Civil 3D建模解決方案在大連灣海底隧道工程中的應(yīng)用實踐

姜南岸

（中交一航局第三工程有限公司，遼寧 大連 116001）

0 引言

BIM技術(shù)已經(jīng)越來越多的應(yīng)用于建筑業(yè)施工生產(chǎn)管理過程中，其在三維可視化及建筑信息傳遞與保存方面有著很大優(yōu)勢。目前，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域BIM建模和應(yīng)用還處在探索階段，對基礎(chǔ)地質(zhì)部分的建模和應(yīng)用研究較少。對長線工程建模也有一定的局限性。因此開展結(jié)合地質(zhì)地形的線性工程建模及應(yīng)用研究是很有必要的。

Civil 3D作為一款面向基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)的建筑信息模型的BIM解決方案，其軟件架構(gòu)在AutoCAD之上，具備三維動態(tài)設(shè)計優(yōu)勢，通過強大的曲面編輯、道路、放坡等功能實現(xiàn)復(fù)雜的工程建模，可以使設(shè)計者通過三維視圖直觀地看到設(shè)計效果，加快設(shè)計理念的實現(xiàn)。

1 工程概況

大連灣海底隧道建設(shè)工程全長5.1 km，隧道為雙向六車道。主要包括：沉管段隧道3.0 km，南北岸暗埋段、敞開段1.7 km，接線道路0.4 km。隧道沉管段由1節(jié)135 m、12節(jié)180 m直線管節(jié)和5節(jié)148 m曲線管節(jié)組成。

隧道主線土層自上而下為淤泥層、淤泥質(zhì)土層、含礫石粉質(zhì)黏土，礫石層不均勻分布；巖層以白云巖和板巖為主，局部夾雜灰綠巖，管節(jié)基礎(chǔ)以巖基為主。沉管段隧道地基較復(fù)雜，大部分沉管坐落在巖基上，部分沉管落在黏土層中。基槽開挖最大厚度20.7 m，距海平面最大深度31.7 m。

2 主線暗埋段結(jié)構(gòu)建模解決方案

由于主線暗埋段為弧線登陸結(jié)構(gòu)，在線路上呈現(xiàn)空間三維曲線形式，使用Revit無法快速準(zhǔn)確地創(chuàng)建暗埋段結(jié)構(gòu)模型。利用部件編輯器創(chuàng)建具有自適應(yīng)性的結(jié)構(gòu)斷面部件裝配，按照創(chuàng)建“道路”的方式來生成主線暗埋段結(jié)構(gòu)模型[1]。

1）整理數(shù)據(jù)創(chuàng)建路線和路線縱斷面

使用Civil 3D“繪制路線”功能創(chuàng)建路線水平基準(zhǔn)線。在完成水平基準(zhǔn)線繪制后還應(yīng)創(chuàng)建整個暗埋段結(jié)構(gòu)的邊線和隔墻位置線，為后續(xù)操作確定偏移目標(biāo)。在完成路線創(chuàng)建后，使用“縱斷面創(chuàng)建工具”創(chuàng)建縱斷面設(shè)計線[2]，在縱斷面格柵視圖中依次繪制結(jié)構(gòu)底部輪廓線、頂部輪廓線、道路鋪裝設(shè)計線等結(jié)構(gòu)輪廓縱斷面線。注意編輯格柵表中參數(shù)使其與設(shè)計的豎曲線要素一致。

2）創(chuàng)建暗埋段橫斷面裝配生成道路模型

創(chuàng)建暗埋段結(jié)構(gòu)斷面裝配可以采用Civil 3D部件編輯器進行部件編輯。提前按照豎直和水平方向分別設(shè)置好“Elevation”和“Offset”目標(biāo)參照，用來限制整個截面在頂、底部高程和側(cè)、隔墻邊界位置的偏移。并以此為基準(zhǔn)創(chuàng)建自適應(yīng)的結(jié)構(gòu)橫斷面裝配。

3）生成暗埋段模型

使用“創(chuàng)建道路”命令，依次選擇路線水平基準(zhǔn)線、結(jié)構(gòu)底部輪廓線縱斷面以及自適應(yīng)道路裝配生成道路模型。修改道路模型的目標(biāo)參數(shù)設(shè)置，按照不同裝配形式將道路劃分為多個區(qū)域分別賦予相應(yīng)的裝配類型。修改裝配的步長設(shè)定條件，注意應(yīng)在垂直基線高/低點以及偏移目標(biāo)曲線點處設(shè)置特殊步長控制，以保證拐點和起伏點的特征控制。最后還需要為道路設(shè)定偏移目標(biāo)，將裝配中偏移目標(biāo)依次對應(yīng)暗埋段結(jié)構(gòu)的外側(cè)邊線或中隔墻位置線，高程目標(biāo)依次對應(yīng)結(jié)構(gòu)輪廓縱斷線，重新生成道路。選擇道路使用“提取道路實體”工具將道路模型作為三維實體導(dǎo)出至新建的dwg文件即可用于后續(xù)BIM應(yīng)用的開展，使用此方法創(chuàng)建結(jié)構(gòu)模型見圖1。

圖1 主線暗埋段路線、裝配、道路以及生成的三維實體示意圖Fig.1 Schematic diagram of main line route,assembly,road and generated 3D solid

3 基于地質(zhì)層的沉管基槽建模研究

借助Civil 3D軟件的創(chuàng)建曲面功能生成三維地形曲面，將相鄰地質(zhì)層曲面合圍生成三維地質(zhì)層實體以便后續(xù)模型應(yīng)用的開展。借助部件編輯器創(chuàng)建參數(shù)化的基槽斷面裝配生成沉管基槽開挖結(jié)構(gòu)。

1）整理地勘數(shù)據(jù)

設(shè)計提供的地勘信息是創(chuàng)建三維地質(zhì)模型的根本，整理地勘點平面位置圖得到全部地勘點的二維平面坐標(biāo)，利用Civil 3D創(chuàng)建二維坐標(biāo)點，提取數(shù)據(jù)形成二維坐標(biāo)點統(tǒng)計表。統(tǒng)計地勘鉆孔柱狀圖上地層標(biāo)高信息將各個地層的頂部和底部高程提取出來，結(jié)合平面點坐標(biāo)最終形成三維坐標(biāo)點統(tǒng)計表[3-4]，見表1。

表1 通過地勘資料整理的部分地質(zhì)層坐標(biāo)點Table 1 Part of geological layer coordinates sorted out by geological exploration data

2）創(chuàng)建地質(zhì)層曲面和實體

在完成地勘數(shù)據(jù)整理后，將得到的三維坐標(biāo)點按照不同地層分別導(dǎo)入至Civil 3D軟件中，為方便區(qū)分可對不同地層進行圖層劃分。導(dǎo)入點文件后使用創(chuàng)建曲面功能創(chuàng)建三角網(wǎng)曲面，考慮到沉管基槽線路上的部分區(qū)域礫石層不均勻分布，地層局部夾雜特殊巖質(zhì)對清淤、炸礁方量的計算有影響需要單獨統(tǒng)計，因此部分地質(zhì)夾層曲面需要重新定義生成，需要在夾層曲面邊緣位置補充坐標(biāo)點，使重新生成的曲面與下層曲面包覆成閉合的體積曲面。以此來近似地模擬出夾層的區(qū)域和方量，最后使用“從曲面提取實體”功能得到地質(zhì)層實體。

3）創(chuàng)建沉管基槽開挖模型

對沉管隧道基槽開挖斷面進行分析，發(fā)現(xiàn)橫斷面變化復(fù)雜放坡形式多樣，使用Civil 3D軟件自帶部件無法滿足要求，需要使用部件編輯器來創(chuàng)建部件裝配。提前設(shè)定各地質(zhì)層開挖放坡原則，將10多種地層分為淤泥、黏土、全風(fēng)化巖、強風(fēng)化巖、中風(fēng)化巖5類并設(shè)定各自的放坡坡比。在部件編輯器中為每個地層設(shè)置對應(yīng)的目標(biāo)參數(shù)（曲面），從基槽坡腳開始依次向上一層目標(biāo)參數(shù)（曲面）放坡，并通過設(shè)置條件判斷邊坡所處的地層，自動調(diào)整放坡坡比確定基槽開挖斷面。在完成自建部件后將其導(dǎo)入Civil 3D軟件中，繪制沉管基槽開挖路線，設(shè)置好路線縱斷面，創(chuàng)建結(jié)構(gòu)裝配，為每個目標(biāo)參數(shù)（曲面）指定地層曲面，生成最終沉管基槽開挖結(jié)構(gòu)模型，見圖2。

圖2 利用Civil 3D創(chuàng)建的海底隧道基槽結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Tunnel foundation trench structure model created by Civil 3D

4 Civil 3D建模應(yīng)用與總結(jié)

4.1 Civil 3D建模及應(yīng)用

1）快速精確建模提取工程量

對于基槽開挖和主線暗埋段的建模，傳統(tǒng)方式是使用Revit進行放樣融合創(chuàng)建模型，需要手動繪制路線并為每段路線繪制斷面輪廓完成放樣融合，在變坡點或拐點位置還需進行特殊斷面輪廓繪制，不同的結(jié)構(gòu)層往往需要分多次創(chuàng)建。這就需要技術(shù)人員詳細計算并繪制精確的斷面圖。造成大工作量高度重復(fù)性操作。且Revit本身建模機制無法解決空間曲線建模曲率控制等問題，極易造成模型量偏差。所建模型與地質(zhì)地層幾乎沒有關(guān)聯(lián)，在實際施工生產(chǎn)中不同地質(zhì)層開挖、爆破所產(chǎn)生的分包單價是不同的，傳統(tǒng)方式幾乎無法區(qū)分計算。使用Civil 3D解決方案不僅可以高精度地進行模型搭建，同時深度結(jié)合地質(zhì)信息，大幅提升了模型的應(yīng)用價值。以主線暗埋段建模和計量為例，在本工程前期由于技術(shù)水平限制直接采用了Revit建模方案，整個建模過程歷時近5周時間投入技術(shù)人員4名，在研究采用Civil 3D建模方案后共歷時1周投入技術(shù)人員2名。大大提高了建模效率，按工時計算提升效率10倍以上。對比計算得到的工程方量偏差達2 000余m3，計量偏差見表2。

表2 暗埋段主體結(jié)構(gòu)工程量統(tǒng)計表Table 2 Statistical table of quantities of main structure in buried section m3

2）整平船插樁斷面研究

地質(zhì)地形模型的搭建在沉管隧道施工過程技術(shù)管理中起著重要的輔助決策作用，若無法準(zhǔn)確地得到沉管基槽地質(zhì)信息就難以提前做出符合現(xiàn)場實際的技術(shù)方案和有針對性的安全風(fēng)險預(yù)案，方案的合理性也就無從談起[5]。

隧道施工區(qū)域內(nèi)地質(zhì)復(fù)雜，通過BIM技術(shù)對施工區(qū)域內(nèi)地質(zhì)層結(jié)構(gòu)進行建模，對基槽地質(zhì)模型采樣生成斷面圖。批量輸出整平船插樁斷面圖施工工況圖，較原本單一斷面查詢、技術(shù)人員手繪出圖的方式，效率和精度大大提高。利用精確的斷面地質(zhì)圖進行分析，見圖3。解剖地層，分析插樁風(fēng)險點對現(xiàn)有技術(shù)方案進行細化，更好地了解工程區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)分布情況，為施工方案、工藝流程及規(guī)避風(fēng)險提供最直接的技術(shù)支持。

圖3 隧道基槽某處開挖斷面圖Fig.3 Cross section of tunnel foundation trench excavation

3）Civil 3D建模的后續(xù)應(yīng)用

由于采用Revit作為基礎(chǔ)建模平臺，通過Civil 3D創(chuàng)建的模型，如果不能與Revit模型進行整合用于后續(xù)的BIM應(yīng)用，其實用價值將大大降低。將Civil 3D生成的三維實體直接導(dǎo)入Revit中即可作為Revit族文件使用，后續(xù)的材質(zhì)定義、模型劃分、參數(shù)添加等操作都可以通過Revit進行操作，模型兼容性很強，通過Revit可將模型整合應(yīng)用于施工布置、進度推演、工藝模擬等BIM應(yīng)用中大大增強模型適用性，應(yīng)用效果見圖4。

圖4 Civil 3D創(chuàng)建模型的整合與應(yīng)用Fig.4 Integration and application of Civil 3D creation model

4.2 Civil 3D解決方案應(yīng)用價值

線性工程使用Civil 3D建模及應(yīng)用具有很大優(yōu)勢，將傳統(tǒng)方式與Civil 3D解決方案分析比對，發(fā)現(xiàn)項目Civil 3D解決方案在BIM工作效率、模型精準(zhǔn)度、斷面查詢/出圖等功能都有明顯提升[6]。基于Civil 3D建模應(yīng)用價值對比見表3。

表3 Civil 3D建模應(yīng)用價值對比Table 3 Application value comparison of Civil 3D modeling

5 結(jié)語

通過應(yīng)用Civil 3D以及ASC部件編輯器，實現(xiàn)了對基于三維地質(zhì)地層模型、基槽開挖及插裝平臺模型、主線暗埋段主體結(jié)構(gòu)模型等大體量模型的搭建，解決了很多傳統(tǒng)方案難以解決的實際問題[7-8]。但在沉管隧道建設(shè)工程實際應(yīng)用過程中，后續(xù)的橋梁段、道路段建模及邊坡開挖防護的分析與計算，止水結(jié)構(gòu)咬合樁、帷幕灌漿模型搭建與止水效果分析等建模及應(yīng)用都需要技術(shù)人員不斷探索，豐富Civil 3D解決方案的應(yīng)用范圍。本文以創(chuàng)建沉管隧道相關(guān)模型搭建和應(yīng)用為契機，初步探索和總結(jié)了Civil 3D建模解決方案在海底隧道工程中的應(yīng)用效果與實踐經(jīng)驗，為本工程和類似工程的BIM技術(shù)深化提供實踐依據(jù)。