Civil 3D在多级边坡场地设计中的应用

叶晓文

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230）

引 言

Civil 3D是基础设施工程BIM建模分析的软件平台，功能日益完善，越来越多被用于土木水利工程设计，包括大坝设计（郝永志[1]、兰立伟等[2]、于佳[3]和李晶等[4]）、渠道工程设计（李晶[5]）、隧道工程设计（陶海波等[6]）、机场地势设计（王振殿等[7]）、道路设计（王雯钰[8]、李俊超等[9]）、航道工程设计（刘擎波等[10]、叶雪雷[11]等）、滑坡灾害预警及防治工程设计与施工（张建忠等[12]）、土方量计算中的应用（余剑[13]）、场地平整设计（郭阳洋[14]）等方面。

以上将Civil 3D用于工程设计中，涉及到放坡问题时，没有对多级台阶边坡进行详细介绍或讨论。在实际工程中，涉及到大开挖，坡底和坡顶高程差较大，通常需要设置多级边坡。由于Civil 3D的放坡创建工具，如图1所示，放坡规则没有多级边坡放坡的选项，因此需要利用放坡到距离和放坡到相对高程，并结合使用Civil 3D的其他功能来实现多级边坡开挖设计。本文将以某项目为例，探讨在Civil 3D中如何实现多级边坡场地的设计。

图1 放坡创建工具

1 设计范围概况

本项目是一个干港，主要货物集装箱通过火车运输进港，项目设计范围内原始地形的高程大约在2 266 m和2 299 m之间，考虑到进港铁路的高程要求及土方量尽可能挖填平衡，场地平整设计高程为2 279 m。由于设计高程与原地形部分区域的高程相差较大，需要分级挖填，以1：2的坡度分级放坡，每级高程差8 m，台阶宽度3 m，最后一级放坡至原始地形曲面。在不影响多级边坡场地设计讨论的前提下，设计范围作了适当的调整，本文的设计范围如图2所示。

图2 设计挖填范围

2 多级边坡模型建立

在Civil 3D曲面的功能中有丰富的曲面创建选项，可以通过添加等高线、DEM 文件、图形对象（点、块、文本等）、点文件等方式创建曲面。在项目前期阶段，缺少地形测图的情况下，可以通过Civil 3D与Google earth的接口导入三维地形数据转为原始地形曲面。本项目已有地形数据，因此可以直接利用现有数据生成原始地形曲面。先新建曲面，将高程数据添加到曲面中，并通过编辑曲面，修改或删除Z坐标不合理高程点，得到原始地形曲面，如图3所示。

图3 原始地形曲面

放坡是以要素线为基础进行的，有多种方式创建要素线，可以直接绘制要素线，也可以从对象、路线、道路、台阶式偏移等方式创建要素线。从对象创建要素线，对象可以是二维或三维多段线、直线或圆弧等。可以在创建要素线之前设置多段线的高程为设计高程，这样生成要素线的高程即为设计高程，也可以在生成要素线后编辑其高程。首先新建场地和放坡组，修改放坡标准中的放坡到相对高程，将相对高程设置为8 m，坡度设置为1：2；然后修改放坡到距离，将距离设置为3 m，坡度设置为水平。设置好放坡标准后，交替利用这两个放坡标准进行阶梯放坡，直到放坡高程超过原始地形高程后停止，对设计范围要素线进行创建填充，利用放坡组特性即可生成一个开挖放坡曲面，如图4所示。

图4 开挖放坡曲面

开挖放坡曲面并不是实际所需的设计开挖曲面，需要对其进行裁剪。利用曲面分析功能，求曲面之间的最小距离，分别选中原始地形曲面与开挖放坡曲面运算，即可求得两曲面的交线，此交线是三维多段线。将交线作为边界添加到图4开挖放坡曲面，可以得到设计开挖曲面，如图5所示。

图5 设计开挖曲面

创建一个新的曲面，将图4原始地形曲面与图5设计开挖曲面粘贴到新的曲面，形成开挖组合曲面，如图6所示。

图6 开挖组合曲面

多级边坡开挖建模已完成，对于回填区域多级边坡设计也是类似进行。需要新建场地和放坡组，并重新设计回填放坡的要素线。可以通过复制开挖放坡曲面与原始地形曲面的交线，与设计范围的多段线构成回填区域，通过截断删除多余线段然后合成新的多段线，以此多段线生成回填放坡设计的要素线。回填放坡的操作与上述开挖放坡的操作基本一致，区别在于放坡到相对高程时，相对高程应设置为-8 m。通过放坡生成放坡曲面、求交线、添加边界等操作，可得设计回填曲面，如图7所示。

图7 设计回填曲面

新建曲面，将图6开挖组合曲面和图7设计回填曲面，或者将图3原始地形曲面、图5设计开挖曲面和图7设计回填曲面，粘贴到新曲面，得到最终的设计曲面，如图8所示。

图8 设计曲面

3 设计应用

3.1 土方量统计

通过体积面板工具，创建三角网体积曲面，三角网体积曲面是基准曲面和对照曲面中的点的组合，提供了基准曲面和对照曲面之间的精确差异。将图3原始地形曲面作为基准曲面，图8设计曲面作为对照曲面，可以求得土方量。

3.2 土方施工图

如项目需要，可以通过将原始地形曲面和设计曲面进行计算来创建土方施工图，如图9所示。其中网格的间距和方向、组件可见性、算法和相关的显示都可以根据需要选择设置。网格包含了挖方或填方体积、网格各角点包含设计地形和原始地形在角点的标高和高程差等信息。

图9 土方施工图平面及局部

3.3 创建设计断面

通过设计路线和采样线，可以方便的生成横断面图，可根据实际工程需要在不同的位置，设置采样线，批量生产成断面。为了表示的方便，本文只设置了一个断面位置，如图10所示。

图10 断面1-1位置示意

生成断面后，可以利用断面图的标签功能，通过设置标签样式，非常方便的标注断面的高程和坡度，然后根据出图需要在布局中创建不同的视口形成图纸。断面1-1的填方边坡与挖方边坡如图11所示。

图11 断面1-1填方边坡与挖方边坡

4 结 语

本文讨论了利用Civil 3D已有的放坡到相对高程和放坡到距离的规则，结合求解两曲面交线的功能，通过将曲面交线作为边界添加到放坡曲面，并利用曲面粘贴，实现了多级放坡。从原始地形曲面的建立，到设计曲面建立，以及土方量的统计，土方平面施工图和断面图的生成等方面讨论了如何应用Civil 3D完成多级边坡场地设计。

Civil 3D功能强大，三维数字地形模型非常直观且方便查看，在完成建模的基础上可快速准确地计算土方量和批量绘制图纸。Civil 3D各设计要素之间动态关联，土方量和图纸可以实时更新，可以显著提高设计效率和精度，降低设计调整的劳动强度，让工程师有更多的时间投入到设计的优化。