扶壁式擋土墻在Civil 3D中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

趙津茂

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,天津 300143)

1 項(xiàng)目背景

某市政項(xiàng)目位于深圳市，項(xiàng)目中涉及路橋過(guò)渡段，為克服人行道外側(cè)與周邊地面高差和上跨橋梁兩側(cè)引道高差，設(shè)置懸臂式路肩擋土墻，擋墻高度超過(guò)4m的段落，每隔2.5m設(shè)置一個(gè)扶壁，形成扶壁式擋墻，如圖1所示。同時(shí)，本項(xiàng)目要求BIM模型隨二維常規(guī)設(shè)計(jì)同步進(jìn)行。在本項(xiàng)目BIM設(shè)計(jì)過(guò)程中，有如下難點(diǎn)：

圖1 扶壁式擋墻立面圖

(1)擋墻尺寸并不單一固定，而是隨路線樁號(hào)不斷變化。因此，在擋墻模型建立過(guò)程中應(yīng)將其參數(shù)設(shè)為可變，根據(jù)道橋的高差自動(dòng)判斷擋墻尺寸。

(2)擋墻扶壁模型尺寸也隨擋墻不斷變化，且扶壁在某一段落內(nèi)間隔一定距離布置。

受以上兩點(diǎn)控制，本文選擇基于Civil 3D平臺(tái)，聯(lián)合Subassembly Composer、Dynamo兩款軟件進(jìn)行扶壁擋墻模型的建立。

圖2 墻身斷面尺寸表

2 建模過(guò)程

2.1 擋墻建模

(1)建立地形曲面

在Civil 3D中將原始地形高程點(diǎn)以圖形對(duì)象的形式添加到“曲面”的定義中，生成原始地形曲面，如圖3所示。

(2)在Civil3D中生成路線平面和縱斷面

運(yùn)用Civil3D中常用——?jiǎng)?chuàng)建設(shè)計(jì)模塊下的路線創(chuàng)建和縱斷面創(chuàng)建命令[1]，分別創(chuàng)建本項(xiàng)目的平面圖和縱斷面圖，如圖4和圖5所示。

圖3 原始地形模型

圖4 路線平面圖(局部)

圖5 路線縱斷面

(3)運(yùn)用Subassembly Composer創(chuàng)建擋墻部件。

扶壁式擋墻可以看做懸臂式擋墻+扶壁構(gòu)成。Civil3D自帶擋墻部件中，雖然有懸臂式擋墻(如圖6所示)，但從其特性中可以看出，其尺寸一旦輸入之后即為定值，在整個(gè)道路的創(chuàng)建過(guò)程中就無(wú)法自動(dòng)調(diào)整，這顯然無(wú)法滿足實(shí)際的工程需要。Subassembly Composer為BIM設(shè)計(jì)人員提供了一個(gè)很好的部件開發(fā)平臺(tái)[2]，通過(guò)這一軟件，可以實(shí)現(xiàn)自定義某些特定功能的部件。

圖6 Civil 3D自帶擋墻及其特性

運(yùn)用Subassembly Composer創(chuàng)建擋墻的基本思路為[3]：定義擋墻最基本的參數(shù)——將墻身斷面尺寸表中的參數(shù)提前存入——判斷擋墻的高度——調(diào)用擋墻參數(shù)——生成擋墻特征點(diǎn)——將特征點(diǎn)連接成擋墻部件。

定義擋墻的參數(shù)調(diào)用Subassembly Composer工具箱中Define Variable模塊，將圖2中的參數(shù)名稱做定義，即為表中所有參數(shù)“命名”。將定義好的參數(shù)名稱以Sequence模塊打包，如圖7(a)所示。為方便確認(rèn)，本文以參數(shù)的拼音縮寫來(lái)命名參數(shù)，圖中“QG”即為表1中的墻高，“QDK”為墻頂寬……此時(shí)定義中的參數(shù)默認(rèn)值是無(wú)意義的，擋墻參數(shù)取決于變量賦值中的數(shù)值。

接下來(lái)需要?jiǎng)?chuàng)建代表Civil 3D中原始地形的曲面，使用配置和參數(shù)框中的Target Parameters模塊，添加一曲面目標(biāo)參數(shù)，使其代表Civil3D中的原始地形，由擋墻頂部向該曲面“投射”一個(gè)輔助點(diǎn)——Auxiliary Point，該點(diǎn)以下深度為擋墻埋深(在本項(xiàng)目中為定值——1m)，以該點(diǎn)到擋墻頂部的距離與擋墻埋深之和來(lái)判斷墻身的高度，后續(xù)根據(jù)此高度確定調(diào)用哪個(gè)范圍的參數(shù)。

圖7 定義變量、變量賦值、VB表達(dá)式

以1.5m墻高的擋墻參數(shù)為例，使用工具箱中Set Variable Value模塊將該墻高下的各參數(shù)：墻頂寬=0.4m、趾板長(zhǎng)=0.3m、踵板長(zhǎng)=0.5m、底板寬=1.2m、底板厚=0.4m以及擋墻埋深=1m輸入并儲(chǔ)存，如圖7(b)所示。以此法將表1中其它高度下的擋墻參數(shù)輸入并儲(chǔ)存，以備后續(xù)調(diào)用。

圖8 結(jié)構(gòu)流程及最終部件

Subassembly Composer允許在內(nèi)部編寫VB表達(dá)式來(lái)實(shí)現(xiàn)模塊的功能[4]。為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)選擇、調(diào)用既有儲(chǔ)存數(shù)據(jù)的功能，本文在Switch模塊中編寫了簡(jiǎn)單的IF嵌套語(yǔ)句，通過(guò)逐層嵌套，計(jì)算擋墻高度并作出判斷，輸出擋墻實(shí)際高度值，具體表達(dá)式如圖7(c)所示。此時(shí)編寫的流程便可根據(jù)擋墻高度通過(guò)Switch模塊自動(dòng)選擇、調(diào)用擋墻的參數(shù)值。以這些參數(shù)控制擋墻尺寸，以工具箱中的Point模塊生成擋墻各個(gè)節(jié)點(diǎn)，以Link模塊將節(jié)點(diǎn)連接，以Shape模塊將連接組合，最終生成擋墻部件。整體結(jié)構(gòu)流程如圖8(a)所示，最終生成的擋墻部件如圖8(b)所示。

(4)將擋墻部件導(dǎo)入Civil 3D并生成模型

將生成的擋墻部件導(dǎo)入Civil 3D的工具選項(xiàng)版中，在生成道路裝配時(shí)，即可調(diào)用導(dǎo)入的擋墻部件。以生成的路線平面和設(shè)計(jì)縱斷面為控制參數(shù)，以原始地形為控制目標(biāo)，生成道路模型，模型結(jié)果如圖9所示。在Civil3D的對(duì)象查看器中單獨(dú)查看道路及擋墻模型的效果如圖10所示。圖11是擋墻的正視圖和俯視圖，從圖中可以看出，擋墻沿路線方向，其尺寸都是隨擋墻高度不斷變化的，擋墻模型建立完畢。

圖9 Civil3D中道路模型

圖10 查看道路和擋墻對(duì)象

圖11 擋墻正視圖及俯視圖

2.2 擋墻扶壁建模

2020版Civil3D新加入了Dynamo模塊，其強(qiáng)大的“幾何參數(shù)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)”功能為許多Civil3D構(gòu)件的建立提供了技術(shù)支持[5]。在本文2.1節(jié)建立的擋墻模型的基礎(chǔ)上，運(yùn)用Dynamo為擋墻創(chuàng)建扶壁的過(guò)程如下。

(1)確定扶壁在擋墻中的位置規(guī)律

圖12 扶壁式擋墻橫斷面

圖12為扶壁式擋墻的橫斷面圖，從圖中可以看出扶壁部分是由A-B-C-D四個(gè)控制點(diǎn)組成的多邊形構(gòu)成的，將其沿?fù)鯄v向拉伸一定的厚度，即為扶壁模型。Dynamo的作用就是批量地在已生成的Civil3D道路模型中將這四個(gè)點(diǎn)定位，并將其連接成一多邊形，再將此多邊形沿路線前進(jìn)方向拉伸一定的厚度，生成實(shí)體模型，導(dǎo)入到Civil 3D中[6]。

(2)建立模型

Dynamo建模功能主要靠節(jié)點(diǎn)庫(kù)中包含的節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，在本次建模過(guò)程中，主要使用了Dynamo以下節(jié)點(diǎn)[7]：

Document. Current—調(diào)用當(dāng)前Civil 3D模型中的文件；

Selection. Corridor By Name—按照道路名稱選擇道路；

Corridor. Baselines—獲取道路基線；

Baseline. Corridor Feature Lines By Code—按照特征點(diǎn)獲取特征線；

Corridor Feature Line. Points—獲取特征線上的點(diǎn)；

Corridor Feature Lines. Coordinate System By Station—按樁號(hào)獲取特征線的坐標(biāo)系；

Poly Curve. By Points—按照點(diǎn)生成多段線；

圖14 Dynamo坐標(biāo)轉(zhuǎn)化流程圖

Vector. Transform—通過(guò)輸入指定坐標(biāo)系來(lái)改變向量；

Surface. By Patch—輪廓填充成面；

Surface. Thicken—面拉伸；

Solid. By Geometry—將Dynamo模型轉(zhuǎn)化為Civil3D實(shí)體；

Point. By Coordinates—按坐標(biāo)生成點(diǎn)。

List目錄下的列表處理附屬節(jié)點(diǎn)。

首先，打開生成的Civil3D道路模型，在管理選項(xiàng)卡下打開Dynamo軟件，用Document. Current節(jié)點(diǎn)調(diào)用當(dāng)前打開的Civil3D道路模型文件，運(yùn)用Selection. Corridor By Name節(jié)點(diǎn)按照名稱選取需要編輯的道路，以Corridor. Baselines節(jié)點(diǎn)獲得道路的所有基線，具體流程如圖13所示。然后，從中獲取扶壁模型四個(gè)控制點(diǎn)。這里需要注意的是，Dynamo默認(rèn)的坐標(biāo)系和Civil3D相同，在生成的扶壁模型時(shí)，為了使其始終垂直于路線方向，在定位時(shí)需要先將控制點(diǎn)在每個(gè)扶壁自身的局部坐標(biāo)系中生成，再轉(zhuǎn)化到整體坐標(biāo)系中。

圖13 運(yùn)用Dynamo調(diào)用既有Civil3D模型

對(duì)于A、D兩控制點(diǎn)，可看做以圖7(b)擋墻部件的特征點(diǎn)P1為坐標(biāo)原點(diǎn)，局部坐標(biāo)分別為為A(0， 0，-0.5)和D(0.2， 0，-0.5)的點(diǎn)，其中0.5為扶壁頂距擋墻頂?shù)木嚯x， 0.2為扶壁頂?shù)膶挾?，單位為m。在確定其局部坐標(biāo)后，需要轉(zhuǎn)化到各自樁號(hào)處的整體坐標(biāo)系中。使用Baseline. Corridor Feature Lines By Code節(jié)點(diǎn)獲取模型中所有含有P1的特征線。從扶壁的起始里程(K0+320)處開始，到終點(diǎn)里程(K0+340)處結(jié)束，將間距設(shè)為2.5m，以Corridor Feature Lines. Coordinate System By Station節(jié)點(diǎn)獲取指定樁號(hào)處P1特征點(diǎn)的坐標(biāo)系，然后以Vector. Transform將A、D兩點(diǎn)的局部坐標(biāo)轉(zhuǎn)化到該坐標(biāo)系中。坐標(biāo)轉(zhuǎn)化的流程如圖14所示，轉(zhuǎn)化完成的點(diǎn)如圖15(a)所示。

在生成扶壁模型的其它控制點(diǎn)時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)，扶壁高度是隨著擋墻的高度不斷變化的，如果再以特征點(diǎn)P1作為局部坐標(biāo)系的原點(diǎn)，對(duì)B、C點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)化，雖然也能生成模型，但模型高度固定，而B、C兩點(diǎn)恰好對(duì)應(yīng)了擋墻部件中P7、P8兩個(gè)特征點(diǎn)，因此，可以聯(lián)合使用Baseline. Corridor Feature Lines By Code 和Corridor Feature Line. Points節(jié)點(diǎn)直接調(diào)用并獲取這些特征點(diǎn)，這樣以來(lái)生成的扶壁模型既能夠隨墻高變化，且省去了坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化的過(guò)程。生成點(diǎn)的流程如圖16所示，生成B、C兩點(diǎn)如圖15(b)所示。

圖15 Dynamo生成的控制點(diǎn)

圖16 獲取P7、P8點(diǎn)流程圖

此時(shí)，組成扶壁的4個(gè)控制點(diǎn)都已生成，運(yùn)用Poly Curve. By Points節(jié)點(diǎn)將其連接成線，運(yùn)用Surface. By Patch節(jié)點(diǎn)和Surface. Thicken節(jié)點(diǎn)將線轉(zhuǎn)化成面、面拉伸成體，如圖17所示。

圖17 控制點(diǎn)生成面和體

最終生成的一系列扶壁實(shí)體如圖18所示。運(yùn)用Object. By Geometry節(jié)點(diǎn)將生成的實(shí)體導(dǎo)入Civil 3D中，與2.1中所生成的擋墻模型結(jié)合，生成扶壁式擋墻模型，在Civil 3D中查看如圖19所示。

圖18 Dynamo生成的扶壁實(shí)體

圖19 懸臂式和扶壁式擋墻模型

3 結(jié)論

本文基于Civil3D平臺(tái)，通過(guò)Subassembly Composer建立擋墻模型，并與Dynamo建立的扶壁模型相結(jié)合，完成了扶壁式擋土墻BIM模型的建立。此扶壁式擋墻模型能夠根據(jù)擋墻所處的位置自動(dòng)調(diào)整墻身及扶壁尺寸，使得公路擋墻正向化BIM設(shè)計(jì)更加便捷、實(shí)用，在公路BIM行業(yè)結(jié)構(gòu)物建模方面做了探索性的嘗試。本文提供的建模思路同樣適用于其他公路結(jié)構(gòu)模型，通過(guò)這兩款軟件，在Civil3D中許多復(fù)雜的異型結(jié)構(gòu)物模型亦能夠被創(chuàng)建，同時(shí)，BIM技術(shù)越來(lái)越受到國(guó)家和行業(yè)的重視，已經(jīng)成為未來(lái)行業(yè)發(fā)展的方向，隨著相關(guān)理念和軟件的發(fā)展，Civil3D定會(huì)成為推動(dòng)BIM行業(yè)發(fā)展和進(jìn)步的中堅(jiān)力量。