谈Autodesk平台在河道一体化设计中应用

暴占军

（河南省豫北水利勘测设计院有限公司，河南 安阳 455000）

1 概述

随着BIM技术发展，交通、建筑、市政、水利等越来越多的工程项目开始采用BIM技术，本文的BIM解决方案软件平台主要包含Civil3D、revit、inventor、infraworks360等一系列建模计算软件。针对河道治理工程项目断面图绘制繁琐、土方量计算不精确且效率低下、生成制图工作量大等特点，对类似线性工程采用BIM技术进行参数化设计。Civil3D是架构在CAD之上的开发软件，它包含CAD的所有功能，与CAD有高度一致的工作环境，突出优势是三维动态设计，它可以创建参数化信息模型，进而批量生成横断面图并完成土石方工程量的提取，且模型、图纸、工程量呈动态关联，遇到方案调整或变更只需修改相应参数即可完成断面图及工程量的数据更新，极大地提高设计效率、节约设计成本。

2 应用

多年来河道治理工程一直按照图1所示流程设计，绘制断面图需耗费大量人力、物力，通过平均端面积法计算工程量误差大，评审修改工作量较大，导致设计周期较长。

图1 传统设计流程图

以连通渠工程做为BIM设计试点工程，将当前迅猛发展的BIM技术移植入水利工程中，以应对设计周期短、变更效率低下、算量不精确等问题，更好的适应行业发展需求。本文介绍的河道BIM设计流程如图2所示。

图2 BIM设计流程图

2.1 创建地形曲面

根据测量提供的CAD图形点、等高线或点数据文件等创建三维地形曲面，如图3所示。

切换至三维模式检查地形模型有无凹凸错点，通过设置高程区间剔除错点以修正地形，亦可手动加密点或添加等高线进行修正，三维地形曲面精度与测量点或等高线密度呈正相关，还可添加边界来裁剪工程范围提高电脑运行速度。对于体量较大的模型笔者建议将地形曲面转为LandXML格式，再导入定制的样版文件里，通过该方式实现模型轻量且不会信息丢失。LandXML文件输出方式如图4所示。

图4 LandXML文件输出操作截图

根据项目出图要求及制图规范，定制项目级成果输出样板文件，样板文件包括文本类型、图签样式、比例、各种尺寸标注、注释、图框、标尺等标签，如图5所示。标准化模板利于实现断面图批量添加或修改尺寸和注释信息，极大提高绘图效率。模板文件可在工程设计中重复使用，随着模板库中样板文件累积，将更大程度缩短设计周期。

图5 横断面图样板文件

2.2 河道平面设计

河道平面设计要遵循以下原则：

（1）满足区域水系规划与防洪排涝的要求；

（2）处理好与现状建筑物的衔接，保证区域安全、舒适。

（3）尽量减少沿河两侧已建成区（或半建成区）的建筑物拆迁。

（4）合理选择桥涵闸位置，在满足规范要求的前提下，尽可能缩短长度，降低工程造价。

（5）充分考虑水土保持、环境保护要求，尽量减少对区域水系的影响。

遵循以上原则基于civil3d路线命令进行河道中心线平面设计，调取样板文件中定制的桩号标签，设置采样线间距创建桩号信息，如图6所示，可以拖拽夹点或修改路线参数的方式优化选线，标注信息与路线图形动态关联，较CAD制图平面设计方式效率提高60%以上，方案确定后导出放线坐标数据报告，如图7所示。

2.3 河道纵断面设计

通过水力计算确定横断面样式、河（渠）道纵坡并推求水面线，此步骤与以往设计并无不同，根据之前建立的三维地形曲面及河道中心线，激活纵断图命令以创建河道中心现状纵断图，如图8所示。

图6 设计中心线及桩号信息注释图

图7 设计中心线直曲表

图8 现状河道纵断面图

对于设计底高程、水位线等纵断面图创建，可通过纵断面创建工具手动绘制，亦可通过数据文件导入的方式进行创建，纵断图设计信息，如图9所示。

对于纵断面的调整，可直接拖动设计线夹点，亦可编辑设计线的参数，需要说明的是civil3d纵断标注栏数据和图形动态关联，且自动填充数据，变更设计信息时图形数据即时更新，与横断面图类似，纵断图数据填充样式、线型、比例及相关注释信息均按照出图样式定制特有标签写进样板文件，如图10所示，从而大大提高绘图效率。

2.4 装配制作

本文阐述的装配是civil3d汉译专有名词，即河道设计的标准横断面图，在civil3d中装配是在Autodesk Subassembly Composer软件中制作完成的，通过该软件可将河道断面设计要素按照计算机逻辑思维编译成样板，从而实现在河道模型创建过程中实现自动开挖回填及堤顶超高设计等；在装配制作过程中，选择性将部件进行参数化定义，比如底宽、边坡等，以便断面尺寸变更时只需修改参数即可完成模型更新。Autodesk Subassembly Composer软件操作界面，如图11所示。

图9 设计纵断面图

图10 纵断面图样板文件

通过对横断面中水位、底高程等标注点进行定义并赋予专属代码信息，以实现后期横断面批量化高程标注，该代码与样板文件标签一一对应。根据河道中心线、设计水位、渠道纵坡及横断面装配创建河道模型，激活Civil3D道路命令依次载入设计底高程线、设计水位线、横断面装配、三维地形曲面即可创建河道模型，如图12所示，在渠道模型的基础上进而创建渠道开挖曲面，并指定对应逻辑目标，对于开挖曲面需按照渠道模型占地红线添加边界。创建变断面桩号范围河道模型轮廓，并通过该轮廓创建偏移路线，导入扭面装配，依次指定路线偏移目标及高程目标，创建变断面段河道模型，实现河道变断面（扭面）模型，基于河道中心线创建采样线并设置采样桩号，激活横断面命令即可输出采样线对应横断面图。

图12 河道开挖模型效果图

2.5 横断面图和工程量表

根据设计要求创建横断面图及土石方工程量成果表，有了数字化信息模型，可以在渠道任意位置生成横断面，如图13所示，较以往大量横断面逐一绘制的设计手段，大大提高出图效率，同样只需进行材质设置就可以导出工程量表，如图14所示。Civil3d土方量计算方法是：由测量地形图或数据资料创建原始地形曲面，由设计纵断面、参数化装配及设计中心线创建河道开挖模型进而创建开挖曲面，通过曲面叠加计算出每个高程点z值之差，利用精确的几何模型来计算挖填方量。Civil3d可以根据需要算出不同分段的工程量，且导出对应的文字报告。

图13 横断面设计图

图14 工程量成果表

笔者通过与传统二维河道设计成果、时效对比，采用civil3d进行渠道设计，在河道中心线创建方面无需通过划线命令逐段绘制并逐个设计转弯段，且模型完成后，可根据需求导出横断面图与工程量；由于模型参数化，后期应对变更只需调整参数更新模型就可以完成所有绘图工作，极大的提升设计质量，减少出错率，同时大大缩短了设计周期，真正做到提质增效。通过civil3d计算得出本次工程开挖27.8万m3，采用二维设计方式按照断面面积法计算得出工程量为26.5万m3，通过对比相差4.6%，有效验证工程量准确性。

3 技术亮点

3.1 可视化设计

civil3d可以创建复杂的三维地形，进行方向、高程、坡度、流域等分析，并按照设计要求进行河（渠）道开挖模拟，在方案论证阶段呈现工程竣工效果，提供工程占地面积及土石方开挖等设计参数信息，以优化设计方案。还可以将civil3d开挖模型导入其他三维软件，比如fuzor、infraworks360等进行项目工程区漫游动画展示。

3.2 参数化设计

以往渠道设计是将渠道的平面图、纵横断面、工程量，逐一绘制计算，图量间彼此独立无关联，而在Civil3D中，工程项目就是一组动态关联的模型，它能够生成对应的图表，可以随意提取所需要的数据信息。在cad模式下绘制横断面会根据渠道的长度及断面个数花费大量的工时，尤其在变更时会非常的繁琐耗时，且容易产生人为失误，增大校审难度。采用BIM技术能完全避免这些问题，由于模型自身的参数化及动态关联性，任何调整都会使模型和对应参数同时发生变化，大幅度的提高了绘图效率和工程可靠性。时效对比结果如图15所示。

3.3 设计可持续性

连同渠设计过程中，根据水利工程制图规范，定制了纵、横断面出图样式模板，同时还积累了不同断面形式的河道装配（圆形、梯形、矩形等），随着模板库建立及各式装配的累积，在后续河道设计中即可调入使用，快速完成工程模型及算量，通过在连同渠试点项目的成功应用，对于管线、道路、堤防等线性工程，该模板亦可大大提高设计效率。

图15 时效对比结果

4 结语

虽然文章阐述的河道解决方案在断面图和土方计算上高效、准确，但在河渠岔口及建筑物衔接等细节设计需结合revit等其他软件解决，尚且无完美解决方案；其次连同渠位于华北平原开挖材质为单一土方，对于山区河道需对不同材质（如土、石、砂砾）分别计量的工程则需建立地质模型，进而提取不同地层间开挖方量，基于civil3d建立地质模型仍存局限性。与西方发达国家相比，我国BIM技术研究并不算晚，但受企业管理模式及行业技术特点等制约，导致BIM技术在水利行业普及率不高，因此笔者建议在当前国内大环境下，中小型设计院应选择合适切入点，以提高设计效率，提升设计质量为宗旨，逐步实现技术改革工作。

［1］高博.三维协同设计在水利设计院中的应用［J］.水科学与工程技术，2013（05）：94-96.

［2］李秀慧，付艳林，魏云洁.水利水电工程三维协同设计研究［J］.河南科技，2015（22）：47-48.

［3］张超，洪向华，王海俊.BIM技术在水利工程中的应用实践——以涵闸建模为例［J］.江苏水利，2016（01）：63-66.

［4］任耀.欧特克水利水电行业BIM解决方案及应用创新［C］.水利水电勘测设计协会计算机工作委员会优秀论文集，2015.

［5］陈光学.利用Civil3D从测量点数据创建数字地形模型［J］.黑龙江水利科技，2008（01）：51-52.

［6］李强，冀翼，陈伟.Autodsek Civil3D在精确地形建模中应用的几点体会［J］.水利规划与设计，2008（01）：51-53.