PowerCivil在水运工程挖填方计算中的应用

曹迪凡，高 正

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

BIM是在信息化背景下提出来的一种创新工具与生产方式，已在欧美等发达国家引发建设行业的变革。BIM在建设工程行业中的应用服务于建设项目的设计、建造、运营维护整个生命周期[1]。

PowerCivil是Bentley公司开发的一款面向道路、铁路、桥隧、场地、雨水道等基础设施设计的专业软件，已逐渐应用于道路、桥梁、隧道的三维设计。如中铁第四勘察设计院结合沪通铁路试点项目，详细阐述PowerCivil的三维地形建模模块、线路选线模块和选线设计流程[2]；刘彦明基于Bentley PowerCivil的铁路桥梁构建三维参数化设计，以通桥（2009）4301/4201系列圆端形实体墩自动加载PCL文件为例，创建标准图进而得出银西线实体桥墩参考图，合理确定桥墩高度，完成构建的参数化设计[3]；沈照庆、魏鹏飞、董朝辉等人从几何线形设计和廊道设计方面对比PowerCivil和Civil 3D的异同[4]。

然而，Powercivil在水运工程中还没有得到广泛应用。本文利用PowerCivil，在水运工程挖填计算部分，给出一套较为实用的解决方案。

1 场地挖填方量计算方法比较

1.1 传统工程量计算方法

开挖回填量的传统计算方法，是在CAD横断面图中，计算开挖横断面面积及回填横断面面积，再乘以该横断面纵向长度，依次累加，得到总的挖方量和填方量。公式可表示为。式中:V为挖方或填方总量（m3）；Si为第i个横断面开挖或回填面积（m2）；li为第i个横断面的纵向长度（m）。该种方法可在Excel中实现批量操作，方便快捷，已成为最基础的挖填方量计算方法。缺点是可视化程度低，仅能通过ZDM软件形成开口线，无法直观地观察到开挖体。

1.2 Powercivil计算方法

Powercivil对开挖回填的计算逻辑为，首先建立三维地形模型，其次依据开挖边线或廊道中心线建立三维挖填模型，最后统计三维挖填模型的体积。可以直观地观察到挖填体，判断何处挖填量较大，且能自动生成挖填方量。难点在于建立三维挖填模型，缺点是该软件只适用于线状工程的挖填计算，如河道、海堤及简单场地平整，不适用于复杂开挖。

1.3 2种方法对比

与传统方法相比，利用PowerCivil建立地形模型后进行挖填计算，虽然增加建立地形模型的过程，但是后续挖填方计算可通过程序自动计算，较为快捷，且能生成开挖后的地形，较为直观。该方法主要使用Powercivil中的平面几何、纵面几何、地形模型、廊道模型、三维几何5个模块。

2 PowerCivil在实际开挖工程中的应用

2.1 在灵江船闸开挖计算中的应用

本次计算内容为灵江船闸水工主体结构的放坡开挖量，疏浚内容为沿着新的航道中心线开挖1条新的航道。对于船闸水工结构的边坡开挖量计算，在现状地形模型上绘制结构底边线，利用三维几何模块中的“应用线性模板”功能，选择起点桩号、终点桩号、各坡度的边坡模板，即可生成船闸结构开挖模型（见图1）。

图1 灵江船闸主体结构三维开挖模型图

接着应用地形模型中“从元素创建”功能，选中生成的开挖模型，形成开挖地形cut。最后用地形模型模块中“分析土方量”功能，选择来源地形模型及终点地形模型cut，2个三维地形模型相减，即可计算出开挖量。

疏浚量的计算，首先根据CAD平面图绘制人工开挖河道中心线，再在平面几何模块中使用“积木法则创建路线”，生成河道中心路线。在纵面几何模块中对河道中心路线使用“打开纵断面模型”功能，即可在另一窗口中得到河道中心线对应的纵断面。在纵断面窗口中，使用“直线坡”功能，在上游河道中心线起点和终点之间添加1条直线坡，设置该直线坡高程为-5.50 m，坡度为0，作为上游河道中心线的纵断面。同理，对下游河道中心线进行相同操作，高程设置为-6.50 m。然后在廊道模型模块中，使用“创建横断面模板”功能，在Templates目录下创建河道横断面模板。

需要注意的是，坡顶2个点的属性为“末端约束”，末端条件特性中要勾选“末端条件为无限”，坡底2个点为固定的“约束”，边坡分左右两边，左边坡在标签中定义为边坡1，右边坡定义为边坡2，方便后续修改坡度。最后，利用廊道模型中的“创建廊道”，按照提示即可完成廊道的创建，在“廊道对象”功能中，点击“参数约束”，再点击“新增”，即可对不同桩号段设置不同开挖坡比的边坡。廊道模型工程量计算，可利用廊道模型中的“组件工程量”功能，直接自动生成挖填方量，十分快捷（见图2）。疏浚计算所得填方量表示该航道部分区域天然底高程低于疏浚底高程，故所得填方量无需计入工程量。本文建立航道开挖三维建模流程见图3。

图2 灵江船闸航道疏浚横断面模板图

图3 基于PowerCivil的航道开挖三维建模流程图

2.2 在东罗盘岛码头疏浚工程中的应用

东罗盘岛码头工程的疏浚范围为停泊水域、回旋水域及航道，疏浚量的计算与灵江船闸水工结构的边坡开挖计算较为相似。该工程航道与水域布置见图4，疏浚边坡为1:3。首先在已建的原地形模型上，绘制开挖边线。然后应用纵面几何模块中“固定高程纵断面”功能，激活开挖边线的纵断面并设置高程为-5.30 m。接着按照灵江船闸的操作步骤中“应用线性模板”这一步骤之后的内容进行操作，即可得到开挖模型及工程量计算结果（见图 5 ～ 6）。ZDM土地平整功能得出的挖方量为35 625.85 m3（见图7），与本次PowerCivil计算所得的结果相差0.46%。相互验证2种方法的准确性。

图4 东罗盘岛码头航道与水域布置示意图

图5 东罗盘岛码头工程疏浚三维地形模型图

图6 Powercivil计算所得东罗盘岛码头工程疏浚量图

图7 ZDM计算所得东罗盘岛码头工程疏浚量图

3 结 语

PowerCivil对简单场地开挖、线状开挖的工程量计算逻辑较为清晰，综合运用平面几何、纵面几何、地形模型、廊道模型、三维几何5个模块可解决较多线状开挖、简单场平问题，且计算结果与ZDM计算成果差别不大，较为精确，可生成可见的开挖体。