BIM思想在边坡治理分析软件中的应用

BIM思想在边坡治理分析软件中的应用
崔年治
（北京理正软件股份有限公司）
[摘要]边坡工程是建设领域的一项重要内容，边坡治理分析是边坡设计的主要内容，当前相关软件非
常丰富，但均为工具化软件，各自解决各自问题，不符合BIM的思想，也不符合未来科技发展的趋势，
在提升边坡设计效率和质量的能力上已进入了瓶颈。

本文针这一现状，结合当前建筑领域BIM的先进
思想，提出了一些符合BIM思想的边坡治理分析软件的几种模式，并介绍了其中的实现方式和优势。

[关键字]BIM，边坡治理
1 引言
我国幅员辽阔，地质构造复杂，三分之二的国土为山地，同时我国人口数量巨大，随着生态资源、土地资源的有限性与社会生产、生活发展需求之间的矛盾加剧，边坡工程技术得到了快速发展，复杂、复合和超高边坡工程及新型边坡治理支护结构不断涌现，边坡工程的系统性和复杂性与日剧增，从而使边坡工程的社会效应越来越强。

由边坡工程局部或整体破坏引发的工程事故、生命财产损失备受社会关注，纠其原因，除与建设施工时的众多因素有关外，与当前的边坡设计的技术和手段相对落后也有一定的关系。

边坡设计中的理论、经验和方法经过国内外多年的发展，相对成熟，但由于岩土工程的复杂性，和较大程度的依赖试验和经验，因此也衍生出了众多的解决边坡问题的方法，各种方法各有其优缺点和适用性。

很多方法也已经编制成了软件，在计算机的帮助下，极大的提升了边坡治理的设计能力。

即便如此，由于软件使用过程的大量输入及参数调整，而当前分析软件工具化的方式，当多方法、多方案进行设计时，工作量是巨大的，考虑到设计工期和成本，必然不能进行太过精细的分析，设计质量的提升也就有了一定限制。

当今社会科学技术的发展速度非常快，特别是信息化技术，国家多次提出未来将着重提升建设行业的信息化水平，传统建设工程行业必将在大数据、智能化、移动化、云计算、物联网等新的信息技术下发生变革。

而BIM思想及以BIM思想形成的成果，将是这些技术最终能否施展，数字化、智能化的目标能否达到的基础。

近年来，受发达国家与改革发展的整体需求的影响，我们可以明显的感觉到BIM技术迅速在建筑工程领域得到了普及和推广。

边坡工程作为岩土工程的一项内容，属于传统的建设工程行业，如果能够充分利用当前先进的信息化技术，必然能够带来质量和效率的提升。

其实，在边坡工程领域，对于新技术的探索也一直没有断过，对先进的信息化技术也屡有尝试，但并没有像其他领域一样迅速得到普及和推广。

边坡勘察、设计、施工、检测和监测等各环节不能很好的实现数据共享和协同工作也是原因之一，另外边坡设计中各种分析内容、方法采用不同的工具软件，也导致了综合设计效率不高，成本与质量难以协调，从而更多的创新想法无法实现。

鉴于当前边坡工程的状况，本文针对边坡治理分析软件提出了一些符合BIM思想的改造思路，希望通过传统软件的BIM化，能对促进整个边坡工程领域逐渐转型，最大程度享受科技发展带来的好处，提供一定的参考。

2边坡治理分析软件现状
边坡治理设计过程主要涉及到边坡设计、排水工程设计、防护和绿化设计、以及边坡施工监测的反分析等，其中边坡治理设计又包括了边坡的稳定性分析，以及各种支挡、加固措施的设计和分析，这里主要介绍关于各种边坡治理分析计算软件的现状，侧重点是国内外比较成熟的商用软件。

关于边坡整体稳定性分析软件，国内、外有很多，包括理正边坡稳定分析软件、Geoslope（加拿大Geo-Slope）、Slide（加拿大Rocscience）、SlipCircle（德国FIDES）、GeoStab（法国GEOS）、Svslope （加拿大SVOffice）等，当然还有很多相关服务于不同行业的小软件，此处就不再一一赘述了。

这些软件基本以经典的极限平衡法为主，可有多种方法可选择，包括：瑞典条分法、Bishop法、简布法、通用条分法、斯宾塞法、摩根斯顿法、不平衡推力法、Sarma法等。

相对来说界面友好，图形美观，功能丰富，是比较不错的商业软件。

这些软件在CAD时代是设计人员得力的工具，但相对于现在的BIM时代，随着其他行业的集成化BIM软件的出现，就显得落后了。

再来看看支挡结构设计类的软件，市场上也有很多优秀的软件，国内的有理正的挡土墙和抗滑桩分析等，国外的有德国的FIDES系列和捷克的Geo5系列等。

同样从计算分析本身上来说，虽然也有很多待改进的地方，但基本已经能满足当前的需求了。

这些软件的特点是几乎一种支挡结构形式是一个软件或者一个模块，相对来说更为碎片化、工具化。

这种过去作为灵活性的有点，在专业软件已经非常成熟的今天，特别是对于BIM的发展来讲，不同方案的大量重复录入已经是一种落后了。

最后说一说相关的数值分析软件，数值分析的引入，解决了岩土问题中很多复杂情况下无法分析的问题，也使得精细化分析在粗放的工程领域得以实现。

尽管数值分析方法还存在各种各样的问题，但确实是解决岩土问题的好方法。

数值分析本身就是依靠计算机去解决问题的方法，因此与软件结合最为紧密。

数值分析的方法众多，关于岩土分析的可以包括有限元强度折减法、有限元极限分析法、离散元法、有限差分法等。

另外同一种方法，计算机实现的方式不同也有不同，这就使得相对应的软件非常丰富，这样的软件以国外居多，有Plaxis（有限元强度折减法）、Z-soil（有限差分法）、Flac（拉格朗日法）、OptumG2（有限元极限分析法）、LimitState.GEO（DLO极限分析法）等，国内有同济曙光、北京理正等。

总的来说关于边坡治理分析的软件众多，也比较成熟，但基本沿袭之前的工具化软件的思路，很难满足当前工程设计软件集成化，智能化发展的趋势。

工具化的方式虽然可以灵活的使用，但对于整体效率难以提升，这样的情况当然不能简单的归结于这些软件存在问题，从本质上来讲是一个大的社会环境问题，最基本的就面临着数据模型统一标准的问题。

而且不单是边坡治理方面如此，其他设计方面的软件也都是经历过这样的过程，多是经过多年发展逐步过渡实现的。

像建筑结构设计类的软件也经历了一条由二维到三维，再到如今BIM的过程，其中既有国内工程师和软件商的积极探索，也有国外引入新思想的冲击，逐渐达到了今天集成化、智能化的高度。

很多铁路、公路、码头和输油管道设计等方面的软件，很早就提出过集成化一体化的发展，也经过了大量的尝试，但却以失败居多，但在这一波BIM思想的影响，大家又纷纷向集成化、一体化发展，结果成果颇丰，这应该算是水到渠成。

边坡治理分析方面的软件并没有在这一波大潮中站到风口浪尖，但是大势所趋，很难不受影响。

那么边坡治理分析方面的软件如何超越现状得到突破呢，其实BIM的思想恰恰就给提供了一条出路，BIM的数据共享、协同、三维的思路正是当前边坡治理分析软件进一步飞跃需要实现的，传统的软件经过BIM思想的改造，必将能实现集成智能化，充分分享科技发展带来的红利。

3数据共享思想在边坡治理分析软件中的体现
BIM的核心思想是数据共享、协同和三维，而数据共享是最基本的，本文针对边坡治理分析软件的具体情况，分析了数据共享这一BIM思想如何在类似软件中体现出来。

主要总结了对上游数据的获取、各种分析内容和方法之间的数据共享，以及数据共享在多方案设计时的好处。

3.1对上游勘察数据的共享
边坡治理的分析是建立在岩土工程勘察的基础上的，从软件角度，边坡治理的模型基本就是地质剖面，包括地形、岩土层和水位的分布、软弱夹层或结构面，以及工程计算参数等。

边坡工程设计和岩土工程勘察两者在传统上的协作方式是通过勘察报告来实现的，勘察专业提供勘察报告反映所需的工程地质条件，边坡工程设计根据勘察报告得到需要的内容，进行设计。

这一过程反映到软件上，就是勘察专业使用工程地质勘察CAD软件完成勘察报告的编制，包括电子或纸质的文字、表格和图件，而边坡工程设计则根据勘察报告的内容，在边坡治理分析软件中输入边坡的几何模型及工程计算参数，在软件的辅助下进行边坡治理的分析和设计。

这一过程，从最早的一定格式的文本文件输入，到图形交互，再到参数化图形交互，已经大大减轻了设计人员的工作建模工作量。

但实际上，我们可以看出很大一部分模型内容是按照勘察的表格和图件在重新建立模型，显然按照BIM的共享数据思想，这一过程也是可以大大简化的。

笔者常年专注于岩土工程信息化的研究，因此在最近几年国内建筑行业BIM大力推进的过程中也有机会参与了相关课题的研究，并编制了《岩土工程勘察P-BIM软件功能与信息交换标准》。

该标准的目的就是为了实现岩土工程勘察从传统的提交报告到数据共享的BIM化转变，从而为下游各专业带来便利。

理正工程地质勘察软件按这一标准实现了勘察P-BIM数据的导出，如图1是某边坡工程的地质剖面图，该图由工程地质勘察软件生成，按传统的方式该图随着勘察报告一并交付给设计专业，现在按照标准，可以以标准数据的形式交付。

该标准数据采用Access数据库形式，包含了岩土层分布、水位、物理参数等数据，如图2。

而在进行边坡治理分析时，可以直接通过读取标准数据来形成基本的边坡模型，如图3即是由理正的边坡综合治理软件直接读取勘察P-BIM数据直接形成了该边坡的计算分析模型，可以明显看出之一数据共享，大大减少了设计端的建模工作量。

图1 某边坡工程地质剖面图
图2 某边坡工程勘察P-BIM数据
图3 某边坡工程计算分析模型
3.2不同分析内容的数据共享
在边坡治理分析中，有很多分析计算的内容，加上不同治理方案的对比，采用不同的支挡形式，都会增加分析计算的内容。

总的来说，大致有整体稳定性分析、挡土墙计算分析、抗滑桩计算分析、护坡格梁计算分析、锚杆计算分析等，其中各支挡方案又有不同的支挡结构形式，比如挡土墙就有重力式、悬臂式、扶壁式、加筋式、桩板式等。

本文在上面已经介绍了当前边坡治理分析相关软件的现状，实际上，每一个分析对象，每一种支挡结构形式目前都是一个独立的计算软件，都需要使用者单独建立模型，单独录入参数，如果想多比较一些方案，这个工作量是相当大的。

而基于BIM共享数据的思想，这些所有计算内容应该可以共享一套边坡数据，如图4所示，通过共享数据，各项计算内容可以避免了大量重复信息的输入，另外由于不同软件信息输入容易造成人为的信息误差，导致不必要的设计偏差和错误，共享数据恰恰能避免这一点。

图4 各项分析内容共享一套边坡数据
当然，真正要实现各计算分析软件都能共享一套边坡模型数据，除了数据格式的标准化，还存在一些问题。

总所周知，当前的支挡结构设计基本还是采用极限平衡方法，其计算模型需要一定简化，原始的模型是不能直接利用的，特别是原始的边坡模型地表和地层的分布往往很复杂，很多计算模型是支持不了的，比如土压力的计算就是一个很典型的问题，其理论要求的地形和地层模型是非常简单的，这就和原始模型的复杂形成了矛盾。

要解决这个问题，应该从两方面着手，一方面加强计算理论的研究，能求解更为复杂的模型，另一方面是适应计算模型的要求，一般情况下计算模型的简化还是有一定规律的，在共享数据获取后，通过专家系统智能化的自动转换机制加上人工的判断调整，大部分问题能很好的适应。

总的来说，边坡治理分析中不同分析内容共享一套边坡数据还是能在较短时间内逐步实现的。

首先最基础条件是一样的，比如材料的参数等，另外当前的计算理论也在发展，现在能解决复杂模型计算的方法越来越多，而且通过智能化的转换机制加上人工的判断调整，也可以是是一条即省时间又灵活的道路。

3.3不同分析方法的数据共享
在边坡治理分析中除了不同的计算内容以外，还有很多不同的分析方法，除了经典的极限平衡法外，还有有限单元、离散单元、基于上、下限原理的极限状态分析等数值分析方法。

到目前为止，在岩土工程领域里还没有哪一种分析方法是万能的，每种方法都有其优缺点和适用范围，这也导致了实际工程中，为了确保设计质量，会采用不同的分析方法进行计算，互为补充，互相印证。

同样，当前不同的分析方法都是独立的软件，各软件按照自行设计的方式进行建模和分析，除了工作量大之外，一般数值分析方法的模型比较抽象，需要较高的专业知识和经验，不容易掌握，这也会带来很大的学习成本。

当然这也不是各个软件故意要这么做，而是确实各种分析方法对模型的要求不尽相同。

比如，同样是进行稳定性分析，经典的条分法对模型的适应性就比较强，基本是有了地质剖面信息，就可以进行分析了，而有限元方法则需要建立边界条件，对一些构件进行简化，网格剖分等工作。

诚然，不同分析方法直接共享一套边坡数据存在一定困难，但也不是不可以无限制的接近目标。

实际上经过研究，很多岩土工程问题是可以一套模型适应不同方法的，特别是对于边坡治理分析，
其规律性更强。

通过把这些抽象专业性的知识编入边坡治理分析软件中，其完全可以实现边界及边界约束的自动生成，开挖、回填、刚性挡土墙区域的自动处理，构件的简化及位置的自动处理等。

经实践发现，对于边坡治理分析的大部分情况均能完成自动完成模型的转换，如图5所示为(a)为直接在勘察地质剖面上进行设计的治理方案，该方法可以直接用经典方法进行分析，而其也可以通过一键转换，即可进行有限元方法的分析。

(a) 基于地质剖面的治理方案(b) 通过自动转换的有限元模型
图5 有限元共享边坡原始模型数据
3.4 不同设计方案的数据共享
边坡设计要解决的根本问题是在边坡的稳定与经济之间选择一种合理的平衡，力求以最经济的途径使服务于工程建筑物的边坡满足稳定性和可靠性的要求，力争做到使用上安全可靠、施工技术上简便可行、经济上合理。

因此，一般设计过程中会作多个不同方案，经比较后选出较为适宜而合理的设计与施工方案。

显然方案不合理将会造成重大安全事故或者造成巨大浪费，而方案优化则需要多套设计方案，造成设计成本的增加，这也决定了设计过程也需要追求安全和经济上的平衡。

对于边坡治理分析的传统工具化软件来讲，增加一个方案，就需要增加方案模型在软件中的建立，方案数据和结果的管理，方案的分析结果比较等工作量。

如果采用集成化的边坡治理分析软件，则可实现最大范围的数据共享。

首先一段滑坡可能有多个断面构成，而多个断面本身在地质信息上有许多可以共享的数据，包括岩土层的工程力学参数等。

每个断面又可以设计多个治理方案，这些治理方案完全可以共享同一个边坡断面的数据，而方案之间相同的治理措施本身又可以共享，这就大大减少了方案模型的创建工作量。

另外，这些方案数据始终处于软件的管理之下，在需要的时候可以随时统计出各方案的安全评价指标和经济评价指标，如图6所示，可以方便方案的比选和优化。

图6 某工程边坡治理方案比选
显然集成智能化的软件带来的好处就是，工程师有更多的精力进行更多方案的对比，方案变更变得不是那么困难，可以在相同的设计周期内，通过更为优化的方案，满足设计的质量。

4基于三维地质模型的边坡治理分析软件
数据共享的实现，使得协同设计成为可能，集成化的边坡治理分析软件满足了BIM的部分思想，但还远远满足不了BIM的要求。

我们知道BIM是需要将建筑物完整的信息贯穿于全生命周期
的，相对于传统的CAD设计，其对设计对象信息化的程度更为极致。

而三维显然是物体信息化描述最符合实际，最为完整的，我们相信，当相关技术发展到一定程度，三维的边坡设计必然是行业的发展趋势。

实际上，三维的边坡分析计算软件早已有之，包括采用极限平衡法和数值方法。

但这并不是真正的符合BIM思想的三维边坡设计软件，本质上还是计算工具。

真正的三维边坡设计软件，应该是基于三维地质模型，能围绕这一基础三维数据进行边坡治理的设计、分析、计算及最后模型的交付，至于是采用二维还是三维的分析手段，都是可以根据实际需要进行选择。

笔者认为基于三维地质模型的边坡治理分析软件至少能带来以下几点好处：
1、地形、地貌、岩土层、水位等原始数据更为完整，表达更为直观和形象，便于设计者更为全面综合的构思治理方案，与相关方的沟通也更为顺畅；
2、可真实形象的展现排水工程、土方工程及支挡结构等治理内容，使设计更为合理；
3、三维数据的共享，使得多方案比选更加轻松，方案优化更为精细；
4、可以任意方便的出图，使得方案的调整、变更的成本更低；
5、设计成果可以直接交付给施工和监测，基于三维的设计模型同时也可以极大的提升施工组织和测点布置的效率和质量。

另外，以基于三维地质的边坡模型为纽带，可以加强设计与勘察、施工、监测各阶段的数据共享，充分利用三维激光扫描、远程监测、虚拟可视化等技术更好的服务于边坡治理。

5结束语
本文所述仅仅是BIM思想在边坡治理分析软件中的应用，这只是小环节，但明显可以看出数据的共享以及三维地质模型的采用带来的好处。

那么，如果整个边坡工程信息的采集、信息的处理、模型的建立、模型的分析、成果的生成和交付，都以BIM思想为指导并以相应的软件为依托，那么这些过程必将以共享数据为连接纽带，把移动技术、云存储、云计算、BIM、物联网等各种新技术充分贯通，集成应用，可节约出大量的时间去提高设计的质量，有足够的条件去实现智能化。

参考文献
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[4] 2016-2020年建筑业信息化发展纲要. 住房城乡建设部.
[5] 崔年治，高晓军，石晓敬，王云飞. 岩土工程勘察BIM及其应用. 工程勘察，2016增刊，2(上)：279.
第一作者简介：崔年治，男，1977年生，硕士，主要从事勘察、岩土和结构相关应用软件设计和研发及工程建设信息化服务工作。

E-mail:nzcui@。