Civil 3D在水系綜合治理工程中的應(yīng)用分析

趙 麗，孔 莊

（中交上海航道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200120）

引 言

Civil 3D目前已應(yīng)用在了港口、航道、水利等多個(gè)工程領(lǐng)域的設(shè)計(jì)階段，部分行業(yè)已開(kāi)始基于業(yè)務(wù)范疇對(duì)Civil 3D進(jìn)行深化及二次開(kāi)發(fā)，以滿足各工程階段不同的設(shè)計(jì)要求。梁慶、周智鵬等[1]利用Civil 3D設(shè)計(jì)港口陸域高程，為港口陸域高程的設(shè)計(jì)提供了新思路。袁曉洲、宋宗旋[2]探討了Civil 3D軟件在海港疏浚工程中的應(yīng)用并結(jié)合工程案例介紹了土方計(jì)算與總結(jié)出圖。王利超、王福增[3]等簡(jiǎn)要介紹了Civil 3D在水利工程中渠道的設(shè)計(jì)及工程量計(jì)算的應(yīng)用。劉擎波、劉晗晗[4]通過(guò)Civil 3D對(duì)航道中的潛堤進(jìn)行建模并對(duì)工程量進(jìn)行了計(jì)算，并介紹了Civil 3D軟件在長(zhǎng)江深水航道整治工程中的應(yīng)用。此外，黃曄卉，歐陽(yáng)龍山等[5]為解決模型中泥面線與實(shí)際地形存在偏差的問(wèn)題，采用Net語(yǔ)言對(duì)Civil 3D進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，對(duì)測(cè)量所得數(shù)據(jù)源進(jìn)行處理，得到更為準(zhǔn)確的工程量。

目前，隨著工程領(lǐng)域?qū)Νh(huán)境保護(hù)、生態(tài)可持續(xù)性發(fā)展等方面的不斷重視，越來(lái)越多的水系及水環(huán)境綜合治理項(xiàng)目正在開(kāi)展。一般水系綜合治理項(xiàng)目，須通過(guò)開(kāi)挖形成湖泊以及周邊與湖泊相聯(lián)通的水系，并以湖泊為核心元素，為后續(xù)的綠化、生態(tài)以及景觀等工程的實(shí)施創(chuàng)造條件。因此，湖泊與周邊水系的形態(tài)具有一定的復(fù)雜性和多變性，設(shè)計(jì)過(guò)程中土方計(jì)算與挖填平衡需能較好的反映工程實(shí)際。

鑒于此，本文結(jié)合臺(tái)州東部新區(qū)某水系綜合整治工程實(shí)例，利用Civil 3D建立地形曲面與湖泊設(shè)計(jì)曲面，并計(jì)算工程挖填方量，為工程投資提供科學(xué)依據(jù)。

1 實(shí)例分析

“臺(tái)州東部新區(qū)某水系綜合整治工程”是臺(tái)州灣循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)水環(huán)境系統(tǒng)中的重要一環(huán)，是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)、湖區(qū)及其周邊水環(huán)境穩(wěn)定純凈的重要保障工程。項(xiàng)目實(shí)施后，將形成面積約1.52 km2的湖區(qū)，平均水深為3.3 m，蓄水容積約495萬(wàn)m3。

湖區(qū)現(xiàn)狀為經(jīng)吹填形成的陸地，吹填高程約4.0 m（85國(guó)家高程基面），部分位置現(xiàn)狀為灘面，高程約0.0 m。設(shè)計(jì)中湖區(qū)分為湖濱帶與湖底兩部分，湖濱帶在不同的水深條件下種植各類(lèi)植物，對(duì)湖水進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，底高程在1.5～0.2 m；湖底呈“雙碟形”，底高程在0.2～-2.0 m，利用底床高程變化，沿水流方向布置有深有淺的湖底形態(tài)，營(yíng)造出適合野生動(dòng)物和水生植物棲息的多樣化生境，進(jìn)而形成穩(wěn)定的湖泊生態(tài)系統(tǒng)。此外，湖區(qū)周邊新開(kāi)挖七條河道，以供湖區(qū)引水與排澇。

圖1 湖區(qū)疏浚平面

2 建模步驟及重難點(diǎn)

2.1 建模步驟

1）對(duì)湖區(qū)原始測(cè)圖與設(shè)計(jì)地形進(jìn)行處理，以滿足Civil 3D的導(dǎo)入要求。

2）在Civil 3D中創(chuàng)建湖區(qū)原始地形，利用“點(diǎn)文件”定義原始地形曲面，利用“對(duì)象查看器”可直觀的檢查地形曲面并可在“曲面特性”中進(jìn)行調(diào)整，使地形曲面盡可能貼合實(shí)際；同時(shí)，添加湖區(qū)工程的邊界線并轉(zhuǎn)換成要素線。放坡及填充形成地形曲面并創(chuàng)建放坡組，將曲面導(dǎo)出為L(zhǎng)andXML格式文件。

3）在Civil 3D中創(chuàng)建湖區(qū)設(shè)計(jì)地形，利用“等高線”將“雙碟形”湖底造型導(dǎo)入Civil 3D并轉(zhuǎn)換成要素線，同時(shí)添加湖區(qū)工程邊界線并轉(zhuǎn)換成要素線。利用“高程編輯器”對(duì)要素線上的點(diǎn)進(jìn)行高程控制，利用“放坡工具”填充要素線并創(chuàng)建放坡組，將曲面導(dǎo)出為L(zhǎng)andXML格式文件。

4）在Civil 3D中利用“體積面板工具”生成挖填報(bào)告。

圖2 湖區(qū)設(shè)計(jì)地形曲面示意

圖3 湖區(qū)現(xiàn)狀地形曲面示意

2.2 建模重難點(diǎn)

本工程湖區(qū)現(xiàn)狀為吹填后形成的陸地，地形邊界及高程均不規(guī)則；湖濱帶，湖底為“雙碟形”，較為復(fù)雜，傳統(tǒng)的裝配式場(chǎng)地設(shè)計(jì)法并不適用。

本工程建模過(guò)程中，重難點(diǎn)主要集中在要素線的轉(zhuǎn)換以及放坡形式的確定。由于原始地形與設(shè)計(jì)地形均復(fù)雜多變，因此均選用按曲面的放坡形式。

3 Civil 3D與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的對(duì)比分析

3.1 與傳統(tǒng)斷面法的對(duì)比分析

根據(jù)《疏浚與吹填工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS 181-5-2012），疏浚工程傳統(tǒng)的計(jì)算方法包括斷面面積法、平均水深法以及網(wǎng)格法，其中斷面面積法應(yīng)用較為廣泛。設(shè)計(jì)過(guò)程中需明確每一個(gè)計(jì)算斷面的疏浚面積與斷面的間距，利用公式計(jì)算得到相應(yīng)的工程量。盡管規(guī)范要求應(yīng)在挖槽起點(diǎn)、轉(zhuǎn)折點(diǎn)、終點(diǎn)以及不同類(lèi)別土質(zhì)的界面處均應(yīng)布設(shè)計(jì)算斷面，但計(jì)算斷面之間的地形起伏信息卻被忽略。若計(jì)算斷面之間地形起伏較大或地形轉(zhuǎn)折劇烈，那么利用斷面面積法求得的工程量將會(huì)存在很大的誤差。

具體到水系綜合治理項(xiàng)目，大部分項(xiàng)目須新開(kāi)挖形成湖泊與水系；為滿足水動(dòng)力要求以及生態(tài)景觀要求，湖泊與水系形態(tài)通常復(fù)雜多變，湖底形態(tài)起伏不定，因此斷面面積法應(yīng)用到此類(lèi)項(xiàng)目中具有較大的局限性。

相比傳統(tǒng)的斷面面積法，Civil 3D考慮了所有的地形起伏，沒(méi)有丟失任何地形信息，將“設(shè)計(jì)曲面”與“地形曲面”直接進(jìn)行曲面間的計(jì)算，最終得到相對(duì)精確的挖填工程量。此外，Civil 3D還可通過(guò)曲面的升高與降低，計(jì)算各分層開(kāi)挖的工程量，以滿足水系綜合治理項(xiàng)目中對(duì)污染土、干土以及濕土工程量的需求，具有較大的應(yīng)用前景。

3.2 與CASS軟件的對(duì)比分析

CASS軟件是基于 CAD平臺(tái)開(kāi)發(fā)的一套集地形、地籍、空間數(shù)據(jù)建庫(kù)、工程應(yīng)用、土石方算量等功能為一體的軟件系統(tǒng)。在土方計(jì)算方面，CASS軟件提供了方格網(wǎng)法、DTM 法、等高線法以及斷面法等計(jì)算方法。針對(duì)水系綜合整治項(xiàng)目，通常可采用DTM法與等高線法相結(jié)合的方式，形成現(xiàn)狀地形與設(shè)計(jì)地形三角網(wǎng)并利用兩期間土方計(jì)算得到工程量。

對(duì)比Civil 3D與CASS可發(fā)現(xiàn)，CASS中的三角網(wǎng)由地形測(cè)點(diǎn)直接相連形成，而Civil 3D中的等高距可以隨意設(shè)置，要素線之間的填充放坡也可根據(jù)不同的目標(biāo)進(jìn)行調(diào)整，不斷優(yōu)化以形成較為貼合實(shí)際的曲面。同時(shí)，Civil 3D還可將曲面實(shí)體化，對(duì)曲面進(jìn)行直觀的檢查以提高計(jì)算的準(zhǔn)確度。

表1 兩期間土方工程量（CASS）

本文同樣利用CASS軟件結(jié)合實(shí)例進(jìn)行工程量計(jì)算，通過(guò)對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，與CASS軟件的計(jì)算成果相比，Civil 3D建模所得的挖填方量相差在合理范圍內(nèi)，符合工程實(shí)際要求。

表2 Civil 3D與CASS所得工程量對(duì)比

4 結(jié) 語(yǔ)

1）在水系綜合治理項(xiàng)目中，Civil 3D在解決土方計(jì)算方面，相較于傳統(tǒng)的斷面面積法以及CASS軟件，在建模原理與建模流程等方面均具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

2）在建模過(guò)程中，Civil 3D利用三角網(wǎng)形成地形曲面且等高距以及要素線之間的放坡填充均可調(diào)整，可不斷優(yōu)化最終形成較為貼合實(shí)際的曲面模型；同時(shí)，模型可視化能夠直觀反映實(shí)際情況，以提高工程量計(jì)算精度。此外，模型可重復(fù)使用，設(shè)計(jì)調(diào)整只需更新模型數(shù)據(jù)，相應(yīng)成果即可同步更新，大大提高設(shè)計(jì)效率。

3）在工程量計(jì)算成果方面，Civil 3D計(jì)算成果與CASS軟件相差在合理范圍內(nèi)，可滿足實(shí)際工程需要。