Civil 3D在多級邊坡場地設計中的應用

葉曉文

（中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230）

引 言

Civil 3D是基礎設施工程BIM建模分析的軟件平臺，功能日益完善，越來越多被用于土木水利工程設計，包括大壩設計（郝永志[1]、蘭立偉等[2]、于佳[3]和李晶等[4]）、渠道工程設計（李晶[5]）、隧道工程設計（陶海波等[6]）、機場地勢設計（王振殿等[7]）、道路設計（王雯鈺[8]、李俊超等[9]）、航道工程設計（劉擎波等[10]、葉雪雷[11]等）、滑坡災害預警及防治工程設計與施工（張建忠等[12]）、土方量計算中的應用（余劍[13]）、場地平整設計（郭陽洋[14]）等方面。

以上將Civil 3D用于工程設計中，涉及到放坡問題時，沒有對多級臺階邊坡進行詳細介紹或討論。在實際工程中，涉及到大開挖，坡底和坡頂高程差較大，通常需要設置多級邊坡。由于Civil 3D的放坡創建工具，如圖1所示，放坡規則沒有多級邊坡放坡的選項，因此需要利用放坡到距離和放坡到相對高程，并結合使用Civil 3D的其他功能來實現多級邊坡開挖設計。本文將以某項目為例，探討在Civil 3D中如何實現多級邊坡場地的設計。

圖1 放坡創建工具

1 設計范圍概況

本項目是一個干港，主要貨物集裝箱通過火車運輸進港，項目設計范圍內原始地形的高程大約在2 266 m和2 299 m之間，考慮到進港鐵路的高程要求及土方量盡可能挖填平衡，場地平整設計高程為2 279 m。由于設計高程與原地形部分區域的高程相差較大，需要分級挖填，以1：2的坡度分級放坡，每級高程差8 m，臺階寬度3 m，最后一級放坡至原始地形曲面。在不影響多級邊坡場地設計討論的前提下，設計范圍作了適當的調整，本文的設計范圍如圖2所示。

圖2 設計挖填范圍

2 多級邊坡模型建立

在Civil 3D曲面的功能中有豐富的曲面創建選項，可以通過添加等高線、DEM 文件、圖形對象（點、塊、文本等）、點文件等方式創建曲面。在項目前期階段，缺少地形測圖的情況下，可以通過Civil 3D與Google earth的接口導入三維地形數據轉為原始地形曲面。本項目已有地形數據，因此可以直接利用現有數據生成原始地形曲面。先新建曲面，將高程數據添加到曲面中，并通過編輯曲面，修改或刪除Z坐標不合理高程點，得到原始地形曲面，如圖3所示。

圖3 原始地形曲面

放坡是以要素線為基礎進行的，有多種方式創建要素線，可以直接繪制要素線，也可以從對象、路線、道路、臺階式偏移等方式創建要素線。從對象創建要素線，對象可以是二維或三維多段線、直線或圓弧等。可以在創建要素線之前設置多段線的高程為設計高程，這樣生成要素線的高程即為設計高程，也可以在生成要素線后編輯其高程。首先新建場地和放坡組，修改放坡標準中的放坡到相對高程，將相對高程設置為8 m，坡度設置為1：2；然后修改放坡到距離，將距離設置為3 m，坡度設置為水平。設置好放坡標準后，交替利用這兩個放坡標準進行階梯放坡，直到放坡高程超過原始地形高程后停止，對設計范圍要素線進行創建填充，利用放坡組特性即可生成一個開挖放坡曲面，如圖4所示。

圖4 開挖放坡曲面

開挖放坡曲面并不是實際所需的設計開挖曲面，需要對其進行裁剪。利用曲面分析功能，求曲面之間的最小距離，分別選中原始地形曲面與開挖放坡曲面運算，即可求得兩曲面的交線，此交線是三維多段線。將交線作為邊界添加到圖4開挖放坡曲面，可以得到設計開挖曲面，如圖5所示。

圖5 設計開挖曲面

創建一個新的曲面，將圖4原始地形曲面與圖5設計開挖曲面粘貼到新的曲面，形成開挖組合曲面，如圖6所示。

圖6 開挖組合曲面

多級邊坡開挖建模已完成，對于回填區域多級邊坡設計也是類似進行。需要新建場地和放坡組，并重新設計回填放坡的要素線。可以通過復制開挖放坡曲面與原始地形曲面的交線，與設計范圍的多段線構成回填區域，通過截斷刪除多余線段然后合成新的多段線，以此多段線生成回填放坡設計的要素線。回填放坡的操作與上述開挖放坡的操作基本一致，區別在于放坡到相對高程時，相對高程應設置為-8 m。通過放坡生成放坡曲面、求交線、添加邊界等操作，可得設計回填曲面，如圖7所示。

圖7 設計回填曲面

新建曲面，將圖6開挖組合曲面和圖7設計回填曲面，或者將圖3原始地形曲面、圖5設計開挖曲面和圖7設計回填曲面，粘貼到新曲面，得到最終的設計曲面，如圖8所示。

圖8 設計曲面

3 設計應用

3.1 土方量統計

通過體積面板工具，創建三角網體積曲面，三角網體積曲面是基準曲面和對照曲面中的點的組合，提供了基準曲面和對照曲面之間的精確差異。將圖3原始地形曲面作為基準曲面，圖8設計曲面作為對照曲面，可以求得土方量。

3.2 土方施工圖

如項目需要，可以通過將原始地形曲面和設計曲面進行計算來創建土方施工圖，如圖9所示。其中網格的間距和方向、組件可見性、算法和相關的顯示都可以根據需要選擇設置。網格包含了挖方或填方體積、網格各角點包含設計地形和原始地形在角點的標高和高程差等信息。

圖9 土方施工圖平面及局部

3.3 創建設計斷面

通過設計路線和采樣線，可以方便的生成橫斷面圖，可根據實際工程需要在不同的位置，設置采樣線，批量生產成斷面。為了表示的方便，本文只設置了一個斷面位置，如圖10所示。

圖10 斷面1-1位置示意

生成斷面后，可以利用斷面圖的標簽功能，通過設置標簽樣式，非常方便的標注斷面的高程和坡度，然后根據出圖需要在布局中創建不同的視口形成圖紙。斷面1-1的填方邊坡與挖方邊坡如圖11所示。

圖11 斷面1-1填方邊坡與挖方邊坡

4 結 語

本文討論了利用Civil 3D已有的放坡到相對高程和放坡到距離的規則，結合求解兩曲面交線的功能，通過將曲面交線作為邊界添加到放坡曲面，并利用曲面粘貼，實現了多級放坡。從原始地形曲面的建立，到設計曲面建立，以及土方量的統計，土方平面施工圖和斷面圖的生成等方面討論了如何應用Civil 3D完成多級邊坡場地設計。

Civil 3D功能強大，三維數字地形模型非常直觀且方便查看，在完成建模的基礎上可快速準確地計算土方量和批量繪制圖紙。Civil 3D各設計要素之間動態關聯，土方量和圖紙可以實時更新，可以顯著提高設計效率和精度，降低設計調整的勞動強度，讓工程師有更多的時間投入到設計的優化。