張一博 中鐵建港航局集團(tuán)勘察設(shè)計(jì)院有限公司

1.前言

建筑信息模型（buil ding information modeling，BIM），是以工程項(xiàng)目信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立包含項(xiàng)目所有相關(guān)信息的三維模型，為項(xiàng)目策劃、設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維的全生命周期過程提供全面有效的決策依據(jù)，其核心為信息的模型化和信息在不同階段、不同主體間的共享與傳遞。

近年來，許多工程技術(shù)人員開始逐步探索BIM技術(shù)在航道工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。袁立莎采用Civil 3D軟件創(chuàng)建丁壩模型、統(tǒng)計(jì)工程量、進(jìn)行河道沖淤分析并初步嘗試了出圖。劉擎波等人采用Civil 3D軟件協(xié)助出圖、計(jì)算工程量和進(jìn)行沖淤分析。王飛等通過Civil 3DNET二次開發(fā)，定制了自定義部件，實(shí)現(xiàn)了超深超寬工程量的計(jì)算。陳懿強(qiáng)等人對(duì)Civil 3D部分模塊進(jìn)行二次開發(fā)和改進(jìn)，取得了較好的出圖效果，提高了設(shè)計(jì)效率。王鵬探索了基于Revit和Civil 3D的航道整治工程三維協(xié)同設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了航道工程三維可視化協(xié)同設(shè)計(jì)，優(yōu)化了設(shè)計(jì)流程。

本文梳理了基于Civil 3D的航道疏浚工程量計(jì)算方法和計(jì)算流程，針對(duì)航道部件及疏浚量計(jì)算進(jìn)行了二次開發(fā)定制。依托多個(gè)項(xiàng)目，對(duì)比分析了傳統(tǒng)疏浚計(jì)算軟件和Civil 3D在計(jì)算航道疏浚工程量的差異，給出了Civil 3D計(jì)算方法的適用條件。

2.工程量計(jì)算思路與方法

2.1 傳統(tǒng)計(jì)算方法

疏浚工程量計(jì)算通常采用斷面面積法、平均水深法或網(wǎng)格法。對(duì)于航道工程，由于其具有橫向帶狀式特點(diǎn)，疏浚工程量計(jì)算時(shí)常采用斷面面積法。根據(jù)《疏浚與吹填工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，斷面工程量按下式計(jì)算：

式中：V——挖槽斷面工程量；

A0、A1…An——分別為各計(jì)算斷面上的疏浚面積（m2）；

L1、L 2…L n——分別為A0 與A1、A1與A2…An-1與An計(jì)算斷面間的間距（m2）。

2.2 傳統(tǒng)計(jì)算流程

傳統(tǒng)軟件在進(jìn)行航道疏浚工程量計(jì)算時(shí)多采用斷面法，其計(jì)算流程為：1）導(dǎo)入地形測(cè)量圖；2）繪制航道中心線和設(shè)計(jì)底邊線，確定疏浚區(qū)域；3）確定疏浚底高程、航道邊坡、計(jì)算超寬、計(jì)算超深等設(shè)計(jì)參數(shù)；4）建立疏浚斷面，生成自然泥面線、設(shè)計(jì)開挖線、超寬超深線；5）計(jì)算疏浚工程量。傳統(tǒng)軟件存在的問題是各流程之間缺乏有效的信息傳遞，一旦需要修改設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)參數(shù)，則需要重新進(jìn)行4）、5）步的工作，效率較低。

圖1 航道疏浚部件生成的斷面圖

圖2 航道疏浚二次開發(fā)模塊功能區(qū)界面

圖3 Civil 3D航道疏浚工程量計(jì)算流程圖

圖4 航道疏浚定制部件參數(shù)設(shè)置界面

2.3 Civil 3D計(jì)算方法

Civil 3D中土方量計(jì)算通常采用三種方法：曲面體積法、放坡體積法和橫斷面法。曲面體積計(jì)算法是通過建立兩個(gè)或多個(gè)曲面，比較曲面之間的體積差，從而得出土方量。放坡體積計(jì)算法是利用放坡體積工具，可以通過快速升高或降低曲面以便于土方量平衡調(diào)整。橫斷面法與傳統(tǒng)斷面面積法原理一致，適用于道路、航道等橫向帶狀式工程。本文采用放坡體積法和橫斷面法。

2.4 Civil 3D二次開發(fā)

Autodesk Civil 3D是一款面向土木工程設(shè)計(jì)與文檔編制的建筑信息模型（BIM）解決方案，廣泛應(yīng)用于勘察測(cè)繪、地形地貌、巖土工程、道路交通、水利水電、地下管網(wǎng)、土地規(guī)劃等領(lǐng)域。

航道疏浚工程設(shè)計(jì)與道路工程設(shè)計(jì)思維相近，因此可采用Civil 3D中的道路設(shè)計(jì)相關(guān)模塊來進(jìn)行航道疏浚設(shè)計(jì)。但在實(shí)際應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，仍需進(jìn)行一定的二次開發(fā)才能滿足使用要求。本文基于.NET對(duì)Civil 3D 2018進(jìn)行了如下開發(fā)：1）定制開發(fā)了符合相關(guān)規(guī)范要求的航道疏浚部件，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)斷面工程量、超寬超深工程量、計(jì)算斷面工程量的計(jì)算與統(tǒng)計(jì)，見圖 1；2）為符合航道疏浚設(shè)計(jì)習(xí)慣、簡(jiǎn)化軟件使用操作、提高設(shè)計(jì)效率，對(duì)相關(guān)模塊進(jìn)行了二次開發(fā)，見圖2。

2.5 Civil 3D計(jì)算流程

基于Civil 3D的航道疏浚工程量計(jì)算流程為：1）導(dǎo)入地形測(cè)量圖，創(chuàng)建地形曲面；2）利用路線功能繪制航道中心線和設(shè)計(jì)底邊線；3）確定疏浚底高程，創(chuàng)建設(shè)計(jì)縱斷面；4）加載通過二次開發(fā)得到的航道疏浚部件，在部件中輸入航道邊坡、計(jì)算超寬、計(jì)算超深等設(shè)計(jì)參數(shù)；5）生成三維航道疏浚模型；6）從模型中一鍵導(dǎo)出疏浚工程量。基于Civil 3D的航道疏浚工程量計(jì)算流程見圖3。航道疏浚部件參數(shù)設(shè)置界面見圖4。

基于Civil 3D的航道疏浚設(shè)計(jì)和工程量計(jì)算體現(xiàn)了參數(shù)化設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)的特性，將設(shè)計(jì)工作的重心轉(zhuǎn)移到創(chuàng)建航道模型上，將建立疏浚橫斷面及計(jì)算工程量交由軟件自動(dòng)從模型中提取，當(dāng)設(shè)計(jì)方案調(diào)整時(shí)，通過修改相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)模型和疏浚工程量的實(shí)時(shí)、自動(dòng)更新，消除了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件中大量人工重復(fù)性操作，實(shí)現(xiàn)了疏浚工程量的快速計(jì)算，提高了設(shè)計(jì)效率。

3.工程實(shí)例分析

本文采用了某沿海航道1、某沿海航道2、某沿海航道3、某內(nèi)河航道1、某內(nèi)河航道2共計(jì)五條航道中的部分航段開展研究工作。分別采用放坡體積法和斷面法創(chuàng)建航道疏浚模型，從模型中提取疏浚工程量，與傳統(tǒng)軟件所得疏浚工程量進(jìn)行了對(duì)比分析。值得一提的是，放坡體積法是基于三角網(wǎng)曲面的，而Civil3D中的三角網(wǎng)曲面是通過實(shí)測(cè)高程點(diǎn)采用Delauney三角剖分法建立的，其計(jì)算精度高，因此將放坡體積法引入進(jìn)行計(jì)算和對(duì)比分析。

創(chuàng)建的航道疏浚模型見圖5、圖 6，從模型中導(dǎo)出的疏浚工程量見表 1。

從表1中可以得出：

（1）Civil 3D斷面法計(jì)算斷面工程量與傳統(tǒng)軟件計(jì)算斷面工程量的差值百分比分別為-0.66%、-0.29%、-0.45%、-1.27%、1.08%，均在2%以內(nèi)，符合相關(guān)規(guī)范要求。其中設(shè)計(jì)斷面工程量差值在0.50%以內(nèi)，超寬超深工程量差值在3.00%以內(nèi)；

（2）Civil 3D體積法設(shè)計(jì)斷面工程量與傳統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)斷面工程量的差值百分比分別為0.02%、0.12%、-1.46%、0.79%、0.34%，均在2%以內(nèi)，即體積法計(jì)算的設(shè)計(jì)斷面工程量符合相關(guān)規(guī)范要求；對(duì)于基建性疏浚工程，其開挖深度相對(duì)較大，計(jì)算斷面工程量差值較小，分別為0.19%和0.12%，體積法適用；對(duì)于維護(hù)性疏浚工程，其開挖深度相對(duì)較小，計(jì)算斷面工程量差值較大，分別為13.24%、13.27%和11.57%，可見體積法并不適用該種情況，分析原因，主要是由于體積法對(duì)于超挖工程量的計(jì)算方法與規(guī)范存在差異所導(dǎo)致；

（3）對(duì)于需要準(zhǔn)確計(jì)算設(shè)計(jì)斷面工程量而不關(guān)注超寬深工程量的情況，Civil 3D斷面法和Civil 3D體積法均體現(xiàn)出良好的適用性，可采用其中任一種方法計(jì)算，另一種方法復(fù)核；

圖5 某沿海航道1疏浚模型

圖6 某內(nèi)河航道1疏浚模型

表1 疏浚工程量統(tǒng)計(jì)表

（4）對(duì)于基建性航道疏浚工程，計(jì)算斷面工程量可采用Civil 3D斷面法計(jì)算，Civil 3D體積法復(fù)核；對(duì)于維護(hù)性航道疏浚工程，計(jì)算斷面工程量?jī)H可采用Civil 3D斷面法。

4.結(jié)論

（1）基于.NET二次開發(fā)的Civil 3D斷面法能夠建立航道疏浚模型和導(dǎo)出疏浚工程量，計(jì)算工程量與傳統(tǒng)疏浚軟件的計(jì)算誤差在2%以內(nèi)，符合相關(guān)規(guī)范要求。

（2）對(duì)于需要準(zhǔn)確計(jì)算設(shè)計(jì)斷面工程量而不關(guān)注超寬深工程量的情況，Civil 3D斷面法和Civil 3D體積法均體現(xiàn)出良好的適用性，可采用其中任一種方法計(jì)算，另一種方法復(fù)核。

（3）基建性航道疏浚工程，挖深較大，Civil 3D斷面法和Civil 3D體積法均適用。

（4）維護(hù)性航道疏浚工程，淺點(diǎn)較多，開挖較淺，Civil 3D斷面法適用，Civil 3D體積法不適用。