楊禮國(guó)，程雨秋，高 帆，王志寧

（中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

1 問題的提出

為保證邊坡下結(jié)構(gòu)施工和周邊環(huán)境的安全，對(duì)邊坡側(cè)壁及周邊環(huán)境采用支擋、加固和保護(hù)的措施統(tǒng)稱為邊坡支護(hù)。邊坡支護(hù)工程是多種復(fù)雜因素交互影響的系統(tǒng)工程，既是結(jié)構(gòu)工程，又是巖土工程。同時(shí)邊坡支護(hù)工程作為一門學(xué)科，它不僅是施工技術(shù)互相交叉的學(xué)科，而且是理論上尚待發(fā)展的綜合技術(shù)學(xué)科。

目前，邊坡支護(hù)工程正向大深度、大面積方向發(fā)展，有的長(zhǎng)度、寬度、深度均超過百米，工程造價(jià)高，開工數(shù)量多。但由于其技術(shù)復(fù)雜、涉及范圍廣、變化因素多、事故頻發(fā)，因而又成為建筑工程中最具有挑戰(zhàn)性的技術(shù)難點(diǎn)。邊坡支護(hù)工程質(zhì)量不僅僅關(guān)系到工程參建各單位的生存發(fā)展，更是關(guān)系到人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，因此必須做好整個(gè)開挖支護(hù)的全過程，包括勘察、設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測(cè)等各個(gè)工作環(huán)節(jié)。

設(shè)計(jì)作為邊坡支護(hù)工程中不可或缺的一環(huán)，對(duì)整個(gè)邊坡的安全起著根本性的作用，提高邊坡設(shè)計(jì)的質(zhì)量至關(guān)重要。目前已經(jīng)存在的支護(hù)設(shè)計(jì)軟件大都采用二維參數(shù)化繪圖，主要目的是解決設(shè)計(jì)人員的出圖問題，簡(jiǎn)化傳統(tǒng)出圖的繁瑣流程，需要輸入大量的支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)，給用戶帶來(lái)大量的前期準(zhǔn)備工作，一定程度上降低了效率，同時(shí)由于缺乏高效統(tǒng)一的協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，設(shè)計(jì)軟件不能直接使用三維地質(zhì)成果，軟件的工程適用性無(wú)法得到提高，不能形成系統(tǒng)完整的解決方案。另外，不注重設(shè)計(jì)成果的記錄與輸出，支護(hù)設(shè)計(jì)信息未能得到管理與有效利用，使得支護(hù)信息缺失，這也給后期邊坡的維護(hù)帶來(lái)不利影響。

隨著BIM理論與技術(shù)的發(fā)展，信息模型的應(yīng)用正在不斷的向工程全行業(yè)擴(kuò)展。利用BIM技術(shù)，一方面實(shí)現(xiàn)模型可視化，另一方面實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程和設(shè)計(jì)信息的集成，同時(shí)，有了協(xié)同設(shè)計(jì)，各專業(yè)的技術(shù)設(shè)計(jì)人員可以全部參與進(jìn)來(lái)。目前工程行業(yè)對(duì)于模型與信息的應(yīng)用已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出以前單純參數(shù)化三維建模的應(yīng)用深度。BIM技術(shù)的應(yīng)用讓構(gòu)件以三維虛擬實(shí)體展示，不僅能夠在構(gòu)件之間形成互動(dòng)和反饋，而且可以和實(shí)景融合并進(jìn)行施工模擬，顯著提高工程項(xiàng)目各方之間溝通與交流能力，同時(shí)，也大大促進(jìn)建筑工程全生命周期的信息共享，提高工程項(xiàng)目各方對(duì)整個(gè)建筑工程項(xiàng)目全生命周期的管理能力，優(yōu)化所有利益相關(guān)人員的工作效率。因此，將BIM技術(shù)應(yīng)用于邊坡支護(hù)，成為工程領(lǐng)域的迫切需求，也是近年來(lái)行業(yè)內(nèi)熱門的研究課題。

2 邊坡支護(hù)技術(shù)難點(diǎn)

由于邊坡支護(hù)涉及范圍廣，支護(hù)形式多樣，開發(fā)適用于邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)的BIM軟件系統(tǒng)，一般面臨著以下4個(gè)技術(shù)難點(diǎn)：

（1）邊坡三維模型的表達(dá)。邊坡是為了保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在結(jié)構(gòu)兩側(cè)做成的具有一定坡度的坡面，邊坡分為人為和自然邊坡，形狀不規(guī)則，并且體積巨大。邊坡的支護(hù)設(shè)計(jì)依據(jù)邊坡周邊的地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行，但通常支護(hù)后的邊坡形狀和支護(hù)前的邊坡形狀變化不大，在實(shí)際建模過程中，邊坡由于其不規(guī)則性，不適宜用規(guī)則的樣條面和平面表達(dá)。需要一種高效靈活的方式去表達(dá)邊坡三維模型。

（2）支護(hù)三維模型的表達(dá)。傳統(tǒng)的支護(hù)分類方法，通常將支護(hù)分類方式按照施工工藝進(jìn)行分類，大體分為4類：抹面與捶面防護(hù)、植物防護(hù)、柔性支護(hù)以及綜合防護(hù)，但這種分類方式并沒有從支護(hù)模型的特點(diǎn)考量，使得三維建模時(shí)，不能找到統(tǒng)一的表達(dá)方式，增加BIM軟件系統(tǒng)復(fù)雜度。支護(hù)的類別眾多，模型表達(dá)的粒度至關(guān)重要，粒度大小直接決定建模的工作量和模型的大小。模型表達(dá)的越精細(xì)，工作量越大，需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)也越大，模型所占用的存儲(chǔ)空間也越大，進(jìn)行分析處理需要的時(shí)間也越長(zhǎng)，BIM軟件需要根據(jù)工程實(shí)際應(yīng)用需求，選擇一個(gè)合適的建模粒度。

（3）支護(hù)信息的存儲(chǔ)與管理。BIM最有價(jià)值的部分是和模型關(guān)聯(lián)的屬性信息，信息是連接工程設(shè)計(jì)、工程施工、工程運(yùn)維的紐帶。如何設(shè)計(jì)和存儲(chǔ)支護(hù)的屬性信息至關(guān)重要，需要屬性信息能夠很便捷的查詢同時(shí)而不依賴特定的平臺(tái)，并可以在各個(gè)平臺(tái)（包含PC端、Web端、移動(dòng)端）之間實(shí)現(xiàn)無(wú)損傳遞和共享，同時(shí)還能夠方便的擴(kuò)展和修改。如何存儲(chǔ)和管理這些信息，也是邊坡支護(hù)BIM系統(tǒng)需要研究解決的一個(gè)問題。

（4）支護(hù)的自動(dòng)布置。邊坡支護(hù)的首要目的是保證邊坡的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)時(shí)必須要依據(jù)工程位置的地質(zhì)條件。因此，實(shí)現(xiàn)支護(hù)的自動(dòng)布置及設(shè)計(jì)，必須要首先解決地質(zhì)模型和信息的融合問題。邊坡的形狀極不規(guī)則，支護(hù)的布置和邊坡的表面形狀緊密相關(guān)，采用手工建立三維模型的方法很難在不規(guī)則的表面進(jìn)行精確定位，工作量大且非常繁瑣，基本不可行。如果要建立支護(hù)的三維模型必須依靠軟件并結(jié)合支護(hù)設(shè)計(jì)思想進(jìn)行智能化的生成。

3 邊坡支護(hù)技術(shù)研究

為開發(fā)適用于邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)的BIM系統(tǒng)，針對(duì)以上技術(shù)難點(diǎn)，可以采用以下方法進(jìn)行解決：

（1）根據(jù)支護(hù)布置方式的特點(diǎn)進(jìn)行分類。傳統(tǒng)的支護(hù)方式分類方法通常按照施工工藝進(jìn)行分類，不適合作為三維建模的分類標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合邊坡支護(hù)行業(yè)的特點(diǎn)，以及參數(shù)化三維建模的要求，對(duì)支護(hù)按照其布置方式的特點(diǎn)進(jìn)行分類，可以分為點(diǎn)類支護(hù)、面狀支護(hù)以及體類支護(hù)等3類。①點(diǎn)類支護(hù)的特點(diǎn)可以概括為和邊坡表面交集，它是以點(diǎn)的形式存在的，通過大量的點(diǎn)狀分布，來(lái)實(shí)現(xiàn)邊坡整體的加強(qiáng)。例如錨桿類支護(hù)、種植樹木支護(hù)。對(duì)于點(diǎn)類支護(hù)模型，又可以分為2類進(jìn)行表達(dá)：第一類采用線條進(jìn)行表達(dá)，并在屬性信息中記錄其錨桿的直徑、材料等信息，在模型顯示時(shí)，則使用柱狀的實(shí)體進(jìn)行表達(dá)，對(duì)于錨桿表面的紋理、溝槽等信息則不在三維模型中表達(dá)，改為使用材質(zhì)覆蓋，這種表達(dá)方式適用于錨桿、鉆孔類支護(hù)。第二類則采用共享單元表達(dá)，這種表達(dá)方式適用于種植樹木一類的支護(hù)，不但可以壓縮文件大小，還可以優(yōu)化顯示性能。②面狀支護(hù)則可概括為通過覆蓋邊坡表面的方式來(lái)加強(qiáng)邊坡整體，例如噴混凝土、覆蓋草皮、放置防護(hù)網(wǎng)等方式。對(duì)于面狀類支護(hù)模型，如噴混凝土、種植草皮等支護(hù)方式，統(tǒng)計(jì)時(shí)僅需要面積即可，這一類的支護(hù)模型可以使用沒有厚度并附加材質(zhì)的網(wǎng)格面進(jìn)行表達(dá)。③體類支護(hù)則可統(tǒng)一為在邊坡表面建立縱橫交錯(cuò)的條帶狀的混凝土塊體型的支護(hù)方式。對(duì)于體類支護(hù)，由于其和邊坡的表面緊密相連，同樣具備邊坡的不規(guī)則性，并且在工程應(yīng)用中都需要統(tǒng)計(jì)其體積，因此使用封閉的網(wǎng)格體來(lái)表達(dá)，比如格構(gòu)梁類支護(hù)

（2）針對(duì)性的選擇模型表達(dá)方式來(lái)建立邊坡以及支護(hù)模型。三維模型的常用表達(dá)方式有3種：實(shí)體、曲面以及網(wǎng)格。①實(shí)體建模是一種非常精確的表達(dá)方式，邊界非常嚴(yán)格，各個(gè)軟件通常都有自己的一套數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，相互之間存在轉(zhuǎn)換障礙，實(shí)體建模不適用于表達(dá)不封閉的邊坡。②曲面建模也是一種常用的模型表達(dá)方式，曲面模型與實(shí)體模型的區(qū)別在于所包含的信息和具備性不同，實(shí)體模型總是封閉的，沒有任何縫隙和重疊邊，曲面模型可以不封閉，幾個(gè)曲面之間可以不相交，可以有縫隙和重疊。③網(wǎng)格建模是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中用于為各種不規(guī)則物體建立模型的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。網(wǎng)格的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，擴(kuò)展性好，并且所有圖形平臺(tái)都能夠支持，具有良好的跨平臺(tái)特性?；诖耍捎镁W(wǎng)格來(lái)表達(dá)邊坡模型，可以有效彌補(bǔ)采用實(shí)體及曲面方式的不足。

（3）支護(hù)屬性設(shè)計(jì)與存儲(chǔ)。在BIM的世界里，一個(gè)完整對(duì)象不僅僅包含幾何圖形，還包含相關(guān)的屬性信息。考慮到設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維的各個(gè)階段都需要大量的屬性信息，因此屬性設(shè)計(jì)需要兼顧各個(gè)階段。同時(shí)伴隨著屬性不斷的擴(kuò)充，屬性的存儲(chǔ)需要容易擴(kuò)展和變更。基于以上原因，屬性的存儲(chǔ)采用可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言（XML）進(jìn)行存儲(chǔ)。XML是一種用于標(biāo)記電子文件使其具有結(jié)構(gòu)性的標(biāo)記語(yǔ)言，可以對(duì)文檔和數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化處理，并且能夠在部門、客戶和供應(yīng)商之間進(jìn)行交換，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)內(nèi)容生成，企業(yè)集成和應(yīng)用開發(fā)。同時(shí)，XML的簡(jiǎn)單使其易于在任何應(yīng)用程序中讀寫數(shù)據(jù)，各個(gè)BIM平臺(tái)都支持XML。通過使用XML存儲(chǔ)支護(hù)的屬性數(shù)據(jù)，可以擺脫平臺(tái)的依賴同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在各個(gè)平臺(tái)的共享。

（4）支護(hù)的參數(shù)化三維建模。支護(hù)三維參數(shù)化的建模的難點(diǎn)在于如何將工程設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)思想同計(jì)算機(jī)程序結(jié)合。由于邊坡的形狀不規(guī)則的特性，在三維空間內(nèi)建立支護(hù)的三維模型和傳統(tǒng)的二維制圖有很大的不同，為解決這一難題，可以將支護(hù)的設(shè)計(jì)參數(shù)和邊坡作為輸入?yún)?shù)，由BIM系統(tǒng)對(duì)邊坡進(jìn)行幾何分析，依據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)自動(dòng)建立支護(hù)的三維模型。支護(hù)的參數(shù)通常具有很強(qiáng)的復(fù)用性和穩(wěn)定性，通過建立邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)支護(hù)參數(shù)的模版化管理，將標(biāo)準(zhǔn)化支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)以XML文件方式在服務(wù)器端統(tǒng)一管理，滿足支護(hù)設(shè)計(jì)知識(shí)跨專業(yè)、跨工程共享。通過建立參數(shù)化的三維模型，可以顯著提高邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)的質(zhì)量，也使得支護(hù)工程量的統(tǒng)計(jì)變得更加直觀和精確。

4 應(yīng)用案例

為驗(yàn)證上述技術(shù)方案的效果，使用基于該技術(shù)方案開發(fā)的邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)BIM軟件Civil Designer在國(guó)內(nèi)某大型水利工程項(xiàng)目中進(jìn)行嘗試。在采用網(wǎng)格表達(dá)的原始邊坡模型的基礎(chǔ)上，程序自動(dòng)將馬道和邊坡分離，并基于用戶設(shè)定的參數(shù)，自動(dòng)生成支護(hù)模型。圖1為原始的邊坡模型及程序自動(dòng)提取的需要進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)的邊坡模型圖。從左至右分別為原始的邊坡模型、自動(dòng)提取的需要進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)的邊坡模型、自動(dòng)生成的錨桿支護(hù)模型，其中錨桿類支護(hù)采用線條表達(dá)，不但實(shí)現(xiàn)模型輕量化，同時(shí)提高運(yùn)行效率。

圖1 原始的邊坡模型及程序自動(dòng)提取的需要進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)的邊坡模型圖

圖2則為基于邊坡自動(dòng)生成的框格梁支護(hù)BIM模型圖。該模型采用封閉的網(wǎng)格體來(lái)表達(dá)，附帶完整的屬性信息，可以用于工程量統(tǒng)計(jì)和后期運(yùn)維。最終基于該技術(shù)方案，該項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了邊坡工程參數(shù)化支護(hù)設(shè)計(jì)、工程量統(tǒng)計(jì)、工程屬性信息管理的一體化。

圖2 基于邊坡自動(dòng)生成的框格梁支護(hù)BIM模型圖

5 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)BIM系統(tǒng)中遇到的一些技術(shù)難點(diǎn)，提出從模型表達(dá)到支護(hù)分類方式，再到屬性存儲(chǔ)和參數(shù)化設(shè)計(jì)的解決方案，最終實(shí)現(xiàn)BIM技術(shù)在邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)過程中的應(yīng)用。不但完成了支護(hù)的參數(shù)化三維建模和智能化設(shè)計(jì)，而且實(shí)現(xiàn)了支護(hù)設(shè)計(jì)方案的模板化關(guān)聯(lián)、支護(hù)信息管理、工程量統(tǒng)計(jì)的功能，顯著提高了邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率，對(duì)提高工程設(shè)計(jì)質(zhì)量有著十分重要的意義，為滿足日益深化的工程全生命周期應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。