基于Civil3D的航道疏浚工程量計算與分析

張一博 中鐵建港航局集團勘察設計院有限公司

1.前言

建筑信息模型（buil ding information modeling，BIM），是以工程項目信息數據為基礎，建立包含項目所有相關信息的三維模型，為項目策劃、設計、施工和運維的全生命周期過程提供全面有效的決策依據，其核心為信息的模型化和信息在不同階段、不同主體間的共享與傳遞。

近年來，許多工程技術人員開始逐步探索BIM技術在航道工程設計中的應用。袁立莎采用Civil 3D軟件創建丁壩模型、統計工程量、進行河道沖淤分析并初步嘗試了出圖。劉擎波等人采用Civil 3D軟件協助出圖、計算工程量和進行沖淤分析。王飛等通過Civil 3DNET二次開發，定制了自定義部件，實現了超深超寬工程量的計算。陳懿強等人對Civil 3D部分模塊進行二次開發和改進，取得了較好的出圖效果，提高了設計效率。王鵬探索了基于Revit和Civil 3D的航道整治工程三維協同設計，實現了航道工程三維可視化協同設計，優化了設計流程。

本文梳理了基于Civil 3D的航道疏浚工程量計算方法和計算流程，針對航道部件及疏浚量計算進行了二次開發定制。依托多個項目，對比分析了傳統疏浚計算軟件和Civil 3D在計算航道疏浚工程量的差異，給出了Civil 3D計算方法的適用條件。

2.工程量計算思路與方法

2.1 傳統計算方法

疏浚工程量計算通常采用斷面面積法、平均水深法或網格法。對于航道工程，由于其具有橫向帶狀式特點，疏浚工程量計算時常采用斷面面積法。根據《疏浚與吹填工程設計規范》，斷面工程量按下式計算：

式中：V——挖槽斷面工程量；

A0、A1…An——分別為各計算斷面上的疏浚面積（m2）；

L1、L 2…L n——分別為A0 與A1、A1與A2…An-1與An計算斷面間的間距（m2）。

2.2 傳統計算流程

傳統軟件在進行航道疏浚工程量計算時多采用斷面法，其計算流程為：1）導入地形測量圖；2）繪制航道中心線和設計底邊線，確定疏浚區域；3）確定疏浚底高程、航道邊坡、計算超寬、計算超深等設計參數；4）建立疏浚斷面，生成自然泥面線、設計開挖線、超寬超深線；5）計算疏浚工程量。傳統軟件存在的問題是各流程之間缺乏有效的信息傳遞，一旦需要修改設計方案和設計參數，則需要重新進行4）、5）步的工作，效率較低。

圖1 航道疏浚部件生成的斷面圖

圖2 航道疏浚二次開發模塊功能區界面

圖3 Civil 3D航道疏浚工程量計算流程圖

圖4 航道疏浚定制部件參數設置界面

2.3 Civil 3D計算方法

Civil 3D中土方量計算通常采用三種方法：曲面體積法、放坡體積法和橫斷面法。曲面體積計算法是通過建立兩個或多個曲面，比較曲面之間的體積差，從而得出土方量。放坡體積計算法是利用放坡體積工具，可以通過快速升高或降低曲面以便于土方量平衡調整。橫斷面法與傳統斷面面積法原理一致，適用于道路、航道等橫向帶狀式工程。本文采用放坡體積法和橫斷面法。

2.4 Civil 3D二次開發

Autodesk Civil 3D是一款面向土木工程設計與文檔編制的建筑信息模型（BIM）解決方案，廣泛應用于勘察測繪、地形地貌、巖土工程、道路交通、水利水電、地下管網、土地規劃等領域。

航道疏浚工程設計與道路工程設計思維相近，因此可采用Civil 3D中的道路設計相關模塊來進行航道疏浚設計。但在實際應用過程中發現，仍需進行一定的二次開發才能滿足使用要求。本文基于.NET對Civil 3D 2018進行了如下開發：1）定制開發了符合相關規范要求的航道疏浚部件，實現了設計斷面工程量、超寬超深工程量、計算斷面工程量的計算與統計，見圖 1；2）為符合航道疏浚設計習慣、簡化軟件使用操作、提高設計效率，對相關模塊進行了二次開發，見圖2。

2.5 Civil 3D計算流程

基于Civil 3D的航道疏浚工程量計算流程為：1）導入地形測量圖，創建地形曲面；2）利用路線功能繪制航道中心線和設計底邊線；3）確定疏浚底高程，創建設計縱斷面；4）加載通過二次開發得到的航道疏浚部件，在部件中輸入航道邊坡、計算超寬、計算超深等設計參數；5）生成三維航道疏浚模型；6）從模型中一鍵導出疏浚工程量。基于Civil 3D的航道疏浚工程量計算流程見圖3。航道疏浚部件參數設置界面見圖4。

基于Civil 3D的航道疏浚設計和工程量計算體現了參數化設計和動態關聯的特性，將設計工作的重心轉移到創建航道模型上，將建立疏浚橫斷面及計算工程量交由軟件自動從模型中提取，當設計方案調整時，通過修改相關設計參數即可實現模型和疏浚工程量的實時、自動更新，消除了傳統設計軟件中大量人工重復性操作，實現了疏浚工程量的快速計算，提高了設計效率。

3.工程實例分析

本文采用了某沿海航道1、某沿海航道2、某沿海航道3、某內河航道1、某內河航道2共計五條航道中的部分航段開展研究工作。分別采用放坡體積法和斷面法創建航道疏浚模型，從模型中提取疏浚工程量，與傳統軟件所得疏浚工程量進行了對比分析。值得一提的是，放坡體積法是基于三角網曲面的，而Civil3D中的三角網曲面是通過實測高程點采用Delauney三角剖分法建立的，其計算精度高，因此將放坡體積法引入進行計算和對比分析。

創建的航道疏浚模型見圖5、圖 6，從模型中導出的疏浚工程量見表 1。

從表1中可以得出：

（1）Civil 3D斷面法計算斷面工程量與傳統軟件計算斷面工程量的差值百分比分別為-0.66%、-0.29%、-0.45%、-1.27%、1.08%，均在2%以內，符合相關規范要求。其中設計斷面工程量差值在0.50%以內，超寬超深工程量差值在3.00%以內；

（2）Civil 3D體積法設計斷面工程量與傳統軟件設計斷面工程量的差值百分比分別為0.02%、0.12%、-1.46%、0.79%、0.34%，均在2%以內，即體積法計算的設計斷面工程量符合相關規范要求；對于基建性疏浚工程，其開挖深度相對較大，計算斷面工程量差值較小，分別為0.19%和0.12%，體積法適用；對于維護性疏浚工程，其開挖深度相對較小，計算斷面工程量差值較大，分別為13.24%、13.27%和11.57%，可見體積法并不適用該種情況，分析原因，主要是由于體積法對于超挖工程量的計算方法與規范存在差異所導致；

（3）對于需要準確計算設計斷面工程量而不關注超寬深工程量的情況，Civil 3D斷面法和Civil 3D體積法均體現出良好的適用性，可采用其中任一種方法計算，另一種方法復核；

圖5 某沿海航道1疏浚模型

圖6 某內河航道1疏浚模型

表1 疏浚工程量統計表

（4）對于基建性航道疏浚工程，計算斷面工程量可采用Civil 3D斷面法計算，Civil 3D體積法復核；對于維護性航道疏浚工程，計算斷面工程量僅可采用Civil 3D斷面法。

4.結論

（1）基于.NET二次開發的Civil 3D斷面法能夠建立航道疏浚模型和導出疏浚工程量，計算工程量與傳統疏浚軟件的計算誤差在2%以內，符合相關規范要求。

（2）對于需要準確計算設計斷面工程量而不關注超寬深工程量的情況，Civil 3D斷面法和Civil 3D體積法均體現出良好的適用性，可采用其中任一種方法計算，另一種方法復核。

（3）基建性航道疏浚工程，挖深較大，Civil 3D斷面法和Civil 3D體積法均適用。

（4）維護性航道疏浚工程，淺點較多，開挖較淺，Civil 3D斷面法適用，Civil 3D體積法不適用。