Civil3D 在重力式碼頭工程中的應用

冀坷帆，李嬌嬌，崔冠辰

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300220）

引言

水運工程由于其行業特殊性，場地條件復雜，構件標準化程度低，使得BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）技術的推廣較為緩慢，由于BIM 技術先進的理念滿足了水運行業專業化、自動化和集成化的發展要求，因此在水運工程領域大力推進BIM 技術落地應用成為大勢所趨。

在水運工程建設領域，工程規模往往較為浩大，在重力式碼頭結構建設尤其是沉箱重力式碼頭建設時，會涉及到大型的基槽開挖和拋填工程，由此也會形成大量的挖填土石方量。目前工程設計人員在進行基槽開挖設計時，一般都是根據開挖原則通過空間想象直接利用CAD 進行二維圖紙設計，統計工程量也是根據二維設計圖紙進行體積運算，這樣的方式往往導致設計人員的工作量巨大，計算結果也容易存在較大誤差。因此，如何采用便捷精確的方法進行基槽開挖設計成為設計領域一個亟待解決的問題。

AutoCAD-Civil3D是Autodesk公司推出的一款面向基礎設施行業的建筑信息模型（BIM）解決方案，與AutoCAD 一脈相承，是BIM 技術領域的一個重要組成部分。主要應用于城市規劃、交通工程等領域[2]，在水運工程領域Civil3D 的應用較少，主要用于勘察工程以及陸域工程創建場地，用于航道工程設計開挖航道以及疏浚量統計，或是港口工程港池場地設計等。

本文基于茂名港某液體化工碼頭，研究當基槽開挖情況較為復雜時如何運用Civil3D 解決此設計難題。本文基于實際工程項目總結了傳統方法在繪制二維圖紙和挖填方工程量計算中存在的問題，對利用Civil3D 進行圖紙設計和挖填方工程量計算原理及操作流程進行梳理和研究，并與傳統方法進行對比分析，驗證了Civil3D 在圖紙設計和計算挖填方工程量方面的便捷性和準確性，解決了傳統二維設計計算時的難題。

1 Civil3D 在重力式碼頭工程中的應用

1.1 工程背景

茂名港某液體化工碼頭擬新建3 個油品化工泊位及配套設施，碼頭設計年吞吐量為510 萬t，呈L型布置，包括兩個5 萬t 級泊位（E10 和E12 泊位）和一個1 萬t 級泊位（E11 泊位）。水工建筑物主要為碼頭及碼頭后方管廊橋。

擬建碼頭區域地質條件的特點是巖面較淺，參照相鄰工程碼頭的結構型式，本工程碼頭首選的結構型式為重力式結構，持力層為強風化巖。為了最大限度減小對水動力條件的影響，增加水體交換，采用重力墩式結構。

E10 泊位為5 萬t 級油品化工泊位，由工作平臺和系纜墩組成。工作平臺長度100 m，兩側各布置有三個系纜墩，工作平臺由斷面方向4 排9 個沉箱組成。E11 和E12 泊位等級分別為1 萬t 級和5萬t 級，墩式布置，由工作平臺和系纜墩組成，E11泊位工作平臺長59.0 m，由兩排共5 個沉箱組成，E12 泊位工作平臺長193.0 m，由兩排共16 個沉箱組成。E11 和E12 泊位共用位于兩個泊位之間的三個系纜墩，E11 泊位東側和E12 泊位西側各布置有兩個系纜墩，系纜墩沉箱與E10 泊位相同。

本工程項目的基槽設計較為復雜，一是碼頭結構持力層為最下層的強風化巖層，基槽開挖要分土層設計放坡規則并統計開挖量，二是由于結構透空性的要求，所以部分沉箱間距較大，為盡可能減少工程開挖量，間距較大的沉箱墩設計為一墩一槽，避免成片開挖，這就導致相鄰沉箱基槽的邊界存在相互交錯的部分。這些都給工程設計人員帶來很大的困難。

圖1 沉箱排列圖

1.2 應用Civil3D 進行基槽設計

基槽設計是本工程的設計難點之一，基于本工程，筆者總結出應用Civil3D 進行基槽開挖的技術路線，如圖2 所示：

圖2 基槽開挖技術路線

下面筆者將詳細闡述運用Civil3D 進行基槽設計的步驟。

第一步創建原始地形曲面，可以利用外部點文件或是dwg 文件中的有效數據創建，本工程地形文件數據為帶有三維坐標的塊參照，在Civil3D 中可以直接利用，生成的原始地形曲面如圖3。

圖3 原始地形曲面

第二步創建地質曲面。對于水工結構而言，不同的地質采用的放坡規則是不同的，開挖的工程造價也不相同。因此我們需要根據鉆孔的地質分層，建立不同地層的坐標信息文件，然后通過識別外部點文件的方法分別創建不同地質的地質曲面。

第三步，創建設計地形曲面。這個曲面的創建是運用Civil3D 的要素線功能繪制一個曲線圍成的輪廓，然后確定放坡規則之后進行放坡操作并生成放坡曲面，最后將繪制的曲線輪廓與放坡曲面相結合進行填充生成最終的完工曲面。生成的挖泥輪廓和拋石輪廓由圖4 和圖5 所示。

圖4 基槽開挖輪廓圖

圖5 基床拋石輪廓圖

Civil3D 理論上可以對放坡相交的部分進行自動處理，但有的部分自動處理的結果不能滿足我們的要求，這時我們可以采用分段放坡并插入過渡段的方法進行手動處理使其滿足我們的要求。有了曲面相交產生的輪廓，只需要把這個輪廓提取出來，然后依據行業制圖標準進行標注出圖就可以了。圖6 展示了基槽挖泥圖的局部詳情，可以看出由Civil3D 生成的開挖輪廓更加接近真實情況。

圖6 基槽挖泥圖（局部）

在傳統設計中，設計基槽挖泥圖和基床拋石圖的難點主要在于不同放坡相交之后的不規則邊界部分的繪制，運用傳統方法要繪制出相交邊界需要消耗設計人員極大的精力和時間，而且準確性也不能保證，這為工程設計人員帶來很大的困難，靈活運用Civil3D 可以避免傳統設計中繪制相交部分輪廓的困難，大大提高了工作效率準確性。

1.3 應用Civil3D 進行工程量計算

1）傳統計算方法

挖填方工程量計算的本質是體積計算。傳統的挖填方工程量計算方法是根據地形信息基于微分思想將要計算的區域進行近似簡化，然后運用簡單的幾何體積計算直接計算結果。傳統方法的弊端主要在于：①對地形的適用性較低，當地形較為復雜時，若要保證精確度則計算難度較大且計算效率低下，若簡化成易于計算的相近體積，則精確度大大降低。②由于涉及到微分思想，通常要將計算區域分成多個部分進行分別計算然后匯總，計算過程較為繁瑣，且不可避免的會出現差錯。③目前行業中已有一些用于土方量計算的軟件，如HTCAD 軟件，CASS 軟件[3]，飛時達土石方計算插件[4]等，但這些軟件都存在各自的局限性，不能很好的滿足重力式碼頭工程對于挖填方工程量的計算需求。

2）Civil3D 計算方法

Civil3D 中計算土方體積的方法有兩種。第一種是放坡體積法，當使用放坡工具創建了放坡時，可以調出放坡體積工具，計算放坡組體積。該工具計算的放坡體積是整個放坡組中所有放坡的體積，若需分別計算，則要把放坡放在不同的放坡組中。第二種方法比放坡體積工具更為精確和便捷，稱為曲面體積法。簡單而言就是求設計曲面在原地面基礎上的填方量和挖方量，基本邏輯是：

放坡曲面+曲面A=挖方A+填方A （1）

放坡曲面+曲面B=挖方A+挖方B （2）

挖方B=（2）式-（1）式

圖7 曲面體積法計算圖式

曲面A 和曲面B 代表兩個地質曲面，綠色的線代表放坡曲面，第一步將放坡曲面與曲面A 進行曲面體積運算得到的結果是挖方量A+填方量A（在Civil3D 中挖方量和填方量用不同的顏色進行區分，其中填方量A 是我們不關心的數據），第二步將放坡曲面與曲面B進行曲面體積運算得到的結果是挖方量A+挖方量B，第三步用第二步的結果減去第一步的結果即得到挖方量B 的結果，同理，若果還有第三層地質曲面C，則用A+B+C 的結果減去A+B的結果即可得到挖方量C 的計算結果。更多土層則以此類推。

采用此法計算體積時，軟件會基于基準曲面和對照曲面生成一個體積曲面參與運算，通過該曲面中提供的基準曲面和對照曲面之間的精確差值來實現，運用曲面體積法計算時的計算精度與劃分曲面的網格大小有關系，網格越小則計算精度越高。

1.4 工程量結果對比

下面將Civil3D 計算的E10 泊位基槽開挖量與傳統方法計算的基槽開挖量結果進行對比：

表1 計算結果對比

根據計算結果，發現二者相差不是很大，理論上而言，Civil3D 的計算結果更為準確可靠。

2 結語

對于較為復雜的基槽開挖，通過傳統的二維設計工具來繪制基槽挖泥圖、基床拋石圖和計算挖填方工程量是很費時費力的。通過人工計算來分地質統計開挖工程量，既不夠準確又需要耗費很長的時間，生產效率很低。重力式碼頭結構尤其是沉箱結構往往涉及到較為復雜的基槽開挖，因此，本文結合茂名港某液體化工碼頭的實際設計經驗，詳細闡述了如何利用Civil3D 軟件進行基槽開挖的相關設計，總結了Civil3D 在重力式碼頭工程應用中所體現出來的優勢。主要有以下幾點：

1）利用Civil3D 進行實際地形的三維設計，適用性強，準確度高。

2）基于Civil3D 可以自動處理邊界相交的特性[6]，可以更為準確地繪制開挖以及拋填后的邊界輪廓，基于此可以方便地繪制基槽挖泥圖和基床拋石圖，不僅避免了傳統設計中繪制相交部分輪廓的困難，而且大大提高了工作效率和準確性。

3）利用Civil3D 的體積計算工具，可以根據放坡完成后的曲面直接提取不同地質的土方工程量，解決了傳統方法計算土方工程量的困難，大大提高了工作效率和準確性。

綜上所述，本文的研究在一定程度上填補了Civil3D 在水運工程尤其是港口工程設計領域應用中的空白，拓展了Civil3D 的應用廣度，為廣大水運工程設計人員提供了一種新的設計工具和設計理念。Civil3D 做為BIM 技術解決方案具有很強大的功能，可以應用的場景還有很多，例如在防波堤工程中的應用等，筆者后續將進一步結合實際工程背景深挖 Civil3D 的功能實用性，進一步拓展Civil3D 在水運工程領域中的應用。