边坡支护设计BIM技术研究

杨礼国，程雨秋，高 帆，王志宁

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

1 问题的提出

为保证边坡下结构施工和周边环境的安全，对边坡侧壁及周边环境采用支挡、加固和保护的措施统称为边坡支护。边坡支护工程是多种复杂因素交互影响的系统工程，既是结构工程，又是岩土工程。同时边坡支护工程作为一门学科，它不仅是施工技术互相交叉的学科，而且是理论上尚待发展的综合技术学科。

目前，边坡支护工程正向大深度、大面积方向发展，有的长度、宽度、深度均超过百米，工程造价高，开工数量多。但由于其技术复杂、涉及范围广、变化因素多、事故频发，因而又成为建筑工程中最具有挑战性的技术难点。边坡支护工程质量不仅仅关系到工程参建各单位的生存发展，更是关系到人民群众的生命财产安全，因此必须做好整个开挖支护的全过程，包括勘察、设计、施工、监测等各个工作环节。

设计作为边坡支护工程中不可或缺的一环，对整个边坡的安全起着根本性的作用，提高边坡设计的质量至关重要。目前已经存在的支护设计软件大都采用二维参数化绘图，主要目的是解决设计人员的出图问题，简化传统出图的繁琐流程，需要输入大量的支护设计参数，给用户带来大量的前期准备工作，一定程度上降低了效率，同时由于缺乏高效统一的协同设计平台，设计软件不能直接使用三维地质成果，软件的工程适用性无法得到提高，不能形成系统完整的解决方案。另外，不注重设计成果的记录与输出，支护设计信息未能得到管理与有效利用，使得支护信息缺失，这也给后期边坡的维护带来不利影响。

随着BIM理论与技术的发展，信息模型的应用正在不断的向工程全行业扩展。利用BIM技术，一方面实现模型可视化，另一方面实现设计过程和设计信息的集成，同时，有了协同设计，各专业的技术设计人员可以全部参与进来。目前工程行业对于模型与信息的应用已经远远超出以前单纯参数化三维建模的应用深度。BIM技术的应用让构件以三维虚拟实体展示，不仅能够在构件之间形成互动和反馈，而且可以和实景融合并进行施工模拟，显著提高工程项目各方之间沟通与交流能力，同时，也大大促进建筑工程全生命周期的信息共享，提高工程项目各方对整个建筑工程项目全生命周期的管理能力，优化所有利益相关人员的工作效率。因此，将BIM技术应用于边坡支护，成为工程领域的迫切需求，也是近年来行业内热门的研究课题。

2 边坡支护技术难点

由于边坡支护涉及范围广，支护形式多样，开发适用于边坡支护设计的BIM软件系统，一般面临着以下4个技术难点：

（1）边坡三维模型的表达。边坡是为了保证结构稳定，在结构两侧做成的具有一定坡度的坡面，边坡分为人为和自然边坡，形状不规则，并且体积巨大。边坡的支护设计依据边坡周边的地质环境进行，但通常支护后的边坡形状和支护前的边坡形状变化不大，在实际建模过程中，边坡由于其不规则性，不适宜用规则的样条面和平面表达。需要一种高效灵活的方式去表达边坡三维模型。

（2）支护三维模型的表达。传统的支护分类方法，通常将支护分类方式按照施工工艺进行分类，大体分为4类：抹面与捶面防护、植物防护、柔性支护以及综合防护，但这种分类方式并没有从支护模型的特点考量，使得三维建模时，不能找到统一的表达方式，增加BIM软件系统复杂度。支护的类别众多，模型表达的粒度至关重要，粒度大小直接决定建模的工作量和模型的大小。模型表达的越精细，工作量越大，需要存储的数据也越大，模型所占用的存储空间也越大，进行分析处理需要的时间也越长，BIM软件需要根据工程实际应用需求，选择一个合适的建模粒度。

（3）支护信息的存储与管理。BIM最有价值的部分是和模型关联的属性信息，信息是连接工程设计、工程施工、工程运维的纽带。如何设计和存储支护的属性信息至关重要，需要属性信息能够很便捷的查询同时而不依赖特定的平台，并可以在各个平台（包含PC端、Web端、移动端）之间实现无损传递和共享，同时还能够方便的扩展和修改。如何存储和管理这些信息，也是边坡支护BIM系统需要研究解决的一个问题。

（4）支护的自动布置。边坡支护的首要目的是保证边坡的稳定性，设计时必须要依据工程位置的地质条件。因此，实现支护的自动布置及设计，必须要首先解决地质模型和信息的融合问题。边坡的形状极不规则，支护的布置和边坡的表面形状紧密相关，采用手工建立三维模型的方法很难在不规则的表面进行精确定位，工作量大且非常繁琐，基本不可行。如果要建立支护的三维模型必须依靠软件并结合支护设计思想进行智能化的生成。

3 边坡支护技术研究

为开发适用于边坡支护设计的BIM系统，针对以上技术难点，可以采用以下方法进行解决：

（1）根据支护布置方式的特点进行分类。传统的支护方式分类方法通常按照施工工艺进行分类，不适合作为三维建模的分类标准。结合边坡支护行业的特点，以及参数化三维建模的要求，对支护按照其布置方式的特点进行分类，可以分为点类支护、面状支护以及体类支护等3类。①点类支护的特点可以概括为和边坡表面交集，它是以点的形式存在的，通过大量的点状分布，来实现边坡整体的加强。例如锚杆类支护、种植树木支护。对于点类支护模型，又可以分为2类进行表达：第一类采用线条进行表达，并在属性信息中记录其锚杆的直径、材料等信息，在模型显示时，则使用柱状的实体进行表达，对于锚杆表面的纹理、沟槽等信息则不在三维模型中表达，改为使用材质覆盖，这种表达方式适用于锚杆、钻孔类支护。第二类则采用共享单元表达，这种表达方式适用于种植树木一类的支护，不但可以压缩文件大小，还可以优化显示性能。②面状支护则可概括为通过覆盖边坡表面的方式来加强边坡整体，例如喷混凝土、覆盖草皮、放置防护网等方式。对于面状类支护模型，如喷混凝土、种植草皮等支护方式，统计时仅需要面积即可，这一类的支护模型可以使用没有厚度并附加材质的网格面进行表达。③体类支护则可统一为在边坡表面建立纵横交错的条带状的混凝土块体型的支护方式。对于体类支护，由于其和边坡的表面紧密相连，同样具备边坡的不规则性，并且在工程应用中都需要统计其体积，因此使用封闭的网格体来表达，比如格构梁类支护

（2）针对性的选择模型表达方式来建立边坡以及支护模型。三维模型的常用表达方式有3种：实体、曲面以及网格。①实体建模是一种非常精确的表达方式，边界非常严格，各个软件通常都有自己的一套数据结构，相互之间存在转换障碍，实体建模不适用于表达不封闭的边坡。②曲面建模也是一种常用的模型表达方式，曲面模型与实体模型的区别在于所包含的信息和具备性不同，实体模型总是封闭的，没有任何缝隙和重叠边，曲面模型可以不封闭，几个曲面之间可以不相交，可以有缝隙和重叠。③网格建模是计算机图形学中用于为各种不规则物体建立模型的一种数据结构。网格的数据结构简单，扩展性好，并且所有图形平台都能够支持，具有良好的跨平台特性。基于此，采用网格来表达边坡模型，可以有效弥补采用实体及曲面方式的不足。

（3）支护属性设计与存储。在BIM的世界里，一个完整对象不仅仅包含几何图形，还包含相关的属性信息。考虑到设计、施工、运维的各个阶段都需要大量的属性信息，因此属性设计需要兼顾各个阶段。同时伴随着属性不断的扩充，属性的存储需要容易扩展和变更。基于以上原因，属性的存储采用可扩展标记语言（XML）进行存储。XML是一种用于标记电子文件使其具有结构性的标记语言，可以对文档和数据进行结构化处理，并且能够在部门、客户和供应商之间进行交换，实现动态内容生成，企业集成和应用开发。同时，XML的简单使其易于在任何应用程序中读写数据，各个BIM平台都支持XML。通过使用XML存储支护的属性数据，可以摆脱平台的依赖同时实现数据在各个平台的共享。

（4）支护的参数化三维建模。支护三维参数化的建模的难点在于如何将工程设计师的设计思想同计算机程序结合。由于边坡的形状不规则的特性，在三维空间内建立支护的三维模型和传统的二维制图有很大的不同，为解决这一难题，可以将支护的设计参数和边坡作为输入参数，由BIM系统对边坡进行几何分析，依据设计参数自动建立支护的三维模型。支护的参数通常具有很强的复用性和稳定性，通过建立边坡支护设计知识库，实现支护参数的模版化管理，将标准化支护设计参数以XML文件方式在服务器端统一管理，满足支护设计知识跨专业、跨工程共享。通过建立参数化的三维模型，可以显著提高边坡支护设计的质量，也使得支护工程量的统计变得更加直观和精确。

4 应用案例

为验证上述技术方案的效果，使用基于该技术方案开发的边坡支护设计BIM软件Civil Designer在国内某大型水利工程项目中进行尝试。在采用网格表达的原始边坡模型的基础上，程序自动将马道和边坡分离，并基于用户设定的参数，自动生成支护模型。图1为原始的边坡模型及程序自动提取的需要进行支护设计的边坡模型图。从左至右分别为原始的边坡模型、自动提取的需要进行支护设计的边坡模型、自动生成的锚杆支护模型，其中锚杆类支护采用线条表达，不但实现模型轻量化，同时提高运行效率。

图1 原始的边坡模型及程序自动提取的需要进行支护设计的边坡模型图

图2则为基于边坡自动生成的框格梁支护BIM模型图。该模型采用封闭的网格体来表达，附带完整的属性信息，可以用于工程量统计和后期运维。最终基于该技术方案，该项目实现了边坡工程参数化支护设计、工程量统计、工程属性信息管理的一体化。

图2 基于边坡自动生成的框格梁支护BIM模型图

5 结 语

本文针对边坡支护设计BIM系统中遇到的一些技术难点，提出从模型表达到支护分类方式，再到属性存储和参数化设计的解决方案，最终实现BIM技术在边坡支护设计过程中的应用。不但完成了支护的参数化三维建模和智能化设计，而且实现了支护设计方案的模板化关联、支护信息管理、工程量统计的功能，显著提高了边坡支护设计的质量和效率，对提高工程设计质量有着十分重要的意义，为满足日益深化的工程全生命周期应用奠定了坚实的基础。