基于BIM 技術的航道疏浚工程土方量的計算

劉俊舒，喬菲菲

（1.中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300200；2.中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032）

在項目的設計和施工階段，疏浚工程土方量的計算是必不可少的，而且場地高程計算數據的數量和質量要求相對較高。雖然現在有土方計算軟件可以計算土方工程量，例如HTCAD，CASS 等，但大多數軟件只增強了計算方法的多樣性。數據的篩選，計算的準確性以及3D 模型的支持仍然缺乏[1]。

國內一些學者也有相關研究，王偉等利用Civil 3D、Subassembly Composer（部件編輯器）、Infraworks設計軟件實現內河航道疏浚工程和護岸工程的參數化設計和可視化展示，并進行橫斷面定制、標簽定制、模板文件定制等二次開發，提出適用于內河航道工程三維正向設計和可視化演示的技術方法[2];鄒紅霞等利用Civil 3D 軟件進行疏浚工程場地設計、利用 Civil 3D 地質模塊拓展包 Geotechnical Module 計算各類土層的疏浚工程量[3]；陳懿強等采用CIVIL 3D 分別建立了不同內河的地形模型，并用曲面放坡和距離放坡建立了疏浚模型，計算了航道的疏浚工程量[4]；趙麗等采用CIVIL 3D 建立了上海市某兩條內河航道的部分地形模型，并用斷面法建立了疏浚模型，計算了航道的疏浚工程量。所得數據與傳統方法所得數據相差5%以內，符合工程實際，驗證了模型的正確性[5]。

本文提出使用BIM 設計軟件來構建設計3D 模型，并使用Autodesk Civil 3D 軟件來協助設計。Civil 3D 是Autodesk 在基礎設施行業中的多域一體化3D 設計軟件。廣泛用于測繪，地形，巖土工程，土地規劃等領域[6]。它可以分析和記錄測量數據，創建3D 地形，設計各種道路、航道的線路。

1 計算原理及方法

Civil 3D 中的曲面分為兩大類：一種是真正意義上的“曲面”，一種是“體積曲面”。按照剖分形式的不同，它們又各自分為“三角網”和“柵格”，合起來有四種。

（1）三角網曲面。三角網格曲面由任何一組點的Delaunay 三角剖分形成。要創建構成三角形的三角形網格線，Civil 3D 會將最近的曲面點相互連接。通過插入點所在三角形的頂點的高程來定義曲面中任何點的高程。

（2）柵格曲面。柵格曲面由常規網格上的點組成。我們可以通過軟件創建柵格曲面或從DEM 文件直接導入柵格曲面。

（3）三角網體積曲面。三角體積曲面是由控制曲面和基準曲面中的點的組合創建的組合曲面，也稱為差異曲面。體積曲面中任何點的Z 值恰好等于該點處控制曲面和基準曲面的Z 值之間的差值。

（4）柵格體積曲面。柵格體積曲面是基于指定基準曲面和控制曲面之間的差值，柵格間距和柵格方向的柵格曲面。此外，在曲面使用特征線功能可以使建成的3D 模型與實際地形一致[3]。

2 實例應用

2.1 項目概況

本研究依托唐山港某航道工程，工程是在原20 萬噸級航道基礎上擴建為25 萬噸級。

2.2 模型建立

運用Civil 3D 的點創建和曲面定義功能，生成本工程的原泥面。

圖1 原泥面生成

可以根據原泥面模型清晰地看出原20 萬噸級航道的地形情況。并可根據顏色的深淺判斷水深的不同。

航道的斷面尺度根據下表的尺度進行模型建立。

表1 航道斷面尺度

對于航道斷面的建立，目前有兩種主流方法。一是運用特征線生成設計曲面，并利用Civil 3D 的放坡功能進行模型建立；二是運用Autodesk Subassembly Composer 軟件進行裝配定制。第二種方法的優勢在于進行斷面法出圖的同時，可以對斷面圖進行符合水運系統出圖習慣的深度定制。

圖2 運用Autodesk Subassembly Composer 軟件進行航道斷面設計

2.3 斷面圖的生成

根據國家標準JTS181-5-2012《疏浚與吹填工程設計規范》[7]中規定“疏浚工程的計算斷面工程量可采用斷面面積法、平均水深法或網格法進行計算”；JTS110-7-2013《水運工程施工圖文件編制規定》[8]中要求，“疏浚土方量宜采用斷面法計算”。下圖為運用傳統方法繪制的航道工程斷面圖。

圖3 傳統方法繪制的航道工程斷面圖

對于傳統方法繪制的航道工程斷面圖，有以下幾個弊端。

（1）大量重復性工作，易出錯，且后期改圖工作量很大；

（2）設計人員在繪制原泥面線時，受制于個人主觀原因和測圖密度原因，無法精確繪制；

（3）根據JTS181-5-2012《疏浚與吹填工程設計規范》規定的斷面工程量計算公式：

V－挖槽斷面工程量；

A－分別為各計算斷面上的疏浚面積；

L－分別為各斷面間的間距。

設計人員根據繪制的斷面圖進行每個斷面的面積計算，再運用Excel 等工具進行總挖方量的計算。但斷面繪制得不精確或設計人員失誤等人為因素會導致工程量也不準確。

（4）一般在施工圖階段，設計人員會視斷面變化復雜程度以1000m，500m 或200m 為間隔繪制斷面，加密斷面間隔會導致成倍地增加繪圖工作量。

對于以上四點，基于BIM 技術的繪圖技術可以很好地解決這些問題。

圖4 Civil 3D 繪制的航道工程斷面圖

（1）運用BIM 技術在設置好出圖模板后，可以一鍵出圖，后期改圖只需對模型修改，斷面及工程量表均實時變化，改圖工作量大幅減少；

（2）斷面圖生成的原泥面線為實際泥面線（測圖），完全排除了人為因素的影響；

（3）工程量生成均為程序自動完成，且斷面面積為自動計算；

（4）斷面間隔可以自由設定，并不會增加設計人員的工作量。

2.4 斷面圖的生成

運用BIM 技術的另一個優勢就是工程量可以快速生成并予以呈現，同時數據為動態更新，模型變化，工程量同時變化，為后期改動提供的了非常大的便利。依托本工程運用BIM 技術計算的總工程量與傳統方法計算的工程量差距在2.4%。

圖5 Civil 3D 生成的工程量表

3 結語

相對于傳統的CAD 挖方計算方法來說，運用Civil 3D 軟件在兩個不規則曲面進行計算時更為方便靈活，更為直觀、準確。更為重要的是，作為BIM 設計軟件，動態設計有著非常重要的應用，對于挖方計算及圖紙修改提供了極大的便利。