談Autodesk平臺在河道一體化設計中應用

暴占軍

（河南省豫北水利勘測設計院有限公司，河南 安陽 455000）

1 概述

隨著BIM技術發展，交通、建筑、市政、水利等越來越多的工程項目開始采用BIM技術，本文的BIM解決方案軟件平臺主要包含Civil3D、revit、inventor、infraworks360等一系列建模計算軟件。針對河道治理工程項目斷面圖繪制繁瑣、土方量計算不精確且效率低下、生成制圖工作量大等特點，對類似線性工程采用BIM技術進行參數化設計。Civil3D是架構在CAD之上的開發軟件，它包含CAD的所有功能，與CAD有高度一致的工作環境，突出優勢是三維動態設計，它可以創建參數化信息模型，進而批量生成橫斷面圖并完成土石方工程量的提取，且模型、圖紙、工程量呈動態關聯，遇到方案調整或變更只需修改相應參數即可完成斷面圖及工程量的數據更新，極大地提高設計效率、節約設計成本。

2 應用

多年來河道治理工程一直按照圖1所示流程設計，繪制斷面圖需耗費大量人力、物力，通過平均端面積法計算工程量誤差大，評審修改工作量較大，導致設計周期較長。

圖1 傳統設計流程圖

以連通渠工程做為BIM設計試點工程，將當前迅猛發展的BIM技術移植入水利工程中，以應對設計周期短、變更效率低下、算量不精確等問題，更好的適應行業發展需求。本文介紹的河道BIM設計流程如圖2所示。

圖2 BIM設計流程圖

2.1 創建地形曲面

根據測量提供的CAD圖形點、等高線或點數據文件等創建三維地形曲面，如圖3所示。

切換至三維模式檢查地形模型有無凹凸錯點，通過設置高程區間剔除錯點以修正地形，亦可手動加密點或添加等高線進行修正，三維地形曲面精度與測量點或等高線密度呈正相關，還可添加邊界來裁剪工程范圍提高電腦運行速度。對于體量較大的模型筆者建議將地形曲面轉為LandXML格式，再導入定制的樣版文件里，通過該方式實現模型輕量且不會信息丟失。LandXML文件輸出方式如圖4所示。

圖4 LandXML文件輸出操作截圖

根據項目出圖要求及制圖規范，定制項目級成果輸出樣板文件，樣板文件包括文本類型、圖簽樣式、比例、各種尺寸標注、注釋、圖框、標尺等標簽，如圖5所示。標準化模板利于實現斷面圖批量添加或修改尺寸和注釋信息，極大提高繪圖效率。模板文件可在工程設計中重復使用，隨著模板庫中樣板文件累積，將更大程度縮短設計周期。

圖5 橫斷面圖樣板文件

2.2 河道平面設計

河道平面設計要遵循以下原則：

（1）滿足區域水系規劃與防洪排澇的要求；

（2）處理好與現狀建筑物的銜接，保證區域安全、舒適。

（3）盡量減少沿河兩側已建成區（或半建成區）的建筑物拆遷。

（4）合理選擇橋涵閘位置，在滿足規范要求的前提下，盡可能縮短長度，降低工程造價。

（5）充分考慮水土保持、環境保護要求，盡量減少對區域水系的影響。

遵循以上原則基于civil3d路線命令進行河道中心線平面設計，調取樣板文件中定制的樁號標簽，設置采樣線間距創建樁號信息，如圖6所示，可以拖拽夾點或修改路線參數的方式優化選線，標注信息與路線圖形動態關聯，較CAD制圖平面設計方式效率提高60%以上，方案確定后導出放線坐標數據報告，如圖7所示。

2.3 河道縱斷面設計

通過水力計算確定橫斷面樣式、河（渠）道縱坡并推求水面線，此步驟與以往設計并無不同，根據之前建立的三維地形曲面及河道中心線，激活縱斷圖命令以創建河道中心現狀縱斷圖，如圖8所示。

圖6 設計中心線及樁號信息注釋圖

圖7 設計中心線直曲表

圖8 現狀河道縱斷面圖

對于設計底高程、水位線等縱斷面圖創建，可通過縱斷面創建工具手動繪制，亦可通過數據文件導入的方式進行創建，縱斷圖設計信息，如圖9所示。

對于縱斷面的調整，可直接拖動設計線夾點，亦可編輯設計線的參數，需要說明的是civil3d縱斷標注欄數據和圖形動態關聯，且自動填充數據，變更設計信息時圖形數據即時更新，與橫斷面圖類似，縱斷圖數據填充樣式、線型、比例及相關注釋信息均按照出圖樣式定制特有標簽寫進樣板文件，如圖10所示，從而大大提高繪圖效率。

2.4 裝配制作

本文闡述的裝配是civil3d漢譯專有名詞，即河道設計的標準橫斷面圖，在civil3d中裝配是在Autodesk Subassembly Composer軟件中制作完成的，通過該軟件可將河道斷面設計要素按照計算機邏輯思維編譯成樣板，從而實現在河道模型創建過程中實現自動開挖回填及堤頂超高設計等；在裝配制作過程中，選擇性將部件進行參數化定義，比如底寬、邊坡等，以便斷面尺寸變更時只需修改參數即可完成模型更新。Autodesk Subassembly Composer軟件操作界面，如圖11所示。

圖9 設計縱斷面圖

圖10 縱斷面圖樣板文件

通過對橫斷面中水位、底高程等標注點進行定義并賦予專屬代碼信息，以實現后期橫斷面批量化高程標注，該代碼與樣板文件標簽一一對應。根據河道中心線、設計水位、渠道縱坡及橫斷面裝配創建河道模型，激活Civil3D道路命令依次載入設計底高程線、設計水位線、橫斷面裝配、三維地形曲面即可創建河道模型，如圖12所示，在渠道模型的基礎上進而創建渠道開挖曲面，并指定對應邏輯目標，對于開挖曲面需按照渠道模型占地紅線添加邊界。創建變斷面樁號范圍河道模型輪廓，并通過該輪廓創建偏移路線，導入扭面裝配，依次指定路線偏移目標及高程目標，創建變斷面段河道模型，實現河道變斷面（扭面）模型，基于河道中心線創建采樣線并設置采樣樁號，激活橫斷面命令即可輸出采樣線對應橫斷面圖。

圖12 河道開挖模型效果圖

2.5 橫斷面圖和工程量表

根據設計要求創建橫斷面圖及土石方工程量成果表，有了數字化信息模型，可以在渠道任意位置生成橫斷面，如圖13所示，較以往大量橫斷面逐一繪制的設計手段，大大提高出圖效率，同樣只需進行材質設置就可以導出工程量表，如圖14所示。Civil3d土方量計算方法是：由測量地形圖或數據資料創建原始地形曲面，由設計縱斷面、參數化裝配及設計中心線創建河道開挖模型進而創建開挖曲面，通過曲面疊加計算出每個高程點z值之差，利用精確的幾何模型來計算挖填方量。Civil3d可以根據需要算出不同分段的工程量，且導出對應的文字報告。

圖13 橫斷面設計圖

圖14 工程量成果表

筆者通過與傳統二維河道設計成果、時效對比，采用civil3d進行渠道設計，在河道中心線創建方面無需通過劃線命令逐段繪制并逐個設計轉彎段，且模型完成后，可根據需求導出橫斷面圖與工程量；由于模型參數化，后期應對變更只需調整參數更新模型就可以完成所有繪圖工作，極大的提升設計質量，減少出錯率，同時大大縮短了設計周期，真正做到提質增效。通過civil3d計算得出本次工程開挖27.8萬m3，采用二維設計方式按照斷面面積法計算得出工程量為26.5萬m3，通過對比相差4.6%，有效驗證工程量準確性。

3 技術亮點

3.1 可視化設計

civil3d可以創建復雜的三維地形，進行方向、高程、坡度、流域等分析，并按照設計要求進行河（渠）道開挖模擬，在方案論證階段呈現工程竣工效果，提供工程占地面積及土石方開挖等設計參數信息，以優化設計方案。還可以將civil3d開挖模型導入其他三維軟件，比如fuzor、infraworks360等進行項目工程區漫游動畫展示。

3.2 參數化設計

以往渠道設計是將渠道的平面圖、縱橫斷面、工程量，逐一繪制計算，圖量間彼此獨立無關聯，而在Civil3D中，工程項目就是一組動態關聯的模型，它能夠生成對應的圖表，可以隨意提取所需要的數據信息。在cad模式下繪制橫斷面會根據渠道的長度及斷面個數花費大量的工時，尤其在變更時會非常的繁瑣耗時，且容易產生人為失誤，增大校審難度。采用BIM技術能完全避免這些問題，由于模型自身的參數化及動態關聯性，任何調整都會使模型和對應參數同時發生變化，大幅度的提高了繪圖效率和工程可靠性。時效對比結果如圖15所示。

3.3 設計可持續性

連同渠設計過程中，根據水利工程制圖規范，定制了縱、橫斷面出圖樣式模板，同時還積累了不同斷面形式的河道裝配（圓形、梯形、矩形等），隨著模板庫建立及各式裝配的累積，在后續河道設計中即可調入使用，快速完成工程模型及算量，通過在連同渠試點項目的成功應用，對于管線、道路、堤防等線性工程，該模板亦可大大提高設計效率。

圖15 時效對比結果

4 結語

雖然文章闡述的河道解決方案在斷面圖和土方計算上高效、準確，但在河渠岔口及建筑物銜接等細節設計需結合revit等其他軟件解決，尚且無完美解決方案；其次連同渠位于華北平原開挖材質為單一土方，對于山區河道需對不同材質（如土、石、砂礫）分別計量的工程則需建立地質模型，進而提取不同地層間開挖方量，基于civil3d建立地質模型仍存局限性。與西方發達國家相比，我國BIM技術研究并不算晚，但受企業管理模式及行業技術特點等制約，導致BIM技術在水利行業普及率不高，因此筆者建議在當前國內大環境下，中小型設計院應選擇合適切入點，以提高設計效率，提升設計質量為宗旨，逐步實現技術改革工作。

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