利用CIVIL 3D进行海港工程疏浚设计方法研究

张金中，郭春玲

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）

引言

对于设计工程师来讲，BIM ——建筑信息模型（Building Information Modeling）技术的应用，不单需要其可视性、仿真等表象特点，毕竟目前来讲，设计出图、审批和现场实施甚至于工程管理的依据仍然是二维设计图纸，因此当前在设计工作中对BIM技术的应用，重点不应只在于工程可视模型的建立和三维展示，而是应用于工程设计中，以提高设计成果的质量、提高设计工作的效率、数据共享、协同设计、协调管理等几个实用方面为目标，在这些基础目标实现的同时，实现其可视化等展示功能。

大部分建筑信息模型更侧重于建筑、结构的信息模型解决方案，对总图专业介入不多，而AutoCAD Civil3D是基于AutoCAD平台的BIM软件工具，在土木工程中尤擅长提供道路、铁路和土石方解决方案，在场地设计中也会显现较大先进性，界面友好，对熟悉AutoCAD绘图的工程师来讲，很多命令共享，菜单格式相同，易于学习操作。

Civil3D已经有在国内外港口项目设计中运用的成功先例，本文以某南方海港工程设计为例，结合具体工程项目进行Civil3D建模研究，将BIM技术应用于项目工程平面设计、基槽挖泥、疏浚工程量计算及疏浚工程出图等。可为类似工程提供参考。

1 Civil3D在本工程的应用

Civil3D在本项目主要应用步骤包括建立原始地形曲面模型、建立地质模型、根据设计资料生成设计曲面（基槽挖泥和港池航道疏浚）、在新的场地计算并生成超挖曲面、优化设计、设计材质、采样、用多种方式分部计算基槽和港池水域疏浚工程量、自动绘制横断面图纸等。

1.1 建立基础数据曲面

在Civil 3D中，曲面是基础的数据表现形式之一，地形曲面是使用原始测量数据创建的，准确创建地形曲面是保证工程量接近真实情况的前提条件。本项目通过定义工程区域水深测量图中的水深点文件生成原始地形曲面，根据地勘资料建立的分层地质曲面及实体模型，在Civil 3D中可对该模型进行各个角度不同断面的分析展示。地质和测量资料更新后，可以重新生成或者加载已经建成的原始资料曲面，随着设计阶段的深入，地勘测量资料的完善，这种便捷的更新可为工程的实施减少必要的设计修改时间。

1.2 建立设计曲面

建立三维多段线，将基槽、港池、航道底面设计标高作为多段线标高，或者生成.csv文件导入新建曲面，作为设计曲面的边界，即疏浚边界及其相应的高程关系。然后根据设计条件选择放坡标准，本工程选择曲面-挖方标准放坡到原始地形曲面。本区域开挖至不同的设计底高程，不同的设计高程区域采用按1：5、相对高差放坡生成内部边坡。根据实际地质情况，选取合理的疏浚边坡坡度，基槽放坡按相关规范执行，港池航道水域数据边坡由设计区域的边界按12类以上疏浚土层1:2，12类以下疏浚土1:5的二级边坡分两次生成放坡至原始地形曲面。根据地质模型分析，优化调整基槽挖泥和港池疏浚方案。通过原位复制、曲面-定义粘贴合并，模拟出设计完成后的曲面状态。

1.3 疏浚土类——材质的定义

为便于准确统计疏浚工程量，Civil 3D中对各个不同土类进行材质定义，可以更准确的根据地质模型控制各疏浚土类的工程量。

对于地质曲面，在地质资料中按每种疏浚土类的顶面标高生成曲面，两个曲面之间即为对应的数据量，要按照满足疏浚要求的土层分类进行土层的定义，当钻孔上的土层分布不连续时，设置多个同类疏浚土层，在最后工程量中合并。

计算分类土体体积可采用以下几种方法，直接计算方法一种是在放坡面板中分别求各地质地层曲面到设计曲面的体积，得出各数据土层的体积；另一种思路是在分析-体积面板创建体积曲面，形成每层土体的厚度，然后分别去和设计曲面做为基准计算体积，这种方法在土类比较多时需要进行多次放坡体积计算，在表层地质曲面与地形有交叉时候部分设计量不够准确。

在根据输入资料预先设定材质条件，可以界定最上层土类标高需小于地形标高等限制条件，按一定采样线间距自动生成的断面图中，能直观统计出不同疏浚土类的疏浚量。在基槽挖泥遇到需要挖岩等重点处理土类，经论证后进行优化。本工程对各个地质曲面进行横断面采样，在材质中定义不同土类的计算，每个断面可以得到累积的疏浚量。不同土质的疏浚边坡不同也可以准确计算并传递体现在断面图中。

图1 航道疏浚断面示意图

1.4 工程量计算

在Civil 3D中，根据放坡进行土方计算，土方计算可采用放坡工具体积计算，也可以根据广义的两个曲面求差，即软件自带的分析功能体积面板下建立体积曲面，利用三角网体积曲面法求疏浚量，直观来讲，这种计算结果更接近实际发生的疏浚量。输出设计成果的计算方法可以在Civil 3D一键生成土方网格施工图，也可以采用断面法出图。本工程基槽挖泥采用网格法计算生成挖泥量，港池航道疏浚设计结合实际工程实施管理，拟采用断面法生成结果：设覆盖全疏浚范围的采样线，对完工曲面与原始地形曲面进行横断面采样，按照一定的里程间距，进行体积累计计算，保证采样线覆盖整个疏浚区域的前提下，最后一个断面的累计土方量也就是项目全部的疏浚量。疏浚工程量可根据设计条件的输入，可以在Civil 3D中自动生成，传递性好，在设计条件比如测图、地质资料的更新中，该表格可以自动更新，不需要重新建模。港池区域可采用网格法计算。经几种计算方法相互校核，设计量差值基本在2 %以内。

此计算结果经过与我公司开发且经过多年运用验证计算准确的“三维地质地貌模型及土方CAD系统程序”计算结果对比，得出的疏浚土方相当，进而验证了计算结果的准确性。准确定义材质后，其中断面法能够列表体现各种土类工程量，不需要多次运算。

表1 不同方法疏浚量对比表

1.5 主要地质曲面与设计底面交线

为了在平面图范围内标注重点土类的疏浚范围，对如炸岩等范围做出直观的重点提示，通过软件的数据分析功能，生成12类、13类、13类以上土类等重点疏浚土类与设计面的交线，对码头区可以反应出工程区域地质条件分布情况，疏浚区域直观展示出重点土类的分部范围，为实施等工程管理做好准备。

图2 重点疏浚土类分布展示示意图

2 设计成果输出

2.1 设计图纸

在设计条件输入之后，可以通过Civil 3D自带的土方施工图功能生成设计疏浚网格图，反应基槽挖泥量、港池航道水域疏浚工程量。能对重点区域进行把控，图3为网格土方施工图的示意。

通过引进Civil3D正向设计，可以在设计完成后，按其自带的出图功能生成断面图组，可批量对其表达形式、格式、显示内容进行统一调整，再通过预先设置的图框图幅保存为模板文件，启动时调用模板文件，统一创建图纸，设计中能够避免人工绘图误差，同时这个功能在设计修改中能够较大提高工作效率。

图3 土方疏浚网格计算图示意图

图4 设计图纸出图示意

2.2 设计成果三维展示

通过引进Civil3D正向设计，可以生成最终完工后的一个Windows Media文件，动态漫游预览展示，为非工程技术管理人员提供概念展示。

图5 三维动态漫游示意图

3 结语

与传统的土方计算软件相比，Civil3D输出成果的特色在于其横断面可根据平面（三维）数据自动生成，避免了手算的人为错误与误差，在修改时能缩短设计时间，为工程实施过程中提供更先进的工期保障。能够自动、直观在断面中标示出不同地质土类的疏浚断面；通过软件的数据分析功能，自动在平面图范围内标注重点土类的疏浚范围，对比如码头基槽区地质分布、疏浚区炸岩等范围做出直观的重点提示。无论是设计、施工、全过程工程管理中都能起到质量控制、提高精度、提高效率乃至合理控制造价的作用。

综上，我们在疏浚工程设计中引入BIM技术，可以带来很多与传统设计方法不同的益处：

1）根据测图和地质报告建立的地形和地质曲面模型可以在设计、实施、工程管理全阶段使用，一次建模多次共享；模型展示更加直观，对专业技术人员可以直观校核设计错误；对非专业工程技术人员更加友好，可给出工程实体概念；

2）提高疏浚工程量计算精度，提高设计成果质量，对重点土类的工程量和平面分布把握更加准确，更利于进行造价控制和后续的施工管理；

3）对设计人员提高设计工作效率，节省画图等简单重复时间，自带施工图出图功能设置后可进行批量绘图。尤其设计修改时，修改输入数据，相应设计文件理论上可同步传递更新，比传统设计更容易减少重复操作，为项目方提供更好的服务。

Civil3D有很强大的功能，在土木工程、尤其道路等行业中应用更为有利，有的功能需要基于相应的行业，结合其它设计软件来实现；而土石方部分功能应用于港口疏浚工程设计针对性较强，通过本工程的验证能够较好提高设计工作效率，提高设计工作质量，运用得当，对后续的工程管理也将提供一定帮助。