BIM技術(shù)在航道疏浚工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

葉文欣

摘 要：通過分析Civil 3D和Infraworks軟件的特點(diǎn)，針對目前航道疏浚工程設(shè)計(jì)中存在的問題，提出了基于Civil 3D的航道疏浚工程BIM設(shè)計(jì)方法。通過對部件進(jìn)行二次開發(fā)，改進(jìn)Civil 3D的部分功能，優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中疏浚量的計(jì)算模塊。結(jié)果表明，采用BIM軟件對航道疏浚工程進(jìn)行設(shè)計(jì)，能有效提高設(shè)計(jì)效率，研究成果可為類似工程提供參考。

關(guān)鍵詞：CIVIL 3D;BIM;航道設(shè)計(jì)

中圖分類號：U616+.1? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）03-0141-04

1引言

BIM全名為建筑模型信息系統(tǒng)（Building Information Modeling），根據(jù)BIM建筑信息模型手冊（2013）定義，BIM將各個(gè)建筑元素建立起內(nèi)在的本身信息，并且整合建筑生命周期，使其能夠改良規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、操作、和維護(hù)的流程之模型系統(tǒng)，本質(zhì)是工程行業(yè)信息化的過程。它具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性、可出圖性等特點(diǎn)。

從2016年開始，國內(nèi)各水運(yùn)企業(yè)開始對BIM技術(shù)在航道工程中的應(yīng)用展開研究工作，主要集中在設(shè)計(jì)階段。

袁立莎[1]是國內(nèi)首批開展BIM技術(shù)在航道工程中的應(yīng)用研究人員之一。其依托長江南京以下12.5m深水航道二期工程，探討了主要整治建筑物的建模技術(shù)、工程量統(tǒng)計(jì)、沖淤分析、簡單出圖等。劉擎波等人[2]采用Civil 3D軟件，探索了BIM協(xié)助出圖、精確計(jì)量、沖淤分析等。何洋[3]依托黑沙洲航道整治二期工程，驗(yàn)證了Civil 3D在河床演變分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及方案調(diào)整、可視化交底等方面的應(yīng)用。于康康等人[4]結(jié)合舟山馬岙港區(qū)灌門航道炸礁工程，詳述了Civil 3D在航道炸礁工程中的應(yīng)用。金瑞等[5]通過自定義部件和模板的定制，實(shí)現(xiàn)了航道整治工程可視化、沖淤分析、整治建筑物建模、工程量統(tǒng)計(jì)及出圖等功能。王飛等[6]在Civil 3D軟件平臺基礎(chǔ)上進(jìn)行了一定量的二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了參數(shù)化自動(dòng)建模和超深超寬工程量的計(jì)算，在前人的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了突破。陳懿強(qiáng)等人[7]基于Civil 3D進(jìn)行航道中心線的擬定，進(jìn)行了一定量的二次開發(fā)和改進(jìn)，可滿足疏浚項(xiàng)目工程需求的出圖，大幅提高了工作效率。郭濤等[8]詳細(xì)地探討了BIM技術(shù)在航道建設(shè)全生命期中的應(yīng)用，指出了目前應(yīng)用仍處于發(fā)展階段，應(yīng)用平臺和軟件還不完善。

內(nèi)河航道項(xiàng)目屬于線性工程，在設(shè)計(jì)過程中存在方案頻繁變更調(diào)整等特點(diǎn)，傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)方法在面對方案比對或調(diào)整時(shí)，計(jì)算步驟繁瑣且容易出錯(cuò)，本文通過將Autodesk系列BIM軟件應(yīng)用到內(nèi)河航道的疏浚設(shè)計(jì)中，利用Civil 3D的對象功能實(shí)現(xiàn)智能化參數(shù)化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步完善BIM軟件航道疏浚設(shè)計(jì)流程，為目前軟件短板提出合理的解決方案。

2 BIM疏浚工程設(shè)計(jì)的優(yōu)越性

2.1傳統(tǒng)航道疏浚設(shè)計(jì)流程分析

一般航道疏浚工程設(shè)計(jì)思路為：①導(dǎo)入水深測圖;②確定航道平面;③確定疏浚底高程和航道邊坡;④運(yùn)用第三方插件或軟件進(jìn)行工程量計(jì)算;⑤繪制橫縱斷面圖;⑥套圖框出圖。

由于以上過程一般在AutoCAD軟件進(jìn)行，各設(shè)計(jì)要素未實(shí)現(xiàn)對象化，沒有建立很好的關(guān)聯(lián)，一旦設(shè)計(jì)過程中因方案調(diào)整導(dǎo)致設(shè)計(jì)參數(shù)或平面方案改變，則需要重新算量出圖，耗費(fèi)大量時(shí)間精力。

2.2 Autodesk Civil 3D軟件簡介

Autodesk Civil 3D是Autodesk公司推出的基于對象的三維可視化、面向基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)的BIM設(shè)計(jì)軟件。該軟件不僅包含了AutoCAD的全部功能，而且還具備三維動(dòng)態(tài)模型的設(shè)計(jì)功能，通過曲面編輯、路線創(chuàng)建、放坡等工具可實(shí)現(xiàn)工程的建模的設(shè)計(jì)計(jì)算。

由于航道工程一般為帶狀工程，該軟件在經(jīng)過一定的定制化后亦可用于航道工程設(shè)計(jì)。

2.3 Autodesk Infraworks軟件簡介

Autodesk Infraworks是一款基于GIS+BIM的可視化軟件，主要用于市政工程前期方案規(guī)劃。該軟件自帶高精度的衛(wèi)星云圖，可方便快捷地還原周邊場景，具備優(yōu)秀的實(shí)時(shí)渲染引擎及強(qiáng)大的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，可用于航道工程的可視化展示。

3 BIM疏浚工程設(shè)計(jì)流程

3.1建立地形曲面

在進(jìn)行設(shè)計(jì)之前，首先將測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成三維高程地形曲面。Autodesk Civil 3D軟件提供了多種數(shù)據(jù)格式創(chuàng)建地形曲面，如xyz數(shù)據(jù)、CAD圖塊、DEM數(shù)據(jù)等。

航道設(shè)計(jì)中常用的測量數(shù)據(jù)為.dwg格式水深測圖，一般可通過插件把水深數(shù)據(jù)換算為高程數(shù)據(jù)，再形成xyz格式數(shù)據(jù)集導(dǎo)入Civil 3D中，據(jù)此創(chuàng)建地形曲面。地形曲面具有三維可視化特性，可在圖形查看器直觀反映測量數(shù)據(jù)中的異常點(diǎn)，如圖1所示，并對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。

3.2 航道線布置

航道線主要包括航道中心線及航道左右邊線。Civil 3D的路線功能可用于創(chuàng)建航道中心線，創(chuàng)建路線的方法主要有“從對象創(chuàng)建路線”和利用“路線創(chuàng)建工具”創(chuàng)建路線。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，對于部分維護(hù)性疏浚工程，可采用“從對象創(chuàng)建路線”方法，把原有航道線（必須為連續(xù)多段線）直接轉(zhuǎn)化為路線對象;對于其他航道工程，應(yīng)用“路線創(chuàng)建工具”，設(shè)置航道的彎曲半徑，可便捷快速地布置航道中心線，軟件能自動(dòng)根據(jù)定義好的樣式為航道線布置樁號，并隨航道線的調(diào)整而調(diào)整。用“偏移路線”功能，選擇航道中心線生成航道左右邊線，在局部加寬段手動(dòng)調(diào)整。

3.3 縱斷面設(shè)計(jì)

在“地形曲面”和“航道中心線（路線對象）”的基礎(chǔ)上創(chuàng)建“曲面縱斷面”，生成縱斷面圖，在縱斷面圖上繪制“設(shè)計(jì)縱斷面”，用于控制航道設(shè)計(jì)底高程。對于內(nèi)河航道而言，設(shè)計(jì)水位往往是沿程變化的，Civil 3D的縱斷面可以自由繪制階梯型或者傾斜線段，工程量計(jì)算方法比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件更靈活、精確。

3.4 橫斷面設(shè)計(jì)

3.4.1 疏浚工程量計(jì)算方法

本文建立的疏浚工程量計(jì)算方法采用《疏浚于吹填設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的斷面面積法，內(nèi)河航道疏浚的斷面工程量的計(jì)算公式為：

式中，V 為挖槽斷面工程量（m3），A0、A1…、An分別為計(jì)算斷面上的疏浚面積（m2），L1、L2…、Ln分別為A0與A1、A1與A2…An-1與An 計(jì)算斷面間的間距（m）。

Civil 3D在生成航道模型（道路對象）時(shí)，會(huì)沿著航道中心線（路線對象），根據(jù)縱斷面線及橫斷面進(jìn)行運(yùn)算，算量規(guī)則符合規(guī)范規(guī)定的斷面面積法。

3.4.2? SAC創(chuàng)建橫斷面

Civil 3D自帶的Subassembly Composer（SAC）部件編輯器可通過可視化的軟件界面和圖形交互的形式，以繪制流程圖的方式創(chuàng)建自定義部件。創(chuàng)建部件是Civil 3D用于疏浚設(shè)計(jì)的重點(diǎn)內(nèi)容，應(yīng)定義合理的設(shè)計(jì)參數(shù)與邏輯目標(biāo)，包含設(shè)計(jì)底高程、超寬超深、設(shè)計(jì)邊坡等設(shè)計(jì)參數(shù)，以及通航水位等標(biāo)注文字在斷面圖上的位置參數(shù)。

部件編輯器創(chuàng)建的橫斷面部件優(yōu)點(diǎn)在于易上手、運(yùn)算速度快，不需要進(jìn)行二次開發(fā)。缺點(diǎn)是局限性較大，僅可用于泥面線在設(shè)計(jì)底高程以上，彼此不交叉的情況。為解決這一問題，下文簡要介紹通過.NET語言開發(fā)橫斷面部件的流程。

3.4.3? NET語言編寫橫斷面

部件定制開發(fā)通過Civil 3D提供的.NET API接口進(jìn)行，主要對GetLogicalNamesImplement、GetInputParametersImplement、GetOutputParametersImplement和DrawImplement方法進(jìn)行重寫。

開發(fā)流程主要為：①定義輸入輸出參數(shù)，獲取邏輯目標(biāo);②繪制部件默認(rèn)外觀;③用Profile類獲取設(shè)計(jì)斷面與地形曲面的交點(diǎn);④通過生成封閉的多段線獲取斷面疏浚面積;⑤封裝為.apk文件發(fā)布。部件參數(shù)列表如圖2所示。

本文主要采用本方法定制的部件用于疏浚設(shè)計(jì)。

3.5 橫斷面設(shè)計(jì)建立模型導(dǎo)出工程量及圖紙

在建立地形曲面、縱斷面和疏浚斷面（裝配）之后，便可選擇以上要素，輸入工程的設(shè)計(jì)參數(shù)，由軟件生成道路模型，如圖3所示，并自動(dòng)輸出工程量。在完成圖框、標(biāo)注、字體、斷面樣式定制之后，便可從模型直接生成設(shè)計(jì)圖紙。

當(dāng)需要調(diào)整設(shè)計(jì)方案時(shí)，只需要直接調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)或航道線，一鍵重新生成道路模型，軟件就會(huì)自動(dòng)更新工程量圖紙。

3.6 成果可視化

航道工程多為較長距離線性工程，工程范圍廣、跨度大，沿線與橋梁、船閘等涉航建筑物相互交錯(cuò)，因此對于航道工程的可視化，需結(jié)合地理信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)模型與GIS的融合，全面展示航道沿線的地形地貌，提高設(shè)計(jì)方案的表達(dá)能力。

Civil 3D的設(shè)計(jì)成果，可通過.imx格式導(dǎo)入到Autodesk Infraworks中，將航道布置、水深地形、橋梁、衛(wèi)片等信息整合并精準(zhǔn)定位，同時(shí)支持將河流、綠化、交通等信息進(jìn)行場景還原，盡可能還原設(shè)計(jì)對象與周邊環(huán)境的相互關(guān)系。還可根據(jù)需要對模型添加注釋，導(dǎo)出航道漫游視頻。可視化效果如圖4所示。

4工程應(yīng)用

采用本文建立的Civil 3D航道疏浚流程及二次開發(fā)定制的部件對某內(nèi)河航道進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證，一次實(shí)施建模、工程量計(jì)算等。通過建模，快速計(jì)算并導(dǎo)出工程量表。其中Civil 3D軟件疏浚工程量計(jì)算結(jié)果為3047326.06m3，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件計(jì)算結(jié)果為3081494.99m3，兩者相差小于±5%，計(jì)算結(jié)果誤差在可控范圍內(nèi)，符合相關(guān)規(guī)范要求。

5結(jié)語

（1）用Civil 3D進(jìn)行疏浚工程三維設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)參數(shù)、三維設(shè)計(jì)模型、二維圖紙與工程量之間能夠?qū)崿F(xiàn)前后動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)，當(dāng)需要對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行更改時(shí)，只需調(diào)整斷面參數(shù)或航道線，一鍵更新航道模型，圖紙及工程量會(huì)自動(dòng)隨之變化，極大地減少了由于方案調(diào)整帶來的設(shè)計(jì)工作量，提高了設(shè)計(jì)效率。

（2）通過將設(shè)計(jì)模型與衛(wèi)星云圖關(guān)聯(lián)，利用Infraworks進(jìn)行可視化展示，建立航道工程的電子沙盤，可精確定位工程地理位置，全面反映設(shè)計(jì)對象與周圍環(huán)境的相互關(guān)系，在此基礎(chǔ)制作的工程漫游視頻可清晰準(zhǔn)確地展示工程整體情況，提高設(shè)計(jì)方案的表達(dá)能力。

（3）后期可通過定制Civil 3D的規(guī)范規(guī)則，結(jié)合AI算法等實(shí)現(xiàn)航道的智能化設(shè)計(jì)。

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