BIM技术在公路边坡的应用探究

孙建诚，朱双晗，蒋浩鹏

(河北工业大学 土木与交通学院，天津 300400)

0 引 言

近年来，BIM技术以其信息化、高效化、联动化等优势特点，被越来越多的应用到实际工程项目中[1]。在BIM理念影响下，公路工程从业人员将BIM技术与传统公路项目流程相结合，不断探索其在公路各方面的应用，但仅处于刚刚起步阶段[2]。王雄[3]运用Power Civil软件将道路三维模型与周围环境景观相融合，应用三维模型对道路景观进行分析和评价，并对道路边坡景观及附属设施进行了建模处理；曹睿明[4]运用Power Civil软件进行了道路三维模型创建及设计探索，主要针对道路主体本身，未过多涉及对边坡部分的重点说明；王珏[5]运用Civil 3D对BIM技术在互通式立交设计中的理论及应用技术进行了研究；熊桂开等[6]将GIS与BIM技术相结合，对路网进行可视化分析模拟与优化，其中涉及对将路网边坡与周围地形相融合技术的探索。另有学者利用Arc GIS等软件进行边坡地质三维建模，基于有限元思想等对边坡的稳定性问题进行研究[7]，或是运用无人机航拍并建立三维点云对边坡施工过程中的稳定性情况进行监测[8]。诸如此类，虽是在三维可视化建模基础上对边坡进行研究，但没有与BIM技术相结合。

综上所述，一方面，现阶段边坡往往作为公路附属结构，在BIM技术应用方面一带而过，虽有通用之处但没有重点详细研究；另一方面，在三维建模基础上，专门针对边坡景观设计或稳定性评价分析方面的研究并不是基于BIM技术。由此可见，现阶段专门针对BIM技术在边坡应用研究较少，在BIM技术应用于道路工程蓬勃发展形势下，将来应用BIM技术对边坡主体结构设计、景观设计、稳定性分析等问题进行研究是必然趋势。为使BIM技术在边坡问题上发挥其高效化和信息化优势，有必要对边坡BIM设计流程规范化和技术经验进行研究和积累，而由于BIM技术应用在边坡方面探索和案例还较少，因此在这些方面还存在很大空白，尚未发挥出BIM技术真正优势。

基于此，笔者以IFC标准数据传输规则为总体原则，给出公路边坡BIM设计、施工和运维管养规范化技术路线；并结合工程实例，对Revit和Civil 3D在公路边坡应用进行对比，以期对BIM边坡设计规范流程欠缺和技术经验不足问题进行探索，以规范化设计流程使BIM技术应用畅通，最大化其经济效益，为BIM技术应用于边坡积累技术经验。

1 IFC标准

IFC(Industry Foundation Class)中文全称为：工业基础类标准，旨在为基于BIM技术的数据、信息和文件提供共享的传输格式和交互法则[9-10]。各BIM应用软件也基本上完成了对IFC数据格式的支持开发，虽然应用在土木建筑工程类项目中还有不尽完善之处，但现阶段IFC标准成为了实质上的BIM数据交换标准[11]。IFC运作流程如图1。

图1 IFC运作流程Fig. 1 IFC operation flow

IFC标准将建筑全生命周期信息架构分为4个功能层，每个功能层都由信息相互独立模块组成，功能层结构如图2[12]。IFC标准各功能层之间规定了严格的引用关系，即一个功能层只能引用同级和下级功能层，IFC标准的信息继承规则极大程度上解决了公路工程项目数据交换和共享问题，节约了时间和经济成本。

图2 IFC功能层结构Fig. 2 IFC functional layer structure

2 公路边坡BIM应用

2.1 公路边坡BIM技术路线

BIM通过构件参数约束和逻辑约束对公路边坡BIM模型进行设计和创建，以三维模型为起始载体，完成边坡设计过程中的图表生成和综合分析等工作，将边坡全生命周期各类信息集成和应用，在不同维度上向项目各参与方进行展示和分析，体现了BIM技术协调性、数据高度集成性、一致性、优化性等特点[13]；然而，在设计过程中边坡信息覆盖面广、数据复杂、信息兼容性不高。针对以上问题，笔者以IFC标准功能层结构和数据传输规则为原则，提出基于BIM的公路边坡设计技术路线，在设计流程规范化前提下保证信息数据顺利传递和共享。公路边坡BIM设计技术路线如图3。

图3 公路边坡BIM设计技术路线Fig. 3 Technical route of BIM design for highway slope

2.2 公路边坡BIM施工及运维管养技术路线

BIM技术的创新在于其突破了传统公路项目建设理念和技术手段，尤其是与计算机技术、大数据技术、云技术、虚拟现实技术等高新科技相结合，提升了产业链效率，在公路边坡BIM施工及运维管养阶段即体现了这一特性[14]。边坡不同于一般公路结构物，其施工安全和运维稳定性对公路安全性能具有重要意义[15]。因此，笔者结合BIM技术功能，以IFC数据传输规则为框架，规范BIM技术在公路边坡施工和运维管养阶段应用，实现指导施工、全面管理、实时监控的作用，尤其是对边坡施工安全和运维病害的监测。具体公路边坡BIM施工及运维管养技术路线如图4。

图4 公路边坡BIM施工及运维管养技术路线Fig. 4 Technical route of highway slope BIM construction,operation and maintenance

3 建模软件在公路边坡中的应用

3.1 建模软件

Civil 3D和Revit是Autodesk公司开发的两款针对BIM应用软件，其中Civil 3D专注于道路建模，Revit则是主要针对建筑方面，兼顾其他专业应用。考虑到边坡作为特殊的道路结构物，故笔者通过边坡工程实例对这两款软件进行对比，以此总结BIM技术应用技巧和经验。

3.2 项目概况

该项目为我国太行山高速公路邯郸段，设计速度为80 km/h，双向四车道，边坡平均高度最高31.60 m，最低8.00 m。笔者截取K10+550～K10+630路段边坡作为试验段进行建模，其长度80.00 m，平均高度28.80 m，SNS主动防护，地层主要为古生界奥陶系中统马家沟组中风化白云质灰岩，地表覆盖第四系上更新统洪、堆积形成的碎石等。采用参数化项目管理模式，对数据文件格式和模型数据进行参数化管理。

3.3 Revit和Civil 3D应用对比

3.3.1 建模思路对比

1)Revit基于“族”与“项目”的思路进行模型创建。首先将模型划分为不同族，分别对族进行创建，然后在同一项目中进行族的拼装，最终在项目中完成模型构建。

2)Civil 3D建模思路与传统道路设计思路基本保持一致，于边坡建模同样适用。

3.3.2 建模过程对比

1)Revit边坡建模。新建并保存族文件，新建项目并设置工作平面、轴网、标高等，选择标高和平面插入截取的边坡路段CAD图，再将建好的族加载到新建项目中。族参数等可在属性对话框中进行修改，保存后即可实现族、项目同步修改，体现BIM技术联动性特点。本项目模型中，将边坡地质信息一并添加到模型中，直观地显示边坡地质情况。Revit边坡模型如图5。

图5 Revit边坡模型Fig. 5 Slope model in Revit

2)Civil 3D边坡建模需要依托于道路三维模型。在Civil 3D中要尤其注意“组”的逻辑划分，在边坡设计中，属于不同放坡组的要素线生成边坡曲面没有相互关联关系。在此基础上利用放坡工具进行边坡创建和参数设置。普通片段线并不能被当做放坡要素线，需要首先设置其高程，并在此基础上才能作为放坡要素线进行操作设计边坡。调整放坡要素线则依附于要素线的整个放坡曲面全部随之调整。Civil 3D边坡模型如图6。

图6 Civil 3D边坡模型Fig. 6 Slope model in Civil 3D

3.3.3 深化设计对比

1)Revit具有强大的共享参数设置功能。共享参数是在Revit已开发参数基础上额外增加适用于本项目的参数，扩大模型参数化范围。本项目中对边坡模型增加边坡稳定性监测内容，边坡稳定性监测模型如图7。运用共享参数功能增加“监控数据”和“边坡监测”两个共享参数，进行监测数据的集成和管理。共享参数编辑语句文件如图8，参数建立结果如图9。

图7 边坡稳定性监测模型Fig. 7 Slope stability monitoring model

图8 共享参数编辑语句Fig. 8 Shared parameter editing statement

图9 共享参数Fig. 9 Shared parameters

2)Civil 3D放坡工具可对填挖方体积进行显示，还可对整个放坡进行整体沉降以此实现对填挖方体积的改变和调整；对于半填半挖情况，可调整放坡使得填挖平衡，达到边坡深化设计目的。

3)轻量化对比。由于Revit可不依赖于道路三维模型直接创建边坡模型并对其进行应用，故在轻量化方面更具优势。但是Civil 3D更符合传统道路设计流程，道路主体和边坡关联性更强。

4)Revit和Civil 3D都具有在三维模型基础上进行边坡坡面面积计算功能，方便快捷。取项目K10+550～K10+630路段进行计算，Revit和Civil 3D计算结果如表1。

表1 坡面面积对比Table 1 Comparison of slope surface area m2

同时，采用红鹏AC1200型号无人机搭载五镜头倾斜相机对该段边坡进行实地测量，距离边坡垂直距离10 m，航向和旁向重叠度均为90%，共获得309张影像，采用方格网法计算坡面面积，其结果如表1[16]。Revit和Civil 3D计算结果都较贴近倾斜摄影实际测量结果，计算精度较高。

4 结 论

1)基于IFC标准功能层和数据传输规则，给出了公路边坡BIM模型设计、施工和运维管养规范化技术路线，能够以规范的流程提高工作效率，节约资源，最大化发挥BIM在公路边坡应用。

2)以实际工程案例对Revit和Civil 3D在公路边坡BIM的应用中进行了对比。研究表明：这两款软件从不同建模思路出发，在建模过程中各有优劣，尤其在参数设置、信息量化、边坡分析等技术功能上各有侧重，从业人员可根据实际工程需要灵活选用。

3)本研究案例应用BIM技术实现了边坡三维建模，并应用三维模型进行了坡面面积计算，其中Revit仅有0.064%的偏差，Civil 3D仅有0.056%的偏差，数据精度和准确度较高。此外，在边坡监测模型基础上，实现了监控布设直观展示，应用Revit共享参数功能，在参数系统增加了边坡稳定性监测内容，对以后BIM技术在边坡运维管养阶段稳定性监测方面的应用进行了初步探索。应用BIM技术，可使得边坡相关信息在三维模型基础上进行有效集成和应用。

4)BIM在公路方面应用尚处于起步阶段，在边坡中的应用更是尚待探索，本文研究成果还存在很多不足之处，类似边坡工程中还可在本文研究成果基础上应用BIM技术对边坡设计绿化方案比选、边坡施工信息管理、边坡防护、边坡稳定监测、边坡灾害预警、基于二次开发的边坡模型生成和信息提取等方面进行应用和探索。此外，BIM标准研究以及软件数据无损交换方面也同样亟待研究，以求真正发挥BIM的优势。