BIM技術(shù)在擋土墻設(shè)計(jì)中的應(yīng)用探討

羅鈞友

【摘要】BIM技術(shù)在各個(gè)工程領(lǐng)域運(yùn)用逐漸增多，文章基于Civil 3D軟件平臺(tái)，使用Subassembly Composer建立了作為常用支擋結(jié)構(gòu)之一的衡重式擋土墻模型，創(chuàng)建了測(cè)試道路模型對(duì)擋土墻部件進(jìn)行應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了擋土墻的參數(shù)化、可視化、動(dòng)態(tài)化的設(shè)計(jì)，提高了設(shè)計(jì)效率與精度，證明了BIM技術(shù)應(yīng)用于擋土墻設(shè)計(jì)中的可能性。

【關(guān)鍵詞】BIM技術(shù); 衡重式擋土墻; 參數(shù)化; 可視化; 動(dòng)態(tài)化

【中國(guó)分類號(hào)】U417.1+1【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)與科技的發(fā)展，近年來BIM技術(shù)在我國(guó)建筑領(lǐng)域各方面的應(yīng)用逐漸增加。最初BIM技術(shù)在房屋建筑領(lǐng)域應(yīng)用居多，到現(xiàn)在已經(jīng)轉(zhuǎn)向應(yīng)用于鐵路、公路、水電、航空等各個(gè)領(lǐng)域[1]。隨著BIM技術(shù)的不斷進(jìn)步，一些基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目也開始嘗試使用BIM技術(shù)。然而BIM技術(shù)在國(guó)內(nèi)起步比較晚，發(fā)展也較為緩慢。擋土墻作為常用的一種支擋結(jié)構(gòu)形式，廣泛應(yīng)用于鐵路、公路工程當(dāng)中。目前國(guó)內(nèi)針對(duì)運(yùn)用BIM技術(shù)進(jìn)行擋土墻設(shè)計(jì)的研究還處于起步階段，大多是采用理正擋土墻或緯地?fù)跬翂υO(shè)計(jì)系統(tǒng)等主流軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)[2-3]。但傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)效率受到二維平面一定的制約，在實(shí)際工程項(xiàng)目中也存在著大量的重復(fù)設(shè)計(jì)工作，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，還讓設(shè)計(jì)者對(duì)于方案的優(yōu)化有一些局限性，并且在施工階段也存在浪費(fèi)建筑材料的現(xiàn)象。

綜上所述，擋土墻作為一個(gè)在工程中常用的支擋結(jié)構(gòu)，BIM技術(shù)應(yīng)用在支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的案例還比較少，在這方面還存在很大的空白。在BIM技術(shù)在各建筑工程領(lǐng)域大力發(fā)展的形勢(shì)下，將來應(yīng)用BIM技術(shù)在擋土墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中也將成為一種趨勢(shì)[4]。本文將基于BIM技術(shù)，進(jìn)行擋土墻的設(shè)計(jì)研究，進(jìn)行擋土墻參數(shù)化建模設(shè)計(jì)，對(duì)BIM技術(shù)在擋土墻設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行探討。

1 BIM技術(shù)簡(jiǎn)介

BIM即Building Information Modeling建筑信息模型，是近年來出現(xiàn)的建筑數(shù)字技術(shù)，以建筑工程項(xiàng)目的各項(xiàng)相關(guān)信息數(shù)據(jù)作為模型的基礎(chǔ)，進(jìn)行建筑模型的創(chuàng)建，通過數(shù)字信息仿真模擬各類建筑物所具有的真實(shí)信息。采用BIM技術(shù)可實(shí)現(xiàn)建筑信息模型集成化管理，包括設(shè)計(jì)階段的協(xié)同設(shè)計(jì)、施工階段的建造一體化和運(yùn)營(yíng)階段對(duì)建筑的智能化管理與維護(hù)。對(duì)于傳統(tǒng)CAD設(shè)計(jì)階段的2D圖紙冗繁、錯(cuò)誤率高、可視化程度低、協(xié)同設(shè)計(jì)難度大、設(shè)計(jì)溝通困難等缺點(diǎn)，BIM技術(shù)具有更加快捷與準(zhǔn)確地繪制建筑模型的特點(diǎn)，能多個(gè)系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)，并對(duì)于設(shè)計(jì)變更能靈活應(yīng)對(duì)，更加提高設(shè)計(jì)質(zhì)量與效率。

2 軟件平臺(tái)選用

BIM相關(guān)的軟件根據(jù)使用領(lǐng)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(jù)此次設(shè)計(jì)的需要，使用AutoCAD Civil 3D軟件來進(jìn)行擋土墻的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

AutoCAD Civil 3D是借助BIM面向土木工程應(yīng)用的軟件，可快速、更精確地創(chuàng)建、預(yù)測(cè)和完成交通、土地開發(fā)和環(huán)境項(xiàng)目設(shè)計(jì)。它的三維動(dòng)態(tài)工程模型能夠快速完成道路工程規(guī)劃設(shè)計(jì)。所有曲面、橫斷面、縱斷面、部件等均可動(dòng)態(tài)化鏈接，能更加高效快捷評(píng)估許多設(shè)計(jì)方案，做出更符合實(shí)際工程項(xiàng)目需要的設(shè)計(jì)圖紙。

3 選擇擋土墻類型與參數(shù)

依據(jù)中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院04J008 《擋土墻（重力式衡重式懸臂式）》[5]國(guó)家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集作為這次擋土墻設(shè)計(jì)的參數(shù)選擇，并選擇衡重式擋土墻當(dāng)作這次設(shè)計(jì)的擋土墻類型。衡重式擋土墻是我國(guó)山區(qū)鐵路應(yīng)用較廣泛的一種擋土墻形式，并已在公路其他行業(yè)中得到推廣運(yùn)用。衡重式擋土墻設(shè)置了衡重臺(tái)使墻身重心后移，利用衡重臺(tái)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(wěn)定性。由于墻胸坡陡、下墻背仰斜，在陡坡地區(qū)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(shù)選擇，見表1。

4 擋土墻部件創(chuàng)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(fù)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(diǎn)線面部件作為設(shè)計(jì)單元，設(shè)計(jì)者只需要添加部件的邏輯關(guān)系、邊界條件就能生成部件的幾何形狀;進(jìn)一步對(duì)各基本部件添加代碼信息，則可以完成模型的基本創(chuàng)建[7]。表1 衡重式擋土墻斷面尺寸

SubassemblyComposer具有參數(shù)化、可視化、動(dòng)態(tài)化的特點(diǎn)，它能提供擋土墻設(shè)計(jì)參數(shù)定義與輸入，在參數(shù)輸入進(jìn)軟件后，經(jīng)過一系列后臺(tái)運(yùn)算，可動(dòng)態(tài)化的呈現(xiàn)模型視圖;也可根據(jù)視圖實(shí)時(shí)改動(dòng)，而改變?cè)O(shè)計(jì)參數(shù)，直到達(dá)到設(shè)計(jì)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(jù)擋土墻截面尺寸設(shè)定輸入/輸出參數(shù)，并定義好參數(shù)名稱、類型、方向，方便后續(xù)有需要進(jìn)行更改。

步驟2：根據(jù)設(shè)定的控制參數(shù)，創(chuàng)建點(diǎn)、線，并定義其幾何性質(zhì)，建立擋土墻部件的幾何形體。

步驟3：根據(jù)預(yù)覽視圖，調(diào)整各類參數(shù)，檢查擋土墻幾何圖形是否根據(jù)參數(shù)變化而變化。

步驟4：設(shè)定地形曲面、放坡高程、擋土墻底面高程目標(biāo)參數(shù)，并創(chuàng)建Decision工作流，判斷是否需要設(shè)置擋土墻。

步驟5：墻背和墻面根據(jù)設(shè)定輸入的參數(shù)，分別設(shè)置回填面，并關(guān)聯(lián)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(yīng)調(diào)整。

5 測(cè)試道路模型創(chuàng)建

本次道路模型使用AutoCAD Civil 3D軟件創(chuàng)建。首先，需要使用Civil 3D創(chuàng)建三維地形曲面，導(dǎo)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(shù)據(jù)，再對(duì)部分區(qū)域進(jìn)行修改和補(bǔ)充，最終生成三維地形曲面。選擇曲面對(duì)象后，在對(duì)象查看器中，可進(jìn)行三維瀏覽，見圖3。

在Civil 3D中根據(jù)地形使用路線創(chuàng)建工具進(jìn)行平面線形設(shè)計(jì)，采用切線-切線（帶有曲線）的方式，設(shè)定緩和曲線類型，根據(jù)地形圖逐一選擇交點(diǎn)，Civil 3D會(huì)自動(dòng)用緩和曲線連接起來。后續(xù)如需調(diào)整也可直接在路線圖進(jìn)行拖動(dòng)，相應(yīng)路線各類參數(shù)也會(huì)隨之改變。

完成平面路線設(shè)計(jì)之后，點(diǎn)擊創(chuàng)建曲面縱斷面圖，導(dǎo)入測(cè)試地形數(shù)據(jù)，設(shè)定縱斷面圖樁號(hào)和高度范圍，即可完成曲面縱斷面的創(chuàng)建。Civil 3D縱斷面設(shè)計(jì)的工作機(jī)制是以縱斷面圖為容器，將曲面縱斷面以及創(chuàng)建的縱斷面設(shè)計(jì)線及其標(biāo)注放在一起，兩者相互獨(dú)立，也能進(jìn)行動(dòng)態(tài)編輯與更新[3]。以此為基礎(chǔ)，通過縱斷面圖創(chuàng)建工具進(jìn)行縱斷面設(shè)計(jì)。.

因?yàn)楸镜缆纺Ｐ椭皇怯脕頊y(cè)試擋墻部件是否可用，暫不做過多復(fù)雜的橫斷面設(shè)計(jì)。在Civil 3D常用裝配中創(chuàng)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(diǎn)擊創(chuàng)建道路，把創(chuàng)建好的的平面線形道路路線、縱斷面線和基本裝配導(dǎo)入，關(guān)聯(lián)目標(biāo)曲面為測(cè)試地形曲面。接著設(shè)定基準(zhǔn)線和區(qū)域參數(shù)，即可完成測(cè)試道路模型的基本創(chuàng)建。

6 擋土墻部件的應(yīng)用

具體步驟如下：

步驟1：首先將之前創(chuàng)建好的衡重式擋土墻部件導(dǎo)入到裝配中，見圖4，根據(jù)地形和道路模型綜合考慮，確定設(shè)置擋土墻段的樁號(hào)范圍。

步驟2：創(chuàng)建放坡高程縱斷面，設(shè)計(jì)擋土墻的墻底線，導(dǎo)入測(cè)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(yù)覽道路橫斷面圖，調(diào)整放坡高程和墻底線，并通過參數(shù)編輯器調(diào)整部分樁號(hào)范圍的擋土墻參數(shù)，見圖5。

步驟4：在測(cè)試道路模型特性中，添加曲面數(shù)據(jù)和指定代碼，設(shè)定道路邊界，更新道路模型生成道路曲面。

步驟5：創(chuàng)建采樣線，按照樁號(hào)范圍設(shè)定樣本寬度，并生成橫斷面圖。

步驟6：新建土方量標(biāo)準(zhǔn)，編輯材質(zhì)列表，并在橫斷面編組特性中添加。

步驟7：自動(dòng)計(jì)算出各樁號(hào)擋墻實(shí)體以及回填實(shí)體的工程量[8]。

7 結(jié)束語

本文通過使用Civil 3D對(duì)擋土墻進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)BIM技術(shù)在擋土墻設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。使用SubassemblyComposer實(shí)現(xiàn)了對(duì)衡重式擋土墻參數(shù)化、動(dòng)態(tài)化、可視化的設(shè)計(jì)，并通過測(cè)試道路模型進(jìn)行了擋土墻部件的應(yīng)用，提高了擋土墻設(shè)計(jì)的質(zhì)量與效率。后續(xù)還可使用Navisworks對(duì)擋土墻進(jìn)行三維可視化展示，按工程施工順序進(jìn)行路基施工模擬，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工管理方面的研究。在實(shí)際工程中，已有運(yùn)用BIM技術(shù)進(jìn)行擋土墻自動(dòng)化設(shè)計(jì)和建模的案例，可供參考借鑒。

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