扶壁式挡土墙在Civil 3D中的设计与应用

赵津茂

(中国铁路设计集团有限公司,天津 300143)

1 项目背景

某市政项目位于深圳市，项目中涉及路桥过渡段，为克服人行道外侧与周边地面高差和上跨桥梁两侧引道高差，设置悬臂式路肩挡土墙，挡墙高度超过4m的段落，每隔2.5m设置一个扶壁，形成扶壁式挡墙，如图1所示。同时，本项目要求BIM模型随二维常规设计同步进行。在本项目BIM设计过程中，有如下难点：

图1 扶壁式挡墙立面图

(1)挡墙尺寸并不单一固定，而是随路线桩号不断变化。因此，在挡墙模型建立过程中应将其参数设为可变，根据道桥的高差自动判断挡墙尺寸。

(2)挡墙扶壁模型尺寸也随挡墙不断变化，且扶壁在某一段落内间隔一定距离布置。

受以上两点控制，本文选择基于Civil 3D平台，联合Subassembly Composer、Dynamo两款软件进行扶壁挡墙模型的建立。

图2 墙身断面尺寸表

2 建模过程

2.1 挡墙建模

(1)建立地形曲面

在Civil 3D中将原始地形高程点以图形对象的形式添加到“曲面”的定义中，生成原始地形曲面，如图3所示。

(2)在Civil3D中生成路线平面和纵断面

运用Civil3D中常用——创建设计模块下的路线创建和纵断面创建命令[1]，分别创建本项目的平面图和纵断面图，如图4和图5所示。

图3 原始地形模型

图4 路线平面图(局部)

图5 路线纵断面

(3)运用Subassembly Composer创建挡墙部件。

扶壁式挡墙可以看做悬臂式挡墙+扶壁构成。Civil3D自带挡墙部件中，虽然有悬臂式挡墙(如图6所示)，但从其特性中可以看出，其尺寸一旦输入之后即为定值，在整个道路的创建过程中就无法自动调整，这显然无法满足实际的工程需要。Subassembly Composer为BIM设计人员提供了一个很好的部件开发平台[2]，通过这一软件，可以实现自定义某些特定功能的部件。

图6 Civil 3D自带挡墙及其特性

运用Subassembly Composer创建挡墙的基本思路为[3]：定义挡墙最基本的参数——将墙身断面尺寸表中的参数提前存入——判断挡墙的高度——调用挡墙参数——生成挡墙特征点——将特征点连接成挡墙部件。

定义挡墙的参数调用Subassembly Composer工具箱中Define Variable模块，将图2中的参数名称做定义，即为表中所有参数“命名”。将定义好的参数名称以Sequence模块打包，如图7(a)所示。为方便确认，本文以参数的拼音缩写来命名参数，图中“QG”即为表1中的墙高，“QDK”为墙顶宽……此时定义中的参数默认值是无意义的，挡墙参数取决于变量赋值中的数值。

接下来需要创建代表Civil 3D中原始地形的曲面，使用配置和参数框中的Target Parameters模块，添加一曲面目标参数，使其代表Civil3D中的原始地形，由挡墙顶部向该曲面“投射”一个辅助点——Auxiliary Point，该点以下深度为挡墙埋深(在本项目中为定值——1m)，以该点到挡墙顶部的距离与挡墙埋深之和来判断墙身的高度，后续根据此高度确定调用哪个范围的参数。

图7 定义变量、变量赋值、VB表达式

以1.5m墙高的挡墙参数为例，使用工具箱中Set Variable Value模块将该墙高下的各参数：墙顶宽=0.4m、趾板长=0.3m、踵板长=0.5m、底板宽=1.2m、底板厚=0.4m以及挡墙埋深=1m输入并储存，如图7(b)所示。以此法将表1中其它高度下的挡墙参数输入并储存，以备后续调用。

图8 结构流程及最终部件

Subassembly Composer允许在内部编写VB表达式来实现模块的功能[4]。为了实现自动选择、调用既有储存数据的功能，本文在Switch模块中编写了简单的IF嵌套语句，通过逐层嵌套，计算挡墙高度并作出判断，输出挡墙实际高度值，具体表达式如图7(c)所示。此时编写的流程便可根据挡墙高度通过Switch模块自动选择、调用挡墙的参数值。以这些参数控制挡墙尺寸，以工具箱中的Point模块生成挡墙各个节点，以Link模块将节点连接，以Shape模块将连接组合，最终生成挡墙部件。整体结构流程如图8(a)所示，最终生成的挡墙部件如图8(b)所示。

(4)将挡墙部件导入Civil 3D并生成模型

将生成的挡墙部件导入Civil 3D的工具选项版中，在生成道路装配时，即可调用导入的挡墙部件。以生成的路线平面和设计纵断面为控制参数，以原始地形为控制目标，生成道路模型，模型结果如图9所示。在Civil3D的对象查看器中单独查看道路及挡墙模型的效果如图10所示。图11是挡墙的正视图和俯视图，从图中可以看出，挡墙沿路线方向，其尺寸都是随挡墙高度不断变化的，挡墙模型建立完毕。

图9 Civil3D中道路模型

图10 查看道路和挡墙对象

图11 挡墙正视图及俯视图

2.2 挡墙扶壁建模

2020版Civil3D新加入了Dynamo模块，其强大的“几何参数设计和数据联动”功能为许多Civil3D构件的建立提供了技术支持[5]。在本文2.1节建立的挡墙模型的基础上，运用Dynamo为挡墙创建扶壁的过程如下。

(1)确定扶壁在挡墙中的位置规律

图12 扶壁式挡墙横断面

图12为扶壁式挡墙的横断面图，从图中可以看出扶壁部分是由A-B-C-D四个控制点组成的多边形构成的，将其沿挡墙纵向拉伸一定的厚度，即为扶壁模型。Dynamo的作用就是批量地在已生成的Civil3D道路模型中将这四个点定位，并将其连接成一多边形，再将此多边形沿路线前进方向拉伸一定的厚度，生成实体模型，导入到Civil 3D中[6]。

(2)建立模型

Dynamo建模功能主要靠节点库中包含的节点实现，在本次建模过程中，主要使用了Dynamo以下节点[7]：

Document. Current—调用当前Civil 3D模型中的文件；

Selection. Corridor By Name—按照道路名称选择道路；

Corridor. Baselines—获取道路基线；

Baseline. Corridor Feature Lines By Code—按照特征点获取特征线；

Corridor Feature Line. Points—获取特征线上的点；

Corridor Feature Lines. Coordinate System By Station—按桩号获取特征线的坐标系；

Poly Curve. By Points—按照点生成多段线；

图14 Dynamo坐标转化流程图

Vector. Transform—通过输入指定坐标系来改变向量；

Surface. By Patch—轮廓填充成面；

Surface. Thicken—面拉伸；

Solid. By Geometry—将Dynamo模型转化为Civil3D实体；

Point. By Coordinates—按坐标生成点。

List目录下的列表处理附属节点。

首先，打开生成的Civil3D道路模型，在管理选项卡下打开Dynamo软件，用Document. Current节点调用当前打开的Civil3D道路模型文件，运用Selection. Corridor By Name节点按照名称选取需要编辑的道路，以Corridor. Baselines节点获得道路的所有基线，具体流程如图13所示。然后，从中获取扶壁模型四个控制点。这里需要注意的是，Dynamo默认的坐标系和Civil3D相同，在生成的扶壁模型时，为了使其始终垂直于路线方向，在定位时需要先将控制点在每个扶壁自身的局部坐标系中生成，再转化到整体坐标系中。

图13 运用Dynamo调用既有Civil3D模型

对于A、D两控制点，可看做以图7(b)挡墙部件的特征点P1为坐标原点，局部坐标分别为为A(0， 0，-0.5)和D(0.2， 0，-0.5)的点，其中0.5为扶壁顶距挡墙顶的距离， 0.2为扶壁顶的宽度，单位为m。在确定其局部坐标后，需要转化到各自桩号处的整体坐标系中。使用Baseline. Corridor Feature Lines By Code节点获取模型中所有含有P1的特征线。从扶壁的起始里程(K0+320)处开始，到终点里程(K0+340)处结束，将间距设为2.5m，以Corridor Feature Lines. Coordinate System By Station节点获取指定桩号处P1特征点的坐标系，然后以Vector. Transform将A、D两点的局部坐标转化到该坐标系中。坐标转化的流程如图14所示，转化完成的点如图15(a)所示。

在生成扶壁模型的其它控制点时会发现，扶壁高度是随着挡墙的高度不断变化的，如果再以特征点P1作为局部坐标系的原点，对B、C点进行坐标转化，虽然也能生成模型，但模型高度固定，而B、C两点恰好对应了挡墙部件中P7、P8两个特征点，因此，可以联合使用Baseline. Corridor Feature Lines By Code 和Corridor Feature Line. Points节点直接调用并获取这些特征点，这样以来生成的扶壁模型既能够随墙高变化，且省去了坐标系转化的过程。生成点的流程如图16所示，生成B、C两点如图15(b)所示。

图15 Dynamo生成的控制点

图16 获取P7、P8点流程图

此时，组成扶壁的4个控制点都已生成，运用Poly Curve. By Points节点将其连接成线，运用Surface. By Patch节点和Surface. Thicken节点将线转化成面、面拉伸成体，如图17所示。

图17 控制点生成面和体

最终生成的一系列扶壁实体如图18所示。运用Object. By Geometry节点将生成的实体导入Civil 3D中，与2.1中所生成的挡墙模型结合，生成扶壁式挡墙模型，在Civil 3D中查看如图19所示。

图18 Dynamo生成的扶壁实体

图19 悬臂式和扶壁式挡墙模型

3 结论

本文基于Civil3D平台，通过Subassembly Composer建立挡墙模型，并与Dynamo建立的扶壁模型相结合，完成了扶壁式挡土墙BIM模型的建立。此扶壁式挡墙模型能够根据挡墙所处的位置自动调整墙身及扶壁尺寸，使得公路挡墙正向化BIM设计更加便捷、实用，在公路BIM行业结构物建模方面做了探索性的尝试。本文提供的建模思路同样适用于其他公路结构模型，通过这两款软件，在Civil3D中许多复杂的异型结构物模型亦能够被创建，同时，BIM技术越来越受到国家和行业的重视，已经成为未来行业发展的方向，随着相关理念和软件的发展，Civil3D定会成为推动BIM行业发展和进步的中坚力量。