張金中，郭春玲

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，天津 300222）

引言

對于設(shè)計工程師來講，BIM ——建筑信息模型（Building Information Modeling）技術(shù)的應(yīng)用，不單需要其可視性、仿真等表象特點，畢竟目前來講，設(shè)計出圖、審批和現(xiàn)場實施甚至于工程管理的依據(jù)仍然是二維設(shè)計圖紙，因此當(dāng)前在設(shè)計工作中對BIM技術(shù)的應(yīng)用，重點不應(yīng)只在于工程可視模型的建立和三維展示，而是應(yīng)用于工程設(shè)計中，以提高設(shè)計成果的質(zhì)量、提高設(shè)計工作的效率、數(shù)據(jù)共享、協(xié)同設(shè)計、協(xié)調(diào)管理等幾個實用方面為目標(biāo)，在這些基礎(chǔ)目標(biāo)實現(xiàn)的同時，實現(xiàn)其可視化等展示功能。

大部分建筑信息模型更側(cè)重于建筑、結(jié)構(gòu)的信息模型解決方案，對總圖專業(yè)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(shè)計中也會顯現(xiàn)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(xué)習(xí)操作。

Civil3D已經(jīng)有在國內(nèi)外港口項目設(shè)計中運用的成功先例，本文以某南方海港工程設(shè)計為例，結(jié)合具體工程項目進行Civil3D建模研究，將BIM技術(shù)應(yīng)用于項目工程平面設(shè)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肌?/p>

1 Civil3D在本工程的應(yīng)用

Civil3D在本項目主要應(yīng)用步驟包括建立原始地形曲面模型、建立地質(zhì)模型、根據(jù)設(shè)計資料生成設(shè)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(yōu)化設(shè)計、設(shè)計材質(zhì)、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(chǔ)數(shù)據(jù)曲面

在Civil 3D中，曲面是基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式之一，地形曲面是使用原始測量數(shù)據(jù)創(chuàng)建的，準(zhǔn)確創(chuàng)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(qū)域水深測量圖中的水深點文件生成原始地形曲面，根據(jù)地勘資料建立的分層地質(zhì)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(zhì)和測量資料更新后，可以重新生成或者加載已經(jīng)建成的原始資料曲面，隨著設(shè)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(shè)計修改時間。

1.2 建立設(shè)計曲面

建立三維多段線，將基槽、港池、航道底面設(shè)計標(biāo)高作為多段線標(biāo)高，或者生成.csv文件導(dǎo)入新建曲面，作為設(shè)計曲面的邊界，即疏浚邊界及其相應(yīng)的高程關(guān)系。然后根據(jù)設(shè)計條件選擇放坡標(biāo)準(zhǔn)，本工程選擇曲面-挖方標(biāo)準(zhǔn)放坡到原始地形曲面。本區(qū)域開挖至不同的設(shè)計底高程，不同的設(shè)計高程區(qū)域采用按1：5、相對高差放坡生成內(nèi)部邊坡。根據(jù)實際地質(zhì)情況，選取合理的疏浚邊坡坡度，基槽放坡按相關(guān)規(guī)范執(zhí)行，港池航道水域數(shù)據(jù)邊坡由設(shè)計區(qū)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(jù)地質(zhì)模型分析，優(yōu)化調(diào)整基槽挖泥和港池疏浚方案。通過原位復(fù)制、曲面-定義粘貼合并，模擬出設(shè)計完成后的曲面狀態(tài)。

1.3 疏浚土類——材質(zhì)的定義

為便于準(zhǔn)確統(tǒng)計疏浚工程量，Civil 3D中對各個不同土類進行材質(zhì)定義，可以更準(zhǔn)確的根據(jù)地質(zhì)模型控制各疏浚土類的工程量。

對于地質(zhì)曲面，在地質(zhì)資料中按每種疏浚土類的頂面標(biāo)高生成曲面，兩個曲面之間即為對應(yīng)的數(shù)據(jù)量，要按照滿足疏浚要求的土層分類進行土層的定義，當(dāng)鉆孔上的土層分布不連續(xù)時，設(shè)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(zhì)地層曲面到設(shè)計曲面的體積，得出各數(shù)據(jù)土層的體積；另一種思路是在分析-體積面板創(chuàng)建體積曲面，形成每層土體的厚度，然后分別去和設(shè)計曲面做為基準(zhǔn)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(zhì)曲面與地形有交叉時候部分設(shè)計量不夠準(zhǔn)確。

在根據(jù)輸入資料預(yù)先設(shè)定材質(zhì)條件，可以界定最上層土類標(biāo)高需小于地形標(biāo)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(tǒng)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(jīng)論證后進行優(yōu)化。本工程對各個地質(zhì)曲面進行橫斷面采樣，在材質(zhì)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(zhì)的疏浚邊坡不同也可以準(zhǔn)確計算并傳遞體現(xiàn)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(jù)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(jù)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(wǎng)體積曲面法求疏浚量，直觀來講，這種計算結(jié)果更接近實際發(fā)生的疏浚量。輸出設(shè)計成果的計算方法可以在Civil 3D一鍵生成土方網(wǎng)格施工圖，也可以采用斷面法出圖。本工程基槽挖泥采用網(wǎng)格法計算生成挖泥量，港池航道疏浚設(shè)計結(jié)合實際工程實施管理，擬采用斷面法生成結(jié)果：設(shè)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(qū)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(jù)設(shè)計條件的輸入，可以在Civil 3D中自動生成，傳遞性好，在設(shè)計條件比如測圖、地質(zhì)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(qū)域可采用網(wǎng)格法計算。經(jīng)幾種計算方法相互校核，設(shè)計量差值基本在2 %以內(nèi)。

此計算結(jié)果經(jīng)過與我公司開發(fā)且經(jīng)過多年運用驗證計算準(zhǔn)確的“三維地質(zhì)地貌模型及土方CAD系統(tǒng)程序”計算結(jié)果對比，得出的疏浚土方相當(dāng)，進而驗證了計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。準(zhǔn)確定義材質(zhì)后，其中斷面法能夠列表體現(xiàn)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(zhì)曲面與設(shè)計底面交線

為了在平面圖范圍內(nèi)標(biāo)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(shù)據(jù)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(shè)計面的交線，對碼頭區(qū)可以反應(yīng)出工程區(qū)域地質(zhì)條件分布情況，疏浚區(qū)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(zhǔn)備。

圖2 重點疏浚土類分布展示示意圖

2 設(shè)計成果輸出

2.1 設(shè)計圖紙

在設(shè)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(shè)計疏浚網(wǎng)格圖，反應(yīng)基槽挖泥量、港池航道水域疏浚工程量。能對重點區(qū)域進行把控，圖3為網(wǎng)格土方施工圖的示意。

通過引進Civil3D正向設(shè)計，可以在設(shè)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(nèi)容進行統(tǒng)一調(diào)整，再通過預(yù)先設(shè)置的圖框圖幅保存為模板文件，啟動時調(diào)用模板文件，統(tǒng)一創(chuàng)建圖紙，設(shè)計中能夠避免人工繪圖誤差，同時這個功能在設(shè)計修改中能夠較大提高工作效率。

圖3 土方疏浚網(wǎng)格計算圖示意圖

圖4 設(shè)計圖紙出圖示意

2.2 設(shè)計成果三維展示

通過引進Civil3D正向設(shè)計，可以生成最終完工后的一個Windows Media文件，動態(tài)漫游預(yù)覽展示，為非工程技術(shù)管理人員提供概念展示。

圖5 三維動態(tài)漫游示意圖

3 結(jié)語

與傳統(tǒng)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(jù)平面（三維）數(shù)據(jù)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(shè)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(biāo)示出不同地質(zhì)土類的疏浚斷面；通過軟件的數(shù)據(jù)分析功能，自動在平面圖范圍內(nèi)標(biāo)注重點土類的疏浚范圍，對比如碼頭基槽區(qū)地質(zhì)分布、疏浚區(qū)炸巖等范圍做出直觀的重點提示。無論是設(shè)計、施工、全過程工程管理中都能起到質(zhì)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(shè)計中引入BIM技術(shù)，可以帶來很多與傳統(tǒng)設(shè)計方法不同的益處：

1）根據(jù)測圖和地質(zhì)報告建立的地形和地質(zhì)曲面模型可以在設(shè)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(yè)技術(shù)人員可以直觀校核設(shè)計錯誤；對非專業(yè)工程技術(shù)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(shè)計成果質(zhì)量，對重點土類的工程量和平面分布把握更加準(zhǔn)確，更利于進行造價控制和后續(xù)的施工管理；

3）對設(shè)計人員提高設(shè)計工作效率，節(jié)省畫圖等簡單重復(fù)時間，自帶施工圖出圖功能設(shè)置后可進行批量繪圖。尤其設(shè)計修改時，修改輸入數(shù)據(jù)，相應(yīng)設(shè)計文件理論上可同步傳遞更新，比傳統(tǒng)設(shè)計更容易減少重復(fù)操作，為項目方提供更好的服務(wù)。

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