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【摘要】BIM技术在各个工程领域运用逐渐增多，文章基于Civil 3D软件平台，使用Subassembly Composer建立了作为常用支挡结构之一的衡重式挡土墙模型，创建了测试道路模型对挡土墙部件进行应用，实现了挡土墙的参数化、可视化、动态化的设计，提高了设计效率与精度，证明了BIM技术应用于挡土墙设计中的可能性。
【关键词】BIM技术; 衡重式挡土墙; 参数化; 可视化; 动态化
【中国分类号】U417.1+1【文献标志码】A
随着社会经济与科技的发展，近年来BIM技术在我国建筑领域各方面的应用逐渐增加。最初BIM技术在房屋建筑领域应用居多，到现在已经转向应用于铁路、公路、水电、航空等各个领域[1]。随着BIM技术的不断进步，一些基础设施项目也开始尝试使用BIM技术。然而BIM技术在国内起步比较晚，发展也较为缓慢。挡土墙作为常用的一种支挡结构形式，广泛应用于铁路、公路工程当中。目前国内针对运用BIM技术进行挡土墙设计的研究还处于起步阶段，大多是采用理正挡土墙或纬地挡土墙设计系统等主流软件进行设计[2-3]。但传统的设计方法设计效率受到二维平面一定的制约，在实际工程项目中也存在着大量的重复设计工作，不仅费时费力，还让设计者对于方案的优化有一些局限性，并且在施工阶段也存在浪费建筑材料的现象。
综上所述，挡土墙作为一个在工程中常用的支挡结构，BIM技术应用在支挡结构设计的案例还比较少，在这方面还存在很大的空白。在BIM技术在各建筑工程领域大力发展的形势下，将来应用BIM技术在挡土墙结构设计中也将成为一种趋势[4]。本文将基于BIM技术，进行挡土墙的设计研究，进行挡土墙参数化建模设计，对BIM技术在挡土墙设计中的应用进行探讨。
1 BIM技术简介
BIM即Building Information Modeling建筑信息模型，是近年来出现的建筑数字技术，以建筑工程项目的各项相关信息数据作为模型的基础，进行建筑模型的创建，通过数字信息仿真模拟各类建筑物所具有的真实信息。采用BIM技术可实现建筑信息模型集成化管理，包括设计阶段的协同设计、施工阶段的建造一体化和运营阶段对建筑的智能化管理与维护。对于传统CAD设计阶段的2D图纸冗繁、错误率高、可视化程度低、协同设计难度大、设计沟通困难等缺点，BIM技术具有更加快捷与准确地绘制建筑模型的特点，能多个系统协同设计，并对于设计变更能灵活应对，更加提高设计质量与效率。
2 软件平台选用
BIM相关的软件根据使用领域的不同，分为了很多种，其中以Autodesk与Bentley公司旗下的系列BIM软件最为常用。本文根据此次设计的需要，使用AutoCAD Civil 3D软件来进行挡土墙的设计与应用。
AutoCAD Civil 3D是借助BIM面向土木工程应用的软件，可快速、更精确地创建、预测和完成交通、土地开发和环境项目设计。它的三维动态工程模型能够快速完成道路工程规划设计。所有曲面、横断面、纵断面、部件等均可动态化链接，能更加高效快捷評估许多设计方案，做出更符合实际工程项目需要的设计图纸。
3 选择挡土墙类型与参数
依据中国建筑标准设计研究院04J008 《挡土墙（重力式衡重式悬臂式）》[5]国家建筑标准设计图集作为这次挡土墙设计的参数选择，并选择衡重式挡土墙当作这次设计的挡土墙类型。衡重式挡土墙是我国山区铁路应用较广泛的一种挡土墙形式，并已在公路其他行业中得到推广运用。衡重式挡土墙设置了衡重台使墙身重心后移，利用衡重台上的填土重量及墙体自重共同抵抗土压力以及增加墙身的稳定性。由于墙胸坡陡、下墙背仰斜，在陡坡地区可降低墙高，减少基坑开挖面积，适用于地面横坡较陡的路肩墙、路堤墙和路堑墙（兼有拦挡落石作用）[6]。衡重式挡土墙断面图，见图1。挡土墙具体参数选择，见表1。
4 挡土墙部件创建
采用Civil 3D 2017中的SubassemblyComposer（部件编辑器）编写挡土墙部件。SubassemblyComposer是基于Civil 3D的编程插件，可以帮助使用者编写各种复杂的横断面部件，包括行车道、边坡、中央分隔带、挡土墙等等。该插件将Civil 3D的基本点线面部件作为设计单元，设计者只需要添加部件的逻辑关系、边界条件就能生成部件的几何形状;进一步对各基本部件添加代码信息，则可以完成模型的基本创建[7]。表1 衡重式挡土墙断面尺寸
SubassemblyComposer具有参数化、可视化、动态化的特点，它能提供挡土墙设计参数定义与输入，在参数输入进软件后，经过一系列后台运算，可动态化的呈现模型视图;也可根据视图实时改动，而改变设计参数，直到达到设计要求。
在SubassemblyComposer中编写衡重式挡土墙部件，部件编辑器制作挡土墙部件界面，见图2。
具体来说有如下操作步骤：
步骤1：根据挡土墙截面尺寸设定输入/输出参数，并定义好参数名称、类型、方向，方便后续有需要进行更改。
步骤2：根据设定的控制参数，创建点、线，并定义其几何性质，建立挡土墙部件的几何形体。
步骤3：根据预览视图，调整各类参数，检查挡土墙几何图形是否根据参数变化而变化。
步骤4：设定地形曲面、放坡高程、挡土墙底面高程目标参数，并创建Decision工作流，判断是否需要设置挡土墙。
步骤5：墙背和墙面根据设定输入的参数，分别设置回填面，并关联地面曲线。
步骤6：最后检查各几何单元代码是否正确，并作出相应调整。
5 测试道路模型创建
本次道路模型使用AutoCAD Civil 3D软件创建。首先，需要使用Civil 3D创建三维地形曲面，导入DWG格式的二维地形图，选中地形图在曲面定义中添加等高线数据，再对部分区域进行修改和补充，最终生成三维地形曲面。选择曲面对象后，在对象查看器中，可进行三维浏览，见图3。 在Civil 3D中根据地形使用路线创建工具进行平面线形设计，采用切线-切线（带有曲线）的方式，设定缓和曲线类型，根据地形图逐一选择交点，Civil 3D会自动用缓和曲线连接起来。后续如需调整也可直接在路线图进行拖动，相应路线各类参数也会随之改变。
完成平面路线设计之后，点击创建曲面纵断面图，导入测试地形数据，设定纵断面图桩号和高度范围，即可完成曲面纵断面的创建。Civil 3D纵断面设计的工作机制是以纵断面图为容器，将曲面纵断面以及创建的纵断面设计线及其标注放在一起，两者相互独立，也能进行动态编辑与更新[3]。以此为基础，通过纵断面图创建工具进行纵断面设计。.
因为本道路模型只是用来测试挡墙部件是否可用，暂不做过多复杂的横断面设计。在Civil 3D常用装配中创建基本装配，再把基本装配的挖方坡度和填方坡度改为1∶1，接着点击创建道路，把创建好的的平面线形道路路线、纵断面线和基本装配导入，关联目标曲面为测试地形曲面。接着设定基准线和区域参数，即可完成测试道路模型的基本创建。
6 挡土墙部件的应用
具体步骤如下：
步骤1：首先将之前创建好的衡重式挡土墙部件导入到装配中，见图4，根据地形和道路模型综合考虑，确定设置挡土墙段的桩号范围。
步骤2：创建放坡高程纵断面，设计挡土墙的墙底线，导入测试道路模型中，并重新生成道路模型。
步骤3：通过道路横断面编辑器预览道路横断面图，调整放坡高程和墙底线，并通过参数编辑器调整部分桩号范围的挡土墙参数，见图5。
步骤4：在测试道路模型特性中，添加曲面数据和指定代码，设定道路边界，更新道路模型生成道路曲面。
步骤5：创建采样线，按照桩号范围设定样本宽度，并生成横断面图。
步骤6：新建土方量标准，编辑材质列表，并在横断面编组特性中添加。
步骤7：自动计算出各桩号挡墙实体以及回填实体的工程量[8]。
7 结束语
本文通过使用Civil 3D对挡土墙进行设计，对BIM技术在挡土墙设计中的应用进行了研究。使用SubassemblyComposer实现了对衡重式挡土墙参数化、动态化、可视化的设计，并通过测试道路模型进行了挡土墙部件的应用，提高了挡土墙设计的质量与效率。后续还可使用Navisworks对挡土墙进行三维可视化展示，按工程施工顺序进行路基施工模拟，并进行现场施工管理方面的研究。在实际工程中，已有运用BIM技术进行挡土墙自动化设计和建模的案例，可供参考借鉴。
参考文献
[1] 劉志统.BIM技术在高速公路设计中的应用分析[J].路基工程，2019（3）：153-158.
[2] 郭瑞，李同春，冯旭松，等.挡土墙三维设计分析软件平台的实现及应用[J].水利水电技术，2018，49（3）：142-149.
[3] 黄原东. 基于BIM公路支挡结构设计与施工系统研究[D].重庆：重庆交通大学，2018.
[4] 孙建诚，朱双晗，蒋浩鹏.BIM技术在公路边坡的应用探究[J].重庆交通大学学报：自然科学版，2019，38（9）：63-67.
[5] 中国建筑标准设计研究院.04J008挡土墙（重力式衡重式悬臂式）[M].北京：中国计划出版社，2006.
[6] 李海光.新型支挡结构设计与工程实例[M].北京：人民交通出版社. 2004.
[7] 陆洋，朱璨. 可视化编程工具Subassembly Composer与Dynamo for Civil3D在复杂路基BIM设计中的结合应用[C]// 中国图学学会建筑信息模型（BIM）专业委员会.第六届全国BIM学术会议论文集.中国图学学会建筑信息模型（BIM）专业委员会：中国建筑工业出版社数字出版中心，2020：5.
[8] 张炳楠，钟杰，肖彬，等.基于BIM的挡土墙三维设计研究与应用[J].重庆建筑，2020，19（11）：58-60.
【关键词】BIM技术; 衡重式挡土墙; 参数化; 可视化; 动态化
【中国分类号】U417.1+1【文献标志码】A
随着社会经济与科技的发展，近年来BIM技术在我国建筑领域各方面的应用逐渐增加。最初BIM技术在房屋建筑领域应用居多，到现在已经转向应用于铁路、公路、水电、航空等各个领域[1]。随着BIM技术的不断进步，一些基础设施项目也开始尝试使用BIM技术。然而BIM技术在国内起步比较晚，发展也较为缓慢。挡土墙作为常用的一种支挡结构形式，广泛应用于铁路、公路工程当中。目前国内针对运用BIM技术进行挡土墙设计的研究还处于起步阶段，大多是采用理正挡土墙或纬地挡土墙设计系统等主流软件进行设计[2-3]。但传统的设计方法设计效率受到二维平面一定的制约，在实际工程项目中也存在着大量的重复设计工作，不仅费时费力，还让设计者对于方案的优化有一些局限性，并且在施工阶段也存在浪费建筑材料的现象。
综上所述，挡土墙作为一个在工程中常用的支挡结构，BIM技术应用在支挡结构设计的案例还比较少，在这方面还存在很大的空白。在BIM技术在各建筑工程领域大力发展的形势下，将来应用BIM技术在挡土墙结构设计中也将成为一种趋势[4]。本文将基于BIM技术，进行挡土墙的设计研究，进行挡土墙参数化建模设计，对BIM技术在挡土墙设计中的应用进行探讨。
1 BIM技术简介
BIM即Building Information Modeling建筑信息模型，是近年来出现的建筑数字技术，以建筑工程项目的各项相关信息数据作为模型的基础，进行建筑模型的创建，通过数字信息仿真模拟各类建筑物所具有的真实信息。采用BIM技术可实现建筑信息模型集成化管理，包括设计阶段的协同设计、施工阶段的建造一体化和运营阶段对建筑的智能化管理与维护。对于传统CAD设计阶段的2D图纸冗繁、错误率高、可视化程度低、协同设计难度大、设计沟通困难等缺点，BIM技术具有更加快捷与准确地绘制建筑模型的特点，能多个系统协同设计，并对于设计变更能灵活应对，更加提高设计质量与效率。
2 软件平台选用
BIM相关的软件根据使用领域的不同，分为了很多种，其中以Autodesk与Bentley公司旗下的系列BIM软件最为常用。本文根据此次设计的需要，使用AutoCAD Civil 3D软件来进行挡土墙的设计与应用。
AutoCAD Civil 3D是借助BIM面向土木工程应用的软件，可快速、更精确地创建、预测和完成交通、土地开发和环境项目设计。它的三维动态工程模型能够快速完成道路工程规划设计。所有曲面、横断面、纵断面、部件等均可动态化链接，能更加高效快捷評估许多设计方案，做出更符合实际工程项目需要的设计图纸。
3 选择挡土墙类型与参数
依据中国建筑标准设计研究院04J008 《挡土墙（重力式衡重式悬臂式）》[5]国家建筑标准设计图集作为这次挡土墙设计的参数选择，并选择衡重式挡土墙当作这次设计的挡土墙类型。衡重式挡土墙是我国山区铁路应用较广泛的一种挡土墙形式，并已在公路其他行业中得到推广运用。衡重式挡土墙设置了衡重台使墙身重心后移，利用衡重台上的填土重量及墙体自重共同抵抗土压力以及增加墙身的稳定性。由于墙胸坡陡、下墙背仰斜，在陡坡地区可降低墙高，减少基坑开挖面积，适用于地面横坡较陡的路肩墙、路堤墙和路堑墙（兼有拦挡落石作用）[6]。衡重式挡土墙断面图，见图1。挡土墙具体参数选择，见表1。
4 挡土墙部件创建
采用Civil 3D 2017中的SubassemblyComposer（部件编辑器）编写挡土墙部件。SubassemblyComposer是基于Civil 3D的编程插件，可以帮助使用者编写各种复杂的横断面部件，包括行车道、边坡、中央分隔带、挡土墙等等。该插件将Civil 3D的基本点线面部件作为设计单元，设计者只需要添加部件的逻辑关系、边界条件就能生成部件的几何形状;进一步对各基本部件添加代码信息，则可以完成模型的基本创建[7]。表1 衡重式挡土墙断面尺寸
SubassemblyComposer具有参数化、可视化、动态化的特点，它能提供挡土墙设计参数定义与输入，在参数输入进软件后，经过一系列后台运算，可动态化的呈现模型视图;也可根据视图实时改动，而改变设计参数，直到达到设计要求。
在SubassemblyComposer中编写衡重式挡土墙部件，部件编辑器制作挡土墙部件界面，见图2。
具体来说有如下操作步骤：
步骤1：根据挡土墙截面尺寸设定输入/输出参数，并定义好参数名称、类型、方向，方便后续有需要进行更改。
步骤2：根据设定的控制参数，创建点、线，并定义其几何性质，建立挡土墙部件的几何形体。
步骤3：根据预览视图，调整各类参数，检查挡土墙几何图形是否根据参数变化而变化。
步骤4：设定地形曲面、放坡高程、挡土墙底面高程目标参数，并创建Decision工作流，判断是否需要设置挡土墙。
步骤5：墙背和墙面根据设定输入的参数，分别设置回填面，并关联地面曲线。
步骤6：最后检查各几何单元代码是否正确，并作出相应调整。
5 测试道路模型创建
本次道路模型使用AutoCAD Civil 3D软件创建。首先，需要使用Civil 3D创建三维地形曲面，导入DWG格式的二维地形图，选中地形图在曲面定义中添加等高线数据，再对部分区域进行修改和补充，最终生成三维地形曲面。选择曲面对象后，在对象查看器中，可进行三维浏览，见图3。 在Civil 3D中根据地形使用路线创建工具进行平面线形设计，采用切线-切线（带有曲线）的方式，设定缓和曲线类型，根据地形图逐一选择交点，Civil 3D会自动用缓和曲线连接起来。后续如需调整也可直接在路线图进行拖动，相应路线各类参数也会随之改变。
完成平面路线设计之后，点击创建曲面纵断面图，导入测试地形数据，设定纵断面图桩号和高度范围，即可完成曲面纵断面的创建。Civil 3D纵断面设计的工作机制是以纵断面图为容器，将曲面纵断面以及创建的纵断面设计线及其标注放在一起，两者相互独立，也能进行动态编辑与更新[3]。以此为基础，通过纵断面图创建工具进行纵断面设计。.
因为本道路模型只是用来测试挡墙部件是否可用，暂不做过多复杂的横断面设计。在Civil 3D常用装配中创建基本装配，再把基本装配的挖方坡度和填方坡度改为1∶1，接着点击创建道路，把创建好的的平面线形道路路线、纵断面线和基本装配导入，关联目标曲面为测试地形曲面。接着设定基准线和区域参数，即可完成测试道路模型的基本创建。
6 挡土墙部件的应用
具体步骤如下：
步骤1：首先将之前创建好的衡重式挡土墙部件导入到装配中，见图4，根据地形和道路模型综合考虑，确定设置挡土墙段的桩号范围。
步骤2：创建放坡高程纵断面，设计挡土墙的墙底线，导入测试道路模型中，并重新生成道路模型。
步骤3：通过道路横断面编辑器预览道路横断面图，调整放坡高程和墙底线，并通过参数编辑器调整部分桩号范围的挡土墙参数，见图5。
步骤4：在测试道路模型特性中，添加曲面数据和指定代码，设定道路边界，更新道路模型生成道路曲面。
步骤5：创建采样线，按照桩号范围设定样本宽度，并生成横断面图。
步骤6：新建土方量标准，编辑材质列表，并在横断面编组特性中添加。
步骤7：自动计算出各桩号挡墙实体以及回填实体的工程量[8]。
7 结束语
本文通过使用Civil 3D对挡土墙进行设计，对BIM技术在挡土墙设计中的应用进行了研究。使用SubassemblyComposer实现了对衡重式挡土墙参数化、动态化、可视化的设计，并通过测试道路模型进行了挡土墙部件的应用，提高了挡土墙设计的质量与效率。后续还可使用Navisworks对挡土墙进行三维可视化展示，按工程施工顺序进行路基施工模拟，并进行现场施工管理方面的研究。在实际工程中，已有运用BIM技术进行挡土墙自动化设计和建模的案例，可供参考借鉴。
参考文献
[1] 劉志统.BIM技术在高速公路设计中的应用分析[J].路基工程，2019（3）：153-158.
[2] 郭瑞，李同春，冯旭松，等.挡土墙三维设计分析软件平台的实现及应用[J].水利水电技术，2018，49（3）：142-149.
[3] 黄原东. 基于BIM公路支挡结构设计与施工系统研究[D].重庆：重庆交通大学，2018.
[4] 孙建诚，朱双晗，蒋浩鹏.BIM技术在公路边坡的应用探究[J].重庆交通大学学报：自然科学版，2019，38（9）：63-67.
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[7] 陆洋，朱璨. 可视化编程工具Subassembly Composer与Dynamo for Civil3D在复杂路基BIM设计中的结合应用[C]// 中国图学学会建筑信息模型（BIM）专业委员会.第六届全国BIM学术会议论文集.中国图学学会建筑信息模型（BIM）专业委员会：中国建筑工业出版社数字出版中心，2020：5.
[8] 张炳楠，钟杰，肖彬，等.基于BIM的挡土墙三维设计研究与应用[J].重庆建筑，2020，19（11）：58-60.