支挡结构是一种受力结构，能抵御原状岩土体、人工填埋和砌筑的结构体发生的变形和破坏，可有效抵挡土体产生的侧向土压力^[1]，在公路、铁路等工程中应用非常广泛，此外还可收缩坡脚，提高路基的边坡稳定性，并能有效控制断面填挖土石方量^[2]和用地范围，规避高边坡、高路堑等不良现象的产生。中国幅员辽阔，山地丘陵地质占全国土地面积的43%^[3]，当公路、铁路等线型工程穿越该类地形时，由于沟谷陡峭、高差大及水文条件复杂，通常需要大量采用支挡结构^[1]。

然而，传统支挡设计过程需要逐个剖切沿线断面以判断挡墙放置条件，断面数量非常庞大，需要反复核验挡墙底部入岩深度、墙趾埋置宽度等，存在大量重复性的人工操作，效率低下且易出错^[4]，存在反复迭代的可能，同时仍需处理挡墙分段等细节问题，十分烦琐复杂，难以满足大型线型工程中快速设计几十甚至数百公里支挡的需求。

部分学者尝试使用计算机软件开发的方法替代重复性的人工计算，陆洋等^[4]利用可视化编程工具Subassembly Composer和Dynamo for Civil3D实现了挡墙段落随边坡与地形的自适应贴合，但仅支持单一种类的挡墙布设，在实际公路项目中一般组合使用多种类型的挡墙类型。罗钧友^[5]基于Subassembly Composer和VB编程语言提炼了挡墙的参数化和可视化的设计方法，并应用于横断面装配中，生成道路的建筑信息模型(building information modeling，BIM)，但该方法仅可正向设置挡墙高度，无法复核该高度是否满足地形插入要求。靳猛^[6]充分利用Revit软件平台的族库功能，建立了包含支挡结构在内的参数化元件库，为设计师直接调用相应元件进行拼装提供了方便，但无法确保挡墙底部平滑或满足阶梯连接的要求。因此，现有研究成果仍难以实现路基支挡全线的智能布设，缺乏完整的BIM模型创建与成果物输出的成套正向设计解决方案。

本文针对线性工程中的路基支挡结构，基于Bentley平台下的OpenRoads Designer进行了二次开发，内置了挡墙国标图集，并创造性地提出了支挡结构智能布设算法，可依据地形条件与规范图集自动判定挡墙放置位置，并对其进行台阶划分或坡度处理使其满足规范要求，从而实现一键布设，该方法可显著提高设计效率。自动布设结果经实际项目验证误差较小，可基于3D模型一键生成施工图纸及工程量表，满足2D施工图交付要求。3D模型携带符合国家标准要求的属性信息，可无缝对接施工运维管理平台，具有支撑全生命周期应用的价值。本文所述方法在设计效率，3D可视化与模型信息等方面较纬地等传统2D设计方式效果提升显著，是交通行业中BIM正向设计的典型案例，在公路、铁路等工程行业具备较高的推广价值。

1 路基支挡设计与交付 1.1 路基支挡设计流程

路基支挡结构的一般设计流程为先准备挡墙标准图集，即根据抗震设防烈度、填土内摩擦角、基地摩擦系数及挡墙类型等边界条件，使墙高在一定范围内(如2.0、2.5、3.0 m等)变化，构建上部土体与挡墙的计算力学模型，理论求解土体中的破裂面，并验算不同挡墙高度下满足抗滑稳定性及抗倾覆稳定性的断面尺寸。图集可同时保障边坡稳定性及支挡结构自身的稳定性，是支挡设计的前提和基础。

实际项目中，若某位置因遭遇不良地质环境或高边坡等条件易发生边坡失稳问题，或用地范围侵占房屋等环境敏感区，可在该位置布置挡墙以加固边坡或收缩坡脚。挡墙基本形式包括路肩墙、路堑墙、路堤墙和护脚墙等，根据JTG D30—2015《公路路基设计规范》^[7]，挡墙布置规定地形需满足墙底襟边宽度W_re及挡墙埋深D_r值最小的要求，如图 1所示，图中H_r为挡墙高度，W_pa/2为半幅路面宽度。后续仍需根据该处地质情况复核挡墙处地基的承载力是否满足图集要求，若不满足则应进行换填等地基处理措施。沿路线逐桩号复核是否需要布置挡墙以及是否满足挡墙布设条件，直至结束。

1.2 设计BIM成果交付要求

BIM是一种以三维数字技术为基础的，集建设工程设计、施工和管理为一体的新方法^[8]，属性信息是BIM技术的要素，Hu等^[9]指出BIM可作为提取、交换及管理建筑信息的理想媒介，在建筑行业的知识获取与管理中发挥了重要作用。Justo^[10]利用点云技术通过扫描成像生成了符合工业基类标准(industry foundation classes，IFC)中工程数据交换标准的桁架桥梁模型。Zhou等^[11]基于IFC提出了一个地铁保护信息模型(metro protection information model, MPIM)，实现了地铁保护项目的信息集成和对地铁外部项目的辅助快速评价。

交通运输部在2021年发布了JTG/T 2420—2021 《公路工程信息模型应用统一标准》^[12]、JTG/T 2421—2021 《公路工程设计信息模型应用标准》^[13]和JTG/T 2422—2021 《公路工程施工信息模型应用标准》^[14]3部公路工程BIM标准，奠定了BIM技术在公路工程项目中大规模推广应用的基础，规范了BIM设计交付成果的基本准则，保障了3D模型在设计、施工及运维的全生命周期中信息的统一。

JTG/T 2421—2021 《公路工程设计信息模型应用标准》^[13]对不同模型精细度(level of definition，LOD)包含的信息内容和深度进行了较为详细的划分，如表 1所示。其中，LOD2.0对应方案阶段或初步设计阶段，LOD3.0主要对应施工图设计阶段。

1.3 现有设计软件的不足

市面上已有针对路基支挡的设计和建模软件，如纬地^[15]、ORD^[16]等，调研后梳理了各软件在正向设计功能以及模型图表输出方面的主要特点与缺陷，结果如表 2所示。

2 路基支挡智能化设计

为解决现有支挡结构设计中的痛点以及配套设计软件的缺陷，经过全面的功能需求分析，基于Bentley平台下的OpenRoads Designer，利用C#语言与C++语言，二次开发了支挡设计插件，内嵌了智能化布设算法，大幅提高了批量布设路基挡墙的设计效率。

2.1 功能需求

前期已对路基支挡设计流程以及要点进行了系统性梳理总结，明确了BIM模型属性交付的要求，调研了常用设计软件的主要特点以及缺陷。汇总整合后，对软件需要具备的功能模块，以及各模块细致的功能点进行了策划与梳理，结果如图 3所示。

挡墙标准图集是进行支挡自动设计的数据基础，故需包含标准图集数据库的功能模块，该模块需要提前录入完整的挡墙国家标准图集(17J008)数据，以便后期筛选挡墙类型以及自动插值计算墙高。由于图集与规范会不断更新，且在具体项目中可能会调整挡墙图集的尺寸，因此在本模块中还需集成相应的编辑修改，以及数据管理功能。

挡墙自动设计为本软件的核心功能模块，该模块旨在解决传统设计中的痛点，即需要处理逐桩切取断面并逐段手动布设挡墙造成的效率低下问题，以突出智能特性。需通过布设规则对数据库中大量的挡墙数据进行类型筛选与优先级排序，以明确项目中具体应使用的挡墙类型。由于挡墙图集中墙高均为整数，实际项目中的合适墙高需要进行插值精细处理，因此软件布设结果需满足规范中襟边宽度及埋深的要求，且应规避人工划分挡墙段落的工作量，设计结果应满足墙底纵坡的要求，且最终自动布设结果应支持手动编辑调整。

最后的成果物输出模块应准确输出支挡的平、立、剖面图图纸及工程量表格，满足2D交付的要求，同时3D模型中需携带符合行业标准要求的属性信息，以便应用于施工运维的全过程管理。

2.2 智能化布设算法实现

自动设计为本软件的核心模块，挡墙自动布设算法流程如图 4所示，以下对算法的实现进行详细解释说明。

1) 连续挡墙布置的离散化处理。

对道路全线进行离散化操作，按1 m间距形成桩号序列，基于桩号序列中的位置进行剖切，可得每个位置的路基横断面，此为挡墙布置的基本边界条件，如图 5所示，包含此位置的地形剖切线、原始路基路面及边坡放坡的情况，其中H_s为边坡高度。

2) 边坡高度筛选与二分法加速试算。

公路设计中布设挡墙的主要目的之一是收缩坡脚，对放坡较远的边坡进行收坡处理，而由于挡墙造价成本较高，当边坡高度较低或放坡范围不大时可尽可能利用自然放坡方案，此时工程总造价较为经济合理。本系统中已内置边坡高度临界值H_sc，用户可针对于不同项目指定特定的H_sc。记H_si为第i个桩号位置的边坡高度，对于高度小于H_sc的边坡，不纳入挡墙布设的范围，仅将高度大于H_sc的桩号序列纳入考虑集合范围。

对于已筛选出的项目挡墙图集，在定制自动布设规则时已为每种类型的挡墙指定了对应的优先级。记H_rjk为项目挡墙库第j个图集中的第k种高度，k=1, 2, …, n，对于边坡高度符合要求的桩号序列，按优先级从高到低匹配挡墙，并可根据襟边宽度与埋深要求判断挡墙图集中的各类高度是否符合放置条件，如图 6所示。对于桩号序列S_i的位置，i=1, 2, …, n，由于挡墙高度越高，放置条件越容易满足，因此可使用二分法方式加速求解每个桩号断面满足布设条件的挡墙类型及其临界墙高H_ci，直至上下界之差满足精度要求为止，如图 7所示。桩号序列中的部分位置亦可能出现由于地形限制导致的无任何匹配挡墙的情况，如S₂桩号位置。

3) 挡墙方案分段与设缝。

依据各桩号上匹配的类型可划分挡墙分段，基本原则为若连续桩号序列试算结果相同，则可划分为同一分段，基于分段结果对桩号序列重新编号，结果如图 8所示。

挡墙段落1中S₁₁—S_1q每个桩号挡墙试算结果均为挡墙类型1，算得对应的临界墙高为H_c11, H_c12, …, H_c1q；挡墙段落p中S_p1—S_pq每个桩号挡墙试算结果均为挡墙类型2，算得对应的临界墙高为H_cp1, H_cp2, …, H_cpq。部分桩号序列因边坡高度或无匹配挡墙已被筛选过滤，如S₁^′与S₂^′。

挡墙长度过长时应设置构造缝，防止沉降不均匀。挡墙最大分段长度记为L_max，该值已内置于交互界面中。以第p段挡墙为例，如到第q个位置其累计长度L_q已大于L_max，则需要进行段落切分，在q-1位置处设挡墙缝，如图 9a所示。

挡墙墙底坡度不宜过大，若某两截面间墙底形成的坡度发生较大变化，亦应进行段落切分，如图 9b所示，临界墙高与挡墙累计长度需满足的要求如下：

$ \frac{\left|H_{{\rm c} p q}-H_{{\rm c} p(q-1)}\right|}{L_q-L_{q-1}}>0.5 . $

(1)

4) 基于包络线的底部平滑化与台阶处理。

经过分段后每段计算的底部参差不齐，不符合挡墙段内墙底坡度的要求，需要对底部进行平滑化或阶梯分段处理，如图 10所示，图中K_f为最终计算坡率，L为挡墙段落长度。将现有桩号段落从立面图角度对布设段进行平滑化处理，以分段及设缝后的某段挡墙段落(第p段)为例进行说明。

找到本段挡墙段落中墙高最高的墙底位置，记其在桩号S_p(q-1)与S_pq之间；找到左右侧包络坡率K₁与K_r，以保证所有墙底都位于包络线之内。利用桩号范围做加权平均得到平滑处理后的坡率，表示如下：

$ K_{\mathrm{f}}=\frac{K_1 \cdot L_q+K_{\mathrm{f}} \cdot\left(L-L_q\right)}{L}. $

(2)

若墙底纵坡依然大于限值，则将其以K_f底部包络线中点为界划分为台阶式，如图 11所示。包络线算法的调整可满足墙底坡度的要求，且由于墙高维持不变或略有放大，因此仍满足截面挡墙墙高、埋置深度及襟边宽度的要求。后续基于高度调整后的离散化断面结果放样形成最终连续的挡墙实体模型，并赋予相应属性。

2.3 软件使用流程

软件使用流程如图 12所示。构建项目挡墙库后，将筛选后的挡墙图集按一定优先级顺序添加挡墙自动布设原则，并可针对每种图集配置其设置参数，如埋深范围、分段范围、墙高及分段迭代步距等。

利用图集与布设规则完成支挡自动布设后，仍可能存在部分位置侵入房屋或基本农田等环境敏感区的情况，挡墙段的实际地质数据亦可能不满足挡墙下地基承载力的要求，此时仍可编辑调整挡墙，灵活控制其范围或高度。

编辑调整后挡墙的各项条件均符合要求后，即可输出相关成果物。成果物包括传统2D设计成果图纸及工程量表，相关3D模型亦已按照BIM标准赋予了编码及属性，具备进入各类施工运维管理平台的条件，详见本文第3章。

3 工程实例验证 3.1 工程概况与设计成果

S215屏山县屏山镇至书楼镇段新建工程项目由中国电建集团中南勘测设计研究院承担初步设计工作，路线起点位于国道G353与屏山县金沙江大道交叉口处，终点位于屏山县书楼镇，公路等级为二级公路，设计速度为60 km/h。利用屏山至鸭池长13.4 km的段落进行本文智能化算法实测，输出布设结果并与2D设计结果进行对比分析，2D设计使用纬地挡墙设计系统进行辅助设计并输出图表，挡墙类型为使用频率较高的衡重式肩墙。

衡重式路肩墙高度为3~13 m。进行挡墙布设时，路线左右侧边坡高度临界值均取为15 m，支挡段最小分段长度为5 m，最大分段长度为15 m，墙高和分段迭代步距均为0.5 m。

使用开发功能共自动布设挡墙1 386 m，平均墙高6.88 m，局部自动布设模型以及模型携带的属性信息如图 13所示，模型生成时自动附加属性，图中红色三角形标注了表 1中陈列的具体数值，在实际设计过程中仍可进一步编辑修改。可知已根据工程情况自动赋予相应位置、尺寸和材质等属性，减少了传统3D建模后大量的手动赋予属性的工作，满足了1.2节描述的BIM交付要求，可继续应用于后期的施工运维全过程管理，弥补了纬地及ORD软件中的缺陷。

3.2 图表输出与工程量对比

对本文算法输出的布设挡墙工程量种类与现有软件输出的工程量种类进行对比，结果如表 3所示。可见开发成果涵盖了部分纬地及ORD软件无法获得的条目，如排水管、锥坡填土及空心六角砖等数据。弥补了1.3节所指出的现有软件输出工程量不全的缺陷。

基于自动布设结果可一键输出各段支挡的平、立、剖面图图纸，如图 14所示。所出图纸可准确描述布设方案并满足行业2D交付要求。全线支挡工程总量对比结果，如表 4所示。由表 4可知，本工程3D自动设计的各项参数与2D设计的误差均普遍较小，布设总长度、砂砾反滤层、土工布、开挖方量及回填土方等的物理量误差均控制在6%以内，软件自动布设结果已经十分贴近人工逐段布设的结果。平均墙高及C20片石混凝土的工程量误差也控制在12%以内，误差较小。分析3D BIM设计与纬地2D设计的工程量差异，主要原因如下：

1) 暂未接入地质数据以及环境敏感区数据，本文算法仅按边坡高度经验值进行判别，仍可能出现高度较低的边坡侵入河流或基本农田等环境敏感区的现象，利用开发功能进行手动编辑修改或手动布设即可规避此类问题。原有2D设计结果为设计人员精细调整后的结果，故与一键布设的结果有部分差异。

2) 2种设计方式中对于地形的计算方式不同。2D设计中常使用等高线与高程点生成地形数模，而3D中可结合三角面片构网技术辅助生成3D地形模型，以表示地形的起伏变化。2种方式形成的基础地形数据及精度存在一定差异，在部分断面中地形高程差距最大可达1~2 m。本文算法挡墙截面桩号间距为1 m，已十分密集，理论上对于与地形相关的数据如开挖方量及回填方量相较2D设计更加精确。

3) 确定挡墙高度为本文算法的关键，由于C20片石砼、砂砾反滤层及土工布等数据与挡墙高度等数据呈正相关，且可根据支挡尺寸计算得出，在挡墙高度数据偏大时会使上述物理量偏大。本文设计的算法考虑了边坡约束、襟边宽度和埋深约束，且底部平滑化处理均易使设计参数偏向保守，在确保安全的情况下对逐桩号算得的挡墙高度进行了包络放大，故挡墙高度的最终计算结果偏大。

综合而言，本文提出的算法总体上较为合理，以墙高为代表的主要工程量数值较2D设计结果误差基本在12%以内，各类工程量总体误差可控制在相对合理的范围内，精度总体满足公路工程项目初步设计深度的要求，由于本文布设支挡结构的方法为一键智能布设，且布设后仍可利用开发功能进行手动编辑修改，可显著提高设计人员的工作效率。

4 结论

本研究提出了路基支挡结构的自动布设方法，并基于三维平台Bentley下的OpenRoads Designer进行了针对支挡结构的二次开发，在插件中内置了挡墙国家标准尺寸与图集，通过将连续挡墙布置问题按桩号离散化以高效求解逐断面问题；并引入二分法算法加速策略，对每个横断面进行挡墙试算，根据挡墙埋深、襟边宽度限值等快速计算每个截面优先级最高的挡墙类型及临界高度；从而，在此基础上进行归并分段及设缝处理，并引入包络线算法自动进行底部平滑化或台阶处理，在满足墙底坡度要求的同时实现墙高自适应调整，显著提高设计效率。

所研发的插件可一键生成图表结果，与2D设计结果误差较小。BIM模型携带符合国家标准要求的属性信息，便于后期的施工运维管理，具有显著的经济效益。本文成果在公路、铁路等含有支挡结构的线型工程行业具备较高的推广价值。

限于时间等条件约束，当前开发的功能仍存在一定局限性，如未录入地质信息，无法完全避免边坡侵入河流或环境敏感区，也无法自动复核挡墙下的地基承载力是否满足图集要求，依赖设计人员手动检查，后续若需识别地质相关信息，可简化此步骤，进一步提高设计智能化程度。