìn)行對(duì)比，以期對(duì)BIM邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范流程欠缺和技術(shù)經(jīng)驗(yàn)不足問題進(jìn)行探索，以規(guī)范化設(shè)計(jì)流程使BIM技術(shù)應(yīng)用暢通，最大化其經(jīng)濟(jì)效益，為BIM技術(shù)應(yīng)用于邊坡積累技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

1 IFC標(biāo)準(zhǔn)

IFC(Industry Foundation Class)中文全稱為：工業(yè)基礎(chǔ)類標(biāo)準(zhǔn)，旨在為基于BIM技術(shù)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(yīng)用軟件也基本上完成了對(duì)IFC數(shù)據(jù)格式的支持開發(fā)，雖然應(yīng)用在土木建筑工程類項(xiàng)目中還有不盡完善之處，但現(xiàn)階段IFC標(biāo)準(zhǔn)成為了實(shí)質(zhì)上的BIM數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)[11]。IFC運(yùn)作流程如圖1。

圖1 IFC運(yùn)作流程Fig. 1 IFC operation flow

IFC標(biāo)準(zhǔn)將建筑全生命周期信息架構(gòu)分為4個(gè)功能層，每個(gè)功能層都由信息相互獨(dú)立模塊組成，功能層結(jié)構(gòu)如圖2[12]。IFC標(biāo)準(zhǔn)各功能層之間規(guī)定了嚴(yán)格的引用關(guān)系，即一個(gè)功能層只能引用同級(jí)和下級(jí)功能層，IFC標(biāo)準(zhǔn)的信息繼承規(guī)則極大程度上解決了公路工程項(xiàng)目數(shù)據(jù)交換和共享問題，節(jié)約了時(shí)間和經(jīng)濟(jì)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(yīng)用

2.1 公路邊坡BIM技術(shù)路線

BIM通過構(gòu)件參數(shù)約束和邏輯約束對(duì)公路邊坡BIM模型進(jìn)行設(shè)計(jì)和創(chuàng)建，以三維模型為起始載體，完成邊坡設(shè)計(jì)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(yīng)用，在不同維度上向項(xiàng)目各參與方進(jìn)行展示和分析，體現(xiàn)了BIM技術(shù)協(xié)調(diào)性、數(shù)據(jù)高度集成性、一致性、優(yōu)化性等特點(diǎn)[13]；然而，在設(shè)計(jì)過程中邊坡信息覆蓋面廣、數(shù)據(jù)復(fù)雜、信息兼容性不高。針對(duì)以上問題，筆者以IFC標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)技術(shù)路線，在設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)技術(shù)路線如圖3。

圖3 公路邊坡BIM設(shè)計(jì)技術(shù)路線Fig. 3 Technical route of BIM design for highway slope

2.2 公路邊坡BIM施工及運(yùn)維管養(yǎng)技術(shù)路線

BIM技術(shù)的創(chuàng)新在于其突破了傳統(tǒng)公路項(xiàng)目建設(shè)理念和技術(shù)手段，尤其是與計(jì)算機(jī)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、云技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)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(yùn)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(yùn)維穩(wěn)定性對(duì)公路安全性能具有重要意義[15]。因此，筆者結(jié)合BIM技術(shù)功能，以IFC數(shù)據(jù)傳輸規(guī)則為框架，規(guī)范BIM技術(shù)在公路邊坡施工和運(yùn)維管養(yǎng)階段應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)指導(dǎo)施工、全面管理、實(shí)時(shí)監(jiān)控的作用，尤其是對(duì)邊坡施工安全和運(yùn)維病害的監(jiān)測。具體公路邊坡BIM施工及運(yùn)維管養(yǎng)技術(shù)路線如圖4。

圖4 公路邊坡BIM施工及運(yùn)維管養(yǎng)技術(shù)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(yīng)用

3.1 建模軟件

Civil 3D和Revit是Autodesk公司開發(fā)的兩款針對(duì)BIM應(yīng)用軟件，其中Civil 3D專注于道路建模，Revit則是主要針對(duì)建筑方面，兼顧其他專業(yè)應(yīng)用?？紤]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(shí)例對(duì)這兩款軟件進(jìn)行對(duì)比，以此總結(jié)BIM技術(shù)應(yīng)用技巧和經(jīng)驗(yàn)。

3.2 項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目為我國太行山高速公路邯鄲段，設(shè)計(jì)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(yàn)段進(jìn)行建模，其長度80.00 m，平均高度28.80 m，SNS主動(dòng)防護(hù)，地層主要為古生界奧陶系中統(tǒng)馬家溝組中風(fēng)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(xiàng)目管理模式，對(duì)數(shù)據(jù)文件格式和模型數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)化管理。

3.3 Revit和Civil 3D應(yīng)用對(duì)比

3.3.1 建模思路對(duì)比

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

2)Civil 3D建模思路與傳統(tǒng)道路設(shè)計(jì)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(duì)比

1)Revit邊坡建模。新建并保存族文件，新建項(xiàng)目并設(shè)置工作平面、軸網(wǎng)、標(biāo)高等，選擇標(biāo)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(xiàng)目中。族參數(shù)等可在屬性對(duì)話框中進(jìn)行修改，保存后即可實(shí)現(xiàn)族、項(xiàng)目同步修改，體現(xiàn)BIM技術(shù)聯(lián)動(dòng)性特點(diǎn)。本項(xiàng)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(shè)計(jì)中，屬于不同放坡組的要素線生成邊坡曲面沒有相互關(guān)聯(lián)關(guān)系。在此基礎(chǔ)上利用放坡工具進(jìn)行邊坡創(chuàng)建和參數(shù)設(shè)置。普通片段線并不能被當(dāng)做放坡要素線，需要首先設(shè)置其高程，并在此基礎(chǔ)上才能作為放坡要素線進(jìn)行操作設(shè)計(jì)邊坡。調(diào)整放坡要素線則依附于要素線的整個(gè)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(shè)計(jì)對(duì)比

1)Revit具有強(qiáng)大的共享參數(shù)設(shè)置功能。共享參數(shù)是在Revit已開發(fā)參數(shù)基礎(chǔ)上額外增加適用于本項(xiàng)目的參數(shù)，擴(kuò)大模型參數(shù)化范圍。本項(xiàng)目中對(duì)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(yùn)用共享參數(shù)功能增加“監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)”和“邊坡監(jiān)測”兩個(gè)共享參數(shù)，進(jìn)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(duì)填挖方體積進(jìn)行顯示，還可對(duì)整個(gè)放坡進(jìn)行整體沉降以此實(shí)現(xiàn)對(duì)填挖方體積的改變和調(diào)整；對(duì)于半填半挖情況，可調(diào)整放坡使得填挖平衡，達(dá)到邊坡深化設(shè)計(jì)目的。

3)輕量化對(duì)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(duì)其進(jìn)行應(yīng)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(shè)計(jì)流程，道路主體和邊坡關(guān)聯(lián)性更強(qiáng)。

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

表1 坡面面積對(duì)比Table 1 Comparison of slope surface area m2

同時(shí)，采用紅鵬AC1200型號(hào)無人機(jī)搭載五鏡頭傾斜相機(jī)對(duì)該段邊坡進(jìn)行實(shí)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(jì)算坡面面積，其結(jié)果如表1[16]。Revit和Civil 3D計(jì)算結(jié)果都較貼近傾斜攝影實(shí)際測量結(jié)果，計(jì)算精度較高。

4 結(jié) 論

1)基于IFC標(biāo)準(zhǔn)功能層和數(shù)據(jù)傳輸規(guī)則，給出了公路邊坡BIM模型設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維管養(yǎng)規(guī)范化技術(shù)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(yīng)用。

2)以實(shí)際工程案例對(duì)Revit和Civil 3D在公路邊坡BIM的應(yīng)用中進(jìn)行了對(duì)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(shè)置、信息量化、邊坡分析等技術(shù)功能上各有側(cè)重，從業(yè)人員可根據(jù)實(shí)際工程需要靈活選用。

3)本研究案例應(yīng)用BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)了邊坡三維建模，并應(yīng)用三維模型進(jìn)行了坡面面積計(jì)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(zhǔn)確度較高。此外，在邊坡監(jiān)測模型基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控布設(shè)直觀展示，應(yīng)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(duì)以后BIM技術(shù)在邊坡運(yùn)維管養(yǎng)階段穩(wěn)定性監(jiān)測方面的應(yīng)用進(jìn)行了初步探索。應(yīng)用BIM技術(shù)，可使得邊坡相關(guān)信息在三維模型基礎(chǔ)上進(jìn)行有效集成和應(yīng)用。

4)BIM在公路方面應(yīng)用尚處于起步階段，在邊坡中的應(yīng)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(chǔ)上應(yīng)用BIM技術(shù)對(duì)邊坡設(shè)計(jì)綠化方案比選、邊坡施工信息管理、邊坡防護(hù)、邊坡穩(wěn)定監(jiān)測、邊坡災(zāi)害預(yù)警、基于二次開發(fā)的邊坡模型生成和信息提取等方面進(jìn)行應(yīng)用和探索。此外，BIM標(biāo)準(zhǔn)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。