BIM技術在巢湖湖區航道養護中的應用探索

摘要 近年來，隨著高等級航道不斷建設，航道養護管理任務隨之增加，給內河航道養護和管理工作帶來不少的困難和問題。文章探索運用BIM技術進行航道養護信息化深度應用，通過應用思路整理、航道案例分析，闡述BIM技術在航道養護分析中的具體實施步驟。結果表明BIM分析思路及方法具有效率和效果上的優越性，可提升航道管理工作中的數字化和智能化水平，為類似工程分析提供參考。

關鍵詞 BIM技術；航道養護；數字化；智能化

中圖分類號 U617 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）07-0027-03

0 引言

內河航道是我國交通運輸領域基礎設施重要的組成部分。水路運輸方式運量大、環保、運費低，適于運輸大宗長距離的貨物，使得水路運輸總發送量逐年提高。隨著我國市場經濟不斷發展，運量不斷增長的需求促使水路運輸船舶的發展呈現標準化、大型化的趨勢，這對航道的建設、管理和養護也提出了更高的要求[1]。

航道維護是改善航道通航條件，保證航道暢通和航行安全的必要環節。由于受資金及投入限制，目前各地內河航道維護及管理水平和信息化程度還較低。隨著內河航道網絡的不斷建設和完善，養護里程逐年增加，內河航道養護工作將面臨嚴峻挑戰，航道管理與養護任務將更加艱巨[2]。

航道工程的特點是覆蓋的空間范圍較大，工程所涉區域呈條帶狀分布，且航道航行條件與水下地形地貌、水文氣象等信息緊密相關[3]。而BIM技術因其具有可視化、信息互通性強等特點，已經應用于航道工程項目的前期決策、勘察設計和施工階段，在提升項目生產效率、提高工程質量、縮短工期、降低建造成本等方面發揮了重要作用[4]。該文以巢湖湖區某口門航道為例，研究基于BIM技術的數據集成、模型構建和航道現狀分析的方法，以期為航道養護決策提供參考，為建設暢通、高效、綠色、平安的航道體系提供保障。

1 航道概況

1.1 地理位置

巢湖位于長江水系的下游，南淝河、派河、杭埠河等主要入湖河流呈向心狀匯入，湖水主要靠地面徑流補給，裕溪河是巢湖通往長江的唯一水上通道。巢湖各支流源近流短，汛期水流挾泥沙而下，至入湖口門處由于地勢低平，流速減緩，泥沙淤積導致枯水期通航水深不足，易導致船舶擱淺等事故。為保障通航安全，需定期對口門航段進行觀測。該文觀測航段位于巢湖各支流入湖口門區，觀測各航段建設情況見表1。

1.2 水文條件

巢湖水域面積大約為770 km2，湖岸約以1/1 200的緩坡傾向湖底，湖底平坦、水淺、流速慢。該次研究將巢湖中廟水文站作為特征水位分析的基本站，中廟站近年來實測逐月平均水位見圖1。水文資料統計顯示，巢湖多年平均水位為7.1 m，水文年內正常蓄水位為6.5～7.1 m，平均水深約3.3 m?，F場底沙取樣分析研究表明，巢湖湖區底沙粒徑較細，其底質以粉粒為主，細砂、黏粒次之。底沙中值粒徑約0.01～0.03 mm，平均中值粒徑約0.02 mm[5]。

1.3 氣象條件

根據巢湖附近廬江氣象站資料，統計巢湖湖區全年風向，見圖2。該地區地面平均風速為2.6 m/s，基本上呈現為東春風速較大，夏秋風速較小。從風向上看，偏西風至偏北風（SSW向和NNW向）風向風區長、平均風速較大，年平均風速在3.2 m/s以上。南南東（SSE）風向最小，年平均風速為2.2 m/s。

2 BIM技術應用思路

Civil3D是Autodesk公司為土木與基礎設施行業提供的三維設計BIM軟件，其提供強大的地形數據處理功能和參數化設計功能，能夠快速生成原始地形曲面和道路設計曲面，且具有對曲面進行高程、坡度等主題分析的功能。利用Civil3D的三維建模和地形處理功能，可以實現航道養護的BIM應用，BIM應用思路見圖3。首先，分析年度各階段出現的特征水位，并利用水下地形測量技術對航道航槽地形進行測量；根據水下地形測量數據生成對應的航槽地形曲面模型；結合特征水位和航道養護標準創建參數化航槽模型；整合地形模型和參數化航槽模型，進行航道現狀分析，包括沖淤部位分析、沖淤量分析、疏浚量分析及斷面分析；最后輸出設計成果，包括施工圖紙、工程量、三維實體模型等。

3 BIM航道分析方法

3.1 創建航槽曲面模型

根據水運工程相關測量規范，在巢湖湖區各口門段觀測區布設E級平面控制網和四等高程控制網，測量點間距不大于4 m，測量斷面間距不大于20 m，地形基本等高距為1 m，生成各觀測區的水下床底高程測量圖。對于需要表現局部地區細節特征而地形較為復雜的重點觀測區域，需進一步對測量數據進行精化，生成局部等高線、特征點、特征線等數據，從而更好地反映航槽形態和地形起伏特征。

測量數據導入Civil3D軟件后，利用曲面處理功能可快速生成觀測區域的航槽地形曲面，利用曲面檢查功能，可快速對測量數據中的異常點進行處理。同時，曲面的高程分析、等高線著色等功能可以直觀地顯示各觀測段的地形特征，增強地形模型的可視化效果，使河床特征的顯示更加直觀。

3.2 創建航道模型

根據航道的原始設計資料對航道的航槽斷面形狀進行參數化平縱建模。平面上使用路線編輯工具生成航道走向路線；通過使用Civil3D附帶的部件編輯器模塊，采用可視化的控制流程生成標準航槽斷面，同時將長度、坡度等控制參數賦予部件的各點、連接組件，最終生成各口門段航槽的參數化斷面裝配模型。

由巢湖湖區的水文資料分析巢湖湖區口門航道維護的控制水位，根據航道維護水深確定航道維護的底高程，生成航道走向的縱斷面控制模型。通過Civil3D的道路創建功能，將航道走向、斷面裝配模型和縱斷面模型組合成道路組件，并設置道路的邏輯目標，如目標高程、目標曲面等參數，形成航道航槽的BIM模型，并生成航槽的地形曲面。

3.3 航道沖淤分析

數字高程模型是一種表示地形的空間數據模型，它把表示地形的三維坐標按一定結構規則組織起來，用來描述地形的高程分布和地形起伏的特征。Civil3D的曲面功能除實現數字高程模型外，還附加了高級的曲面分析功能，如等高線、高程、坡度坡向、坡面箭頭、流域匯水、跌水路徑和視距分析等。此外，Civil3D的體積曲面還可以基于兩個曲面中的點的組合，通過從復合三角網直線創建棱（柱）體線段的方法，將二維曲面轉換為三維體積，從而實現三維建模與分析。

根據該觀測年度的航槽曲面模型，在Civil3D曲面分析模塊中利用該年度內兩次觀測的航槽曲面組合為體積曲面；通過體積曲面的高程分析功能進行曲面交叉計算，利用高程差分析計算出兩次觀測的航槽曲面差異的厚度分布，根據厚度值的范圍及顯示間隔可配置相應的調色板，使得航槽的淤積位置和淤積量可以直觀地通過分析區域著色顯示，如圖4所示。巢湖某口門航段該觀測年度大部為淺淤狀態，淤積量在0.2 m以下。

3.4 生成疏浚施工圖

利用Civil 3D軟件道路采樣功能可以在沿航道走向的任意位置快速生成航道現狀及疏浚斷面圖，如圖5所示。由于采樣線具有與道路模型的動態關聯特性，采樣線可對航槽現狀地形和以特征水位為參數的航道維護模型進行動態采樣，通過調整特征水位參數，可實現一套養護模型生成多套養護方案斷面，顯著提高了工作效率。

根據Civil3D強大的模板化功能，可編制定制化的施工圖出圖模板，提高了BIM軟件的實用性和出圖效率。通過編制標準化橫斷面圖樣式模板，可配置圖形顯示的水平、垂直比例、圖樣柵格裁剪風格、標題內容和樣式和橫縱軸等信息，并可對土方挖方區域填充圖案進行設定。另外，將圖形模板與標簽模板進行整合，可實現斷面線條的靈活標注，如斷面上點的高程、位置等。

3.5 計算維護疏浚量

應用Civil3D的采樣挖填方功能，結合疏浚土類型信息，可對維護疏浚量進行精確計算。基于航槽的道路放樣模型和航槽地形模型，通過設定一定的采樣線間距，利用軟件的材質功能定義原地形面及施工曲面，可以使用平均端面積法計算出疏浚土的疏浚量。

此外，通過將航槽地形模型及道路放樣模型進行疊加，形成體積曲面三維實體。利用體積曲面的高程分析功能并設定零高程等分，可以方便地生成待疏浚區域的三維實體模型；通過體積曲面的查詢功能可直接得到工程的挖方疏浚量。三維實體使重點疏浚區域具有更好的可視化效果，可為維護性疏浚工程施工模擬提供模型基礎。

4 結語

（1）通過研究模型建立、信息整合、參數化分析，形成了一套針對航道養護BIM應用的整體技術路線和方法。經過實踐，該路線可行，方法可靠，可對航道的各項現狀指標進行分析評估，促進BIM信息模型應用的深化。

（2）通過BIM軟件在航道養護分析中的應用，航道現狀通過三維展示，更加直觀，提高了生產效率，使傳統的分析流程簡單化、流程化，把更多的時間從繁雜的二維分析中解放出來，用于優化養護方案，提高了航道養護和管理的品質。

（3）BIM技術的深化應用推進了航道養護分析技術從二維向三維的轉換，完善了航道BIM信息全生命周期的循環過程，為航道信息在整個生命周期中的傳遞提供了應用支持。

參考文獻

[1]楊必榮. 分析新形勢下的航道養護管理模式[J]. 山東工業技術， 2018（12）： 243.

[2]袁媛， 趙龍. 國內外內河航道養護發展比較分析[J]. 中國水運， 2017（1）： 42-45.

[3]程健， 賴普文. 內河航道安全管理與維護研究[J]. 中國水運， 2017（4）： 38-39.

[4]黃智， 楊彪. BIM在海外某港口疏浚工程中的應用[J]. 水運工程， 2020（11）： 147-150.

[5]徐華， 夏云峰， 王登婷， 等. 風浪對引江濟淮工程白石天河口門航道影響研究[C]//. 中國海洋工程學會. 第十九屆中國海洋（岸）工程學術討論會論文集（下）， 北京：海洋出版社， 2019： 367-372.