利用CIVIL 3D進行海港工程疏浚設計方法研究

張金中，郭春玲

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222）

引言

對于設計工程師來講，BIM ——建筑信息模型（Building Information Modeling）技術的應用，不單需要其可視性、仿真等表象特點，畢竟目前來講，設計出圖、審批和現場實施甚至于工程管理的依據仍然是二維設計圖紙，因此當前在設計工作中對BIM技術的應用，重點不應只在于工程可視模型的建立和三維展示，而是應用于工程設計中，以提高設計成果的質量、提高設計工作的效率、數據共享、協同設計、協調管理等幾個實用方面為目標，在這些基礎目標實現的同時，實現其可視化等展示功能。

大部分建筑信息模型更側重于建筑、結構的信息模型解決方案，對總圖專業介入不多，而AutoCAD Civil3D是基于AutoCAD平臺的BIM軟件工具，在土木工程中尤擅長提供道路、鐵路和土石方解決方案，在場地設計中也會顯現較大先進性，界面友好，對熟悉AutoCAD繪圖的工程師來講，很多命令共享，菜單格式相同，易于學習操作。

Civil3D已經有在國內外港口項目設計中運用的成功先例，本文以某南方海港工程設計為例，結合具體工程項目進行Civil3D建模研究，將BIM技術應用于項目工程平面設計、基槽挖泥、疏浚工程量計算及疏浚工程出圖等?？蔀轭愃乒こ烫峁﹨⒖?。

1 Civil3D在本工程的應用

Civil3D在本項目主要應用步驟包括建立原始地形曲面模型、建立地質模型、根據設計資料生成設計曲面（基槽挖泥和港池航道疏浚）、在新的場地計算并生成超挖曲面、優化設計、設計材質、采樣、用多種方式分部計算基槽和港池水域疏浚工程量、自動繪制橫斷面圖紙等。

1.1 建立基礎數據曲面

在Civil 3D中，曲面是基礎的數據表現形式之一，地形曲面是使用原始測量數據創建的，準確創建地形曲面是保證工程量接近真實情況的前提條件。本項目通過定義工程區域水深測量圖中的水深點文件生成原始地形曲面，根據地勘資料建立的分層地質曲面及實體模型，在Civil 3D中可對該模型進行各個角度不同斷面的分析展示。地質和測量資料更新后，可以重新生成或者加載已經建成的原始資料曲面，隨著設計階段的深入，地勘測量資料的完善，這種便捷的更新可為工程的實施減少必要的設計修改時間。

1.2 建立設計曲面

建立三維多段線，將基槽、港池、航道底面設計標高作為多段線標高，或者生成.csv文件導入新建曲面，作為設計曲面的邊界，即疏浚邊界及其相應的高程關系。然后根據設計條件選擇放坡標準，本工程選擇曲面-挖方標準放坡到原始地形曲面。本區域開挖至不同的設計底高程，不同的設計高程區域采用按1：5、相對高差放坡生成內部邊坡。根據實際地質情況，選取合理的疏浚邊坡坡度，基槽放坡按相關規范執行，港池航道水域數據邊坡由設計區域的邊界按12類以上疏浚土層1:2，12類以下疏浚土1:5的二級邊坡分兩次生成放坡至原始地形曲面。根據地質模型分析，優化調整基槽挖泥和港池疏浚方案。通過原位復制、曲面-定義粘貼合并，模擬出設計完成后的曲面狀態。

1.3 疏浚土類——材質的定義

為便于準確統計疏浚工程量，Civil 3D中對各個不同土類進行材質定義，可以更準確的根據地質模型控制各疏浚土類的工程量。

對于地質曲面，在地質資料中按每種疏浚土類的頂面標高生成曲面，兩個曲面之間即為對應的數據量，要按照滿足疏浚要求的土層分類進行土層的定義，當鉆孔上的土層分布不連續時，設置多個同類疏浚土層，在最后工程量中合并。

計算分類土體體積可采用以下幾種方法，直接計算方法一種是在放坡面板中分別求各地質地層曲面到設計曲面的體積，得出各數據土層的體積；另一種思路是在分析-體積面板創建體積曲面，形成每層土體的厚度，然后分別去和設計曲面做為基準計算體積，這種方法在土類比較多時需要進行多次放坡體積計算，在表層地質曲面與地形有交叉時候部分設計量不夠準確。

在根據輸入資料預先設定材質條件，可以界定最上層土類標高需小于地形標高等限制條件，按一定采樣線間距自動生成的斷面圖中，能直觀統計出不同疏浚土類的疏浚量。在基槽挖泥遇到需要挖巖等重點處理土類，經論證后進行優化。本工程對各個地質曲面進行橫斷面采樣，在材質中定義不同土類的計算，每個斷面可以得到累積的疏浚量。不同土質的疏浚邊坡不同也可以準確計算并傳遞體現在斷面圖中。

圖1 航道疏浚斷面示意圖

1.4 工程量計算

在Civil 3D中，根據放坡進行土方計算，土方計算可采用放坡工具體積計算，也可以根據廣義的兩個曲面求差，即軟件自帶的分析功能體積面板下建立體積曲面，利用三角網體積曲面法求疏浚量，直觀來講，這種計算結果更接近實際發生的疏浚量。輸出設計成果的計算方法可以在Civil 3D一鍵生成土方網格施工圖，也可以采用斷面法出圖。本工程基槽挖泥采用網格法計算生成挖泥量，港池航道疏浚設計結合實際工程實施管理，擬采用斷面法生成結果：設覆蓋全疏浚范圍的采樣線，對完工曲面與原始地形曲面進行橫斷面采樣，按照一定的里程間距，進行體積累計計算，保證采樣線覆蓋整個疏浚區域的前提下，最后一個斷面的累計土方量也就是項目全部的疏浚量。疏浚工程量可根據設計條件的輸入，可以在Civil 3D中自動生成，傳遞性好，在設計條件比如測圖、地質資料的更新中，該表格可以自動更新，不需要重新建模。港池區域可采用網格法計算。經幾種計算方法相互校核，設計量差值基本在2 %以內。

此計算結果經過與我公司開發且經過多年運用驗證計算準確的“三維地質地貌模型及土方CAD系統程序”計算結果對比，得出的疏浚土方相當，進而驗證了計算結果的準確性。準確定義材質后，其中斷面法能夠列表體現各種土類工程量，不需要多次運算。

表1 不同方法疏浚量對比表

1.5 主要地質曲面與設計底面交線

為了在平面圖范圍內標注重點土類的疏浚范圍，對如炸巖等范圍做出直觀的重點提示，通過軟件的數據分析功能，生成12類、13類、13類以上土類等重點疏浚土類與設計面的交線，對碼頭區可以反應出工程區域地質條件分布情況，疏浚區域直觀展示出重點土類的分部范圍，為實施等工程管理做好準備。

圖2 重點疏浚土類分布展示示意圖

2 設計成果輸出

2.1 設計圖紙

在設計條件輸入之后，可以通過Civil 3D自帶的土方施工圖功能生成設計疏浚網格圖，反應基槽挖泥量、港池航道水域疏浚工程量。能對重點區域進行把控，圖3為網格土方施工圖的示意。

通過引進Civil3D正向設計，可以在設計完成后，按其自帶的出圖功能生成斷面圖組，可批量對其表達形式、格式、顯示內容進行統一調整，再通過預先設置的圖框圖幅保存為模板文件，啟動時調用模板文件，統一創建圖紙，設計中能夠避免人工繪圖誤差，同時這個功能在設計修改中能夠較大提高工作效率。

圖3 土方疏浚網格計算圖示意圖

圖4 設計圖紙出圖示意

2.2 設計成果三維展示

通過引進Civil3D正向設計，可以生成最終完工后的一個Windows Media文件，動態漫游預覽展示，為非工程技術管理人員提供概念展示。

圖5 三維動態漫游示意圖

3 結語

與傳統的土方計算軟件相比，Civil3D輸出成果的特色在于其橫斷面可根據平面（三維）數據自動生成，避免了手算的人為錯誤與誤差，在修改時能縮短設計時間，為工程實施過程中提供更先進的工期保障。能夠自動、直觀在斷面中標示出不同地質土類的疏浚斷面；通過軟件的數據分析功能，自動在平面圖范圍內標注重點土類的疏浚范圍，對比如碼頭基槽區地質分布、疏浚區炸巖等范圍做出直觀的重點提示。無論是設計、施工、全過程工程管理中都能起到質量控制、提高精度、提高效率乃至合理控制造價的作用。

綜上，我們在疏浚工程設計中引入BIM技術，可以帶來很多與傳統設計方法不同的益處：

1）根據測圖和地質報告建立的地形和地質曲面模型可以在設計、實施、工程管理全階段使用，一次建模多次共享；模型展示更加直觀，對專業技術人員可以直觀校核設計錯誤；對非專業工程技術人員更加友好，可給出工程實體概念；

2）提高疏浚工程量計算精度，提高設計成果質量，對重點土類的工程量和平面分布把握更加準確，更利于進行造價控制和后續的施工管理；

3）對設計人員提高設計工作效率，節省畫圖等簡單重復時間，自帶施工圖出圖功能設置后可進行批量繪圖。尤其設計修改時，修改輸入數據，相應設計文件理論上可同步傳遞更新，比傳統設計更容易減少重復操作，為項目方提供更好的服務。

Civil3D有很強大的功能，在土木工程、尤其道路等行業中應用更為有利，有的功能需要基于相應的行業，結合其它設計軟件來實現；而土石方部分功能應用于港口疏浚工程設計針對性較強，通過本工程的驗證能夠較好提高設計工作效率，提高設計工作質量，運用得當，對后續的工程管理也將提供一定幫助。