BIM技術(shù)在航道整治工程中的應(yīng)用研究

袁立莎（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222）

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BIM技術(shù)在航道整治工程中的應(yīng)用研究

袁立莎
（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222）

長(zhǎng)江南京以下12.5m深水航道二期工程時(shí)間緊任務(wù)重，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法已不能滿(mǎn)足本工程的強(qiáng)度、精度要求了。為高效、快速、準(zhǔn)確地提交每次的成果，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)通過(guò)采用 BIM技術(shù)，在不同階段開(kāi)展相應(yīng)設(shè)計(jì)工作，高質(zhì)高效地完成了設(shè)計(jì)任務(wù)，為今后航道整治工程及類(lèi)似工程的應(yīng)用拓展了思路。

航道整治；三維設(shè)計(jì)

引　言

長(zhǎng)江南京以下 12.5m深水航道建設(shè)工程按照“整體規(guī)劃、分期實(shí)施、自下而上、先通后暢”的治理思路分期實(shí)施。其中一期工程于2014年7月建成。二期工程具有沿程長(zhǎng)，礙航淺段較多的特點(diǎn)。其中，福姜沙水道上起江陰長(zhǎng)江大橋下至九龍港，全長(zhǎng)約40 km。長(zhǎng)江主流自江陰以下經(jīng)福姜沙分為左汊和右汊（福南水道），左汊主流經(jīng)雙澗沙分為福北水道和福中水道，整個(gè)福姜沙水道在平面上呈現(xiàn)“兩級(jí)分汊、三汊并存”的格局，是幾個(gè)河道中整治難度最大的河道。而福姜沙因?yàn)闋砍兜秸w整治效果、沿岸經(jīng)濟(jì)區(qū)的各方利益等多種復(fù)雜因素，平面布置方案主要就有福中+福北水道方案、福中水道方案、福南+福北水道方案這三大方向。

根據(jù)整體分流比的調(diào)整、沖淤變化的影響、保灘穩(wěn)槽的效果，平面方案多次調(diào)整。對(duì)于每一次的調(diào)整，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都要提供相應(yīng)推薦方案，并進(jìn)行整個(gè)工程項(xiàng)目總投資、經(jīng)濟(jì)效益等綜合比較。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法已不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)強(qiáng)度和精度要求。因此為了高效、快速、準(zhǔn)確地提交每次的成果，應(yīng)對(duì)項(xiàng)目后續(xù)階段大量的設(shè)計(jì)繪圖工作，促使設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)選擇了一種更好、更適合的工作方法—建筑模型信息化（BIM手段）。

圖1　長(zhǎng)江南京以下深水航道二期工程

圖2　福姜沙河段平面示意

1　整治建筑物模型的建立

長(zhǎng)江南京以下12.5m深水航道二期工程，整治建筑物為堤壩類(lèi)結(jié)構(gòu)，主要分為潛堤、丁壩、護(hù)灘帶三種。結(jié)合地質(zhì)和水流特點(diǎn)分析，適合選擇對(duì)地基要求較低，對(duì)水流流態(tài)影響較小的斜坡式堤型（見(jiàn)圖 3）；但本河段堤段較長(zhǎng)，全部為水上施工且石料運(yùn)距較遠(yuǎn)，為盡量減少對(duì)單一工程材料的依賴(lài)，影響工程的造價(jià)和工期，考慮在部分堤段采用混合式結(jié)構(gòu)—齒形構(gòu)件混合堤（見(jiàn)圖4）。

圖3　拋石斜坡堤斷面

圖4　齒形構(gòu)件混合堤斷面

1.1軟件的選擇

根據(jù)本工程地形對(duì)工程影響較大、構(gòu)件混合堤與拋石斜坡堤交叉布置等特點(diǎn)，針對(duì)性地選擇了適合的設(shè)計(jì)軟件，其使用功能如下：

1）Civil 3D（AUTODESK產(chǎn)品）

選擇該款軟件主要目的是為了完成工程地形的模擬分析；整治建筑物的模型設(shè)計(jì)及整合；區(qū)域沖淤分析及相應(yīng)的程度；工程量的提取及設(shè)計(jì)圖紙（單項(xiàng)建筑物的平、剖、斷面圖）的初稿等。

2）AutoCAD（AUTODESK產(chǎn)品）

本軟件是最常見(jiàn)的工程類(lèi)設(shè)計(jì)軟件，主要用于二維圖紙的設(shè)計(jì)，完善最終的圖紙成果。

3）Autodesk Inventor（AUTODESK產(chǎn)品）

Inventor主要適用于機(jī)械設(shè)計(jì)工程中，特別是模具的設(shè)計(jì)。本項(xiàng)目選用該軟件主要是應(yīng)用于構(gòu)件的模型設(shè)計(jì)，并對(duì)比整合能力的優(yōu)略性。

4）ALGOR

ALGOR軟件是有限元分析軟件，重點(diǎn)應(yīng)用于本工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件的整體受力情況及施工過(guò)程中構(gòu)件吊運(yùn)情況分析等。

5）2008地基計(jì)算系統(tǒng)

地基計(jì)算系統(tǒng)主要用于結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性計(jì)算及混合堤地基承載能力計(jì)算分析。在本項(xiàng)目中考慮基礎(chǔ)資料與計(jì)算系統(tǒng)的交付程度及可行性。

1.2構(gòu)件的模型設(shè)計(jì)

依托工程的整治建筑物在部分堤段采用了齒形構(gòu)件的混合堤作為設(shè)計(jì)斷面。從三維設(shè)計(jì)的角度，采用AutoCAD 3D、Inventor軟件分別進(jìn)行了模型設(shè)計(jì)并進(jìn)行了對(duì)比總結(jié)。

1）流暢性及屬性傳遞

從構(gòu)件模型設(shè)計(jì)的便捷性來(lái)說(shuō)，CAD和Inventor兩個(gè)軟件都能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)體的原型模擬，關(guān)鍵在于對(duì)軟件三維設(shè)計(jì)的熟練程度。齒形構(gòu)件的復(fù)雜程度不高，且不需要組裝，故并不能體現(xiàn)出Inventor在精密機(jī)械零件的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)。除此以外AutoCAD 3D沒(méi)有Inventor的參數(shù)化設(shè)計(jì)，不能進(jìn)行模型數(shù)據(jù)的屬性信息傳遞和應(yīng)用。從項(xiàng)目全壽命周期的設(shè)計(jì)理念來(lái)看，Inventor所建模型更適合設(shè)計(jì)到施工流程的使用。

2）效果性

AutoCAD 3D的設(shè)計(jì)不能賦予結(jié)構(gòu)以實(shí)際材質(zhì)，而Inventor是可以的。故從軟件最終展示的視覺(jué)效果顯示，使用Inventor軟件完成的渲染后的構(gòu)件（見(jiàn)圖6）比使用CAD完成的效果（見(jiàn)圖5）更加真實(shí)，在模型展示方面更優(yōu)。

圖5　構(gòu)件模板（CAD 3D設(shè)計(jì)）

圖6　構(gòu)件模板（Inventor設(shè)計(jì)）

3）整合性

AutoCAD 3D模型可以直接導(dǎo)入Civil 3D軟件進(jìn)行整合。Inventor軟件沒(méi)法完成直接導(dǎo)入，但是可以選擇導(dǎo)出為 .dwg格式，再進(jìn)行后續(xù)設(shè)計(jì)。但要注意的是，在CAD 3D和Inventor設(shè)計(jì)的時(shí)候，我們常規(guī)設(shè)計(jì)單位是毫米，在Civil 3D結(jié)合地形的設(shè)計(jì)軟件中，測(cè)量單位提供的都是世界坐標(biāo)系的水深值，一般均以米作為設(shè)計(jì)單位，整合的時(shí)候需注意單位的統(tǒng)一。

1.3整治建筑物堤身模型的設(shè)計(jì)

Autodesk Civil 3D是專(zhuān)門(mén)用于土木工程道路與土石方解決的設(shè)計(jì)軟件。其三維工程模型有助于快速完成道路工程、場(chǎng)地、雨水/污水排放系統(tǒng)以及場(chǎng)地規(guī)劃設(shè)計(jì)工作。

1）工程地形的模擬

拿到地形數(shù)據(jù)之后，先要對(duì)所有的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行檢查，剔除明顯錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)點(diǎn)。添加點(diǎn)文件，選擇使用三角網(wǎng)格建立曲面，完成工程區(qū)域的模擬。建立曲面還可以選擇應(yīng)用特征線(xiàn)、等高線(xiàn)等多種方法。從地形特征圖上，明顯可以看到工程區(qū)范圍內(nèi)等高線(xiàn)的布置范圍，以及已建工程的工程現(xiàn)狀。而在傳統(tǒng)的水深圖上，只能夠看到水深點(diǎn)，不能直觀判斷水下地形情況。見(jiàn)圖7～圖9。

圖7　高程顯示工程區(qū)域

圖8　等高線(xiàn)顯示工程區(qū)域

圖9　對(duì)象查看器下的工程區(qū)域

2）堤身結(jié)構(gòu)模擬

應(yīng)用Civil 3D軟件的設(shè)計(jì)模塊，依據(jù)平面布置方案，可以將整治建筑物的軸線(xiàn)精確定位，在完成堤頂設(shè)計(jì)寬度后放坡，與地形結(jié)合形成最終的堤腳邊線(xiàn)。潛堤與丁壩相交的坡面，可自動(dòng)相交形成。見(jiàn)圖10、圖11。

圖10　工程設(shè)計(jì)工具欄

圖11　單根丁壩真實(shí)模擬

3）關(guān)于設(shè)計(jì)的校核

對(duì)于工程設(shè)計(jì)，并不是有了軟件就可以直接設(shè)計(jì)直接使用的，依然存在著校核的工作程序在里面。區(qū)別于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式，對(duì)于模型的校核，則可以有多種方法來(lái)進(jìn)行。如：直觀的檢查模型，結(jié)構(gòu)堤身高的坡腳邊線(xiàn)邊界大，結(jié)構(gòu)堤身矮的坡腳邊線(xiàn)邊界小，見(jiàn)圖12；根據(jù)軸線(xiàn)上的縱剖面圖，逐段核對(duì)頂部高程值，見(jiàn)圖13；間隔打印出堤身斷面圖，核對(duì)坡面坡度的準(zhǔn)確性，見(jiàn)圖14。模型階段設(shè)計(jì)成果是后續(xù)所有工作的依據(jù)，采用多種方法進(jìn)行校核是非常必要的。

圖12　整治建筑物局部模型

圖13　剖面圖校核方法

圖14　斷面圖校核方法

2　成果交付應(yīng)用

2.1沖淤變化影響分析

在長(zhǎng)江南京以下整治工程中，維持航道水深、控制河道的變化、保證整治效果是工程的終極目標(biāo)。在整治建筑物結(jié)構(gòu)工程范圍內(nèi)，動(dòng)態(tài)河勢(shì)引起的沖淤變化對(duì)工程量的影響十分明顯。對(duì)此，工程范圍內(nèi)的沖淤變化幅度分析就顯得至關(guān)重要了，特別是在項(xiàng)目工可和初步設(shè)計(jì)階段的概算，涉及到對(duì)總投資的控制。

沖淤幅度分析成果主要有2種形式：一種為實(shí)時(shí)設(shè)計(jì)階段與上一階段測(cè)量成果的數(shù)值模擬比對(duì)分析確定；另外一種則為物理模型局部沖刷試驗(yàn)成果分析確定。結(jié)合不斷調(diào)整的試驗(yàn)成果，我們可以應(yīng)用Civil 3D軟件完成數(shù)值模擬對(duì)比分析。

沖淤變化分析可僅考慮堤身結(jié)構(gòu)下的變化幅度，根據(jù)沖淤量確定堤身寬度范圍內(nèi)的沖刷幅度大小。

圖15　沖淤變化地形分析

圖16　沖淤量分析

需要特別注意的是，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中關(guān)于沖淤變化程度的分析僅是比對(duì)實(shí)時(shí)設(shè)計(jì)階段和上一階段的變化情況，只能代表已發(fā)生時(shí)間階段的沖刷程度，僅可以作為工可或者初設(shè)階段的預(yù)估量依據(jù)，并不是最具代表性的量值。在施工招標(biāo)階段則需要依照物理模型試驗(yàn)局部沖刷成果進(jìn)行該部分的設(shè)計(jì)，物模試驗(yàn)考慮的是各種水文年份、洪季、枯季、漲潮、落潮等綜合因素的影響。故在不同的設(shè)計(jì)階段，應(yīng)合理用好數(shù)值模擬分析。

2.2結(jié)構(gòu)工程量的交付

傳統(tǒng)的工程量計(jì)算方法即設(shè)計(jì)工程師根據(jù)水深和堤頂高程進(jìn)行結(jié)構(gòu)分段并確定堤身高度，完成標(biāo)準(zhǔn)斷面，確定工程量，一般情況下堤頂高程基本為定值或者分段定值；泥面高程在合適區(qū)段內(nèi)取平均范圍值。但本工程的特點(diǎn)是堤壩單體多；頂高程根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果都是過(guò)渡分布，導(dǎo)致頂高程與泥面高程雙變量。在這樣復(fù)雜變化的堤身高度下，設(shè)計(jì)方案隨時(shí)調(diào)整、設(shè)計(jì)周期很短、人為設(shè)定略微偏大的泥面高程、無(wú)法考慮清楚的地形影響的情況，就有可能導(dǎo)致工程完工后較大的工程量結(jié)余。故我們采用Civil 3D軟件完成場(chǎng)地模擬建立結(jié)構(gòu)模型，充分考慮斷面方向地形的影響，特別是堤頭部分地形的影響，精確把控工程量值的準(zhǔn)確度。

為了對(duì)比模型直接量值的提取準(zhǔn)確度，我們同時(shí)完成了手算工程量。手算結(jié)果與模型提取值相差在5%左右，因?yàn)槭炙愠晒荒茱@示斷面方向的地形影響，所以模型提取量經(jīng)過(guò)驗(yàn)證是可直接使用的。

圖17　單體工程量

圖18　傳統(tǒng)算法示意

護(hù)底軟體排的計(jì)量是根據(jù)余排寬度范圍圈圍出來(lái)的面積確定，余排指的是堤腳邊線(xiàn)以外的護(hù)底排體的寬度，如果不能精確確定堤腳邊線(xiàn)，則余排面積會(huì)受很大的影響，特別是堤頭位置的排體范圍。因此依據(jù)實(shí)際地形建立模型確定的護(hù)底結(jié)構(gòu)工程量比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮的更加詳實(shí)，避免了由于傳統(tǒng)算法考慮不周導(dǎo)致單項(xiàng)超概的風(fēng)險(xiǎn)。

圖19　傳統(tǒng)算法（未考慮堤身結(jié)構(gòu)）

圖20　真實(shí)模擬算法（考慮堤身結(jié)構(gòu)）

2.3設(shè)計(jì)圖紙的交付

內(nèi)河航道類(lèi)整治建筑物對(duì)于圖紙的要求不同于海港設(shè)計(jì)圖紙，根據(jù)河勢(shì)地形變化情況對(duì)斷面的一般要求為幾十米左右一個(gè)斷面，再加上平剖面圖，設(shè)計(jì)出圖的工作量是巨大的。但通過(guò)BIM技術(shù)完成模型設(shè)計(jì)后，圖紙的交付則會(huì)更加便捷，特別是平、剖、斷面充分考慮了地形確定的邊界線(xiàn)顯得更加真實(shí)，對(duì)于施工指導(dǎo)則十分有意義。圖紙所有的母圖都可以從模型提取出來(lái)，但最終成圖還需要經(jīng)過(guò)人工添加地層信息、標(biāo)注等，雖工作量仍然較大，但是較傳統(tǒng)工作方式精細(xì)化程度得到了很大的提升。

圖21　設(shè)計(jì)圖紙成果示意

3　結(jié)　語(yǔ)

本文基于正在進(jìn)行的長(zhǎng)江南京以下 12.5m深水航道二期工程，研究了BIM技術(shù)在航道整治工程中的應(yīng)用，在有限的項(xiàng)目設(shè)計(jì)周期內(nèi)快速高效地完成了設(shè)計(jì)任務(wù)。探索了BIM技術(shù)在各個(gè)設(shè)計(jì)階段，不同設(shè)計(jì)深度所需要的程度，并總結(jié)出了滿(mǎn)足工程進(jìn)度、強(qiáng)度的工作流程和方法，為類(lèi)似工程提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

［1］李建成.BIM應(yīng)用：導(dǎo)論［M］.2015.

［2］張建平.國(guó)內(nèi)外BIM研究進(jìn)展［M］.2015，9.

［3］任耀.AutoCAD Civil 3D 2013應(yīng)用寶典［M］.2013.

Application of BIM technique in Channel Regulating Project

Yuan Lisha
（CCCC First Harbor Consultant Co.，Ltd.，Tianjin 300222，China）

Due to the short construction period and harder work for deepwater channel phase-2 project at the lower reach of the Yangtze River from Nanjing，traditional design methods can not satisfy the requirements for the intensity and precision of the project.To submit the design results quickly，accurately and efficiently，the design team carries out the corresponding work by using BIM technique at different design stages.High quality design results are completed in high efficiency，which develops ideas for the application of BIM techniques in future channel regulating project or similar projects.

channel regulating； 3D design

U617

A

1004-9592（2016）04-0020-05

10.16403/j.cnki.ggjs20160405

2015-11-26

袁立莎（1983-），女，工程師，注冊(cè)土木工程師（港口與航道工程）、水運(yùn)工程造價(jià)工程師，主要從事港口航道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。