BIM技术在航道疏浚工程设计中的应用研究

叶文欣

摘 要：通过分析Civil 3D和Infraworks软件的特点，针对目前航道疏浚工程设计中存在的问题，提出了基于Civil 3D的航道疏浚工程BIM设计方法。通过对部件进行二次开发，改进Civil 3D的部分功能，优化设计过程中疏浚量的计算模块。结果表明，采用BIM软件对航道疏浚工程进行设计，能有效提高设计效率，研究成果可为类似工程提供参考。

关键词：CIVIL 3D;BIM;航道设计

中图分类号：U616+.1           文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2021）03-0141-04

1引言

BIM全名为建筑模型信息系统（Building Information Modeling），根據BIM建筑信息模型手册（2013）定义，BIM将各个建筑元素建立起内在的本身信息，并且整合建筑生命周期，使其能够改良规划、设计、建设、操作、和维护的流程之模型系统，本质是工程行业信息化的过程。它具有可视化、协调性、模拟性、优化性、可出图性等特点。

从2016年开始，国内各水运企业开始对BIM技术在航道工程中的应用展开研究工作，主要集中在设计阶段。

袁立莎[1]是国内首批开展BIM技术在航道工程中的应用研究人员之一。其依托长江南京以下12.5m深水航道二期工程，探讨了主要整治建筑物的建模技术、工程量统计、冲淤分析、简单出图等。刘擎波等人[2]采用Civil 3D软件，探索了BIM协助出图、精确计量、冲淤分析等。何洋[3]依托黑沙洲航道整治二期工程，验证了Civil 3D在河床演变分析、结构设计及方案调整、可视化交底等方面的应用。于康康等人[4]结合舟山马岙港区灌门航道炸礁工程，详述了Civil 3D在航道炸礁工程中的应用。金瑞等[5]通过自定义部件和模板的定制，实现了航道整治工程可视化、冲淤分析、整治建筑物建模、工程量统计及出图等功能。王飞等[6]在Civil 3D软件平台基础上进行了一定量的二次开发，实现了参数化自动建模和超深超宽工程量的计算，在前人的基础上实现了突破。陈懿强等人[7]基于Civil 3D进行航道中心线的拟定，进行了一定量的二次开发和改进，可满足疏浚项目工程需求的出图，大幅提高了工作效率。郭涛等[8]详细地探讨了BIM技术在航道建设全生命期中的应用，指出了目前应用仍处于发展阶段，应用平台和软件还不完善。

内河航道项目属于线性工程，在设计过程中存在方案频繁变更调整等特点，传统二维设计方法在面对方案比对或调整时，计算步骤繁琐且容易出错，本文通过将Autodesk系列BIM软件应用到内河航道的疏浚设计中，利用Civil 3D的对象功能实现智能化参数化设计，进一步完善BIM软件航道疏浚设计流程，为目前软件短板提出合理的解决方案。

2 BIM疏浚工程设计的优越性

2.1传统航道疏浚设计流程分析

一般航道疏浚工程设计思路为：①导入水深测图;②确定航道平面;③确定疏浚底高程和航道边坡;④运用第三方插件或软件进行工程量计算;⑤绘制横纵断面图;⑥套图框出图。

由于以上过程一般在AutoCAD软件进行，各设计要素未实现对象化，没有建立很好的关联，一旦设计过程中因方案调整导致设计参数或平面方案改变，则需要重新算量出图，耗费大量时间精力。

2.2 Autodesk Civil 3D软件简介

Autodesk Civil 3D是Autodesk公司推出的基于对象的三维可视化、面向基础设施行业的BIM设计软件。该软件不仅包含了AutoCAD的全部功能，而且还具备三维动态模型的设计功能，通过曲面编辑、路线创建、放坡等工具可实现工程的建模的设计计算。

由于航道工程一般为带状工程，该软件在经过一定的定制化后亦可用于航道工程设计。

2.3 Autodesk Infraworks软件简介

Autodesk Infraworks是一款基于GIS+BIM的可视化软件，主要用于市政工程前期方案规划。该软件自带高精度的卫星云图，可方便快捷地还原周边场景，具备优秀的实时渲染引擎及强大的坐标转换系统，可用于航道工程的可视化展示。

3 BIM疏浚工程设计流程

3.1建立地形曲面

在进行设计之前，首先将测量数据转换成三维高程地形曲面。Autodesk Civil 3D软件提供了多种数据格式创建地形曲面，如xyz数据、CAD图块、DEM数据等。

航道设计中常用的测量数据为.dwg格式水深测图，一般可通过插件把水深数据换算为高程数据，再形成xyz格式数据集导入Civil 3D中，据此创建地形曲面。地形曲面具有三维可视化特性，可在图形查看器直观反映测量数据中的异常点，如图1所示，并对异常数据进行修正。

3.2 航道线布置

航道线主要包括航道中心线及航道左右边线。Civil 3D的路线功能可用于创建航道中心线，创建路线的方法主要有“从对象创建路线”和利用“路线创建工具”创建路线。

在实际设计中，对于部分维护性疏浚工程，可采用“从对象创建路线”方法，把原有航道线（必须为连续多段线）直接转化为路线对象;对于其他航道工程，应用“路线创建工具”，设置航道的弯曲半径，可便捷快速地布置航道中心线，软件能自动根据定义好的样式为航道线布置桩号，并随航道线的调整而调整。用“偏移路线”功能，选择航道中心线生成航道左右边线，在局部加宽段手动调整。

3.3 纵断面设计

在“地形曲面”和“航道中心线（路线对象）”的基础上创建“曲面纵断面”，生成纵断面图，在纵断面图上绘制“设计纵断面”，用于控制航道设计底高程。对于内河航道而言，设计水位往往是沿程变化的，Civil 3D的纵断面可以自由绘制阶梯型或者倾斜线段，工程量计算方法比传统设计软件更灵活、精确。

3.4 横断面设计

3.4.1 疏浚工程量计算方法

本文建立的疏浚工程量计算方法采用《疏浚于吹填设计规范》规定的断面面积法，内河航道疏浚的断面工程量的计算公式为：

式中，V 为挖槽断面工程量（m3），A0、A1…、An分别为计算断面上的疏浚面积（m2），L1、L2…、Ln分别为A0与A1、A1与A2…An-1与An 计算断面间的间距（m）。

Civil 3D在生成航道模型（道路对象）时，会沿着航道中心线（路线对象），根据纵断面线及横断面进行运算，算量规则符合规范规定的断面面积法。

3.4.2  SAC创建横断面

Civil 3D自带的Subassembly Composer（SAC）部件编辑器可通过可视化的软件界面和圖形交互的形式，以绘制流程图的方式创建自定义部件。创建部件是Civil 3D用于疏浚设计的重点内容，应定义合理的设计参数与逻辑目标，包含设计底高程、超宽超深、设计边坡等设计参数，以及通航水位等标注文字在断面图上的位置参数。

部件编辑器创建的横断面部件优点在于易上手、运算速度快，不需要进行二次开发。缺点是局限性较大，仅可用于泥面线在设计底高程以上，彼此不交叉的情况。为解决这一问题，下文简要介绍通过.NET语言开发横断面部件的流程。

3.4.3  NET语言编写横断面

部件定制开发通过Civil 3D提供的.NET API接口进行，主要对GetLogicalNamesImplement、GetInputParametersImplement、GetOutputParametersImplement和DrawImplement方法进行重写。

开发流程主要为：①定义输入输出参数，获取逻辑目标;②绘制部件默认外观;③用Profile类获取设计断面与地形曲面的交点;④通过生成封闭的多段线获取断面疏浚面积;⑤封装为.apk文件发布。部件参数列表如图2所示。

本文主要采用本方法定制的部件用于疏浚设计。

3.5 横断面设计建立模型导出工程量及图纸

在建立地形曲面、纵断面和疏浚断面（装配）之后，便可选择以上要素，输入工程的设计参数，由软件生成道路模型，如图3所示，并自动输出工程量。在完成图框、标注、字体、断面样式定制之后，便可从模型直接生成设计图纸。

当需要调整设计方案时，只需要直接调整设计参数或航道线，一键重新生成道路模型，软件就会自动更新工程量图纸。

3.6 成果可视化

航道工程多为较长距离线性工程，工程范围广、跨度大，沿线与桥梁、船闸等涉航建筑物相互交错，因此对于航道工程的可视化，需结合地理信息系统，实现模型与GIS的融合，全面展示航道沿线的地形地貌，提高设计方案的表达能力。

Civil 3D的设计成果，可通过.imx格式导入到Autodesk Infraworks中，将航道布置、水深地形、桥梁、卫片等信息整合并精准定位，同时支持将河流、绿化、交通等信息进行场景还原，尽可能还原设计对象与周边环境的相互关系。还可根据需要对模型添加注释，导出航道漫游视频。可视化效果如图4所示。

4工程应用

采用本文建立的Civil 3D航道疏浚流程及二次开发定制的部件对某内河航道进行设计验证，一次实施建模、工程量计算等。通过建模，快速计算并导出工程量表。其中Civil 3D软件疏浚工程量计算结果为3047326.06m3，传统设计软件计算结果为3081494.99m3，两者相差小于±5%，计算结果误差在可控范围内，符合相关规范要求。

5结语

（1）用Civil 3D进行疏浚工程三维设计时，设计参数、三维设计模型、二维图纸与工程量之间能够实现前后动态关联，当需要对设计方案进行更改时，只需调整断面参数或航道线，一键更新航道模型，图纸及工程量会自动随之变化，极大地减少了由于方案调整带来的设计工作量，提高了设计效率。

（2）通过将设计模型与卫星云图关联，利用Infraworks进行可视化展示，建立航道工程的电子沙盘，可精确定位工程地理位置，全面反映设计对象与周围环境的相互关系，在此基础制作的工程漫游视频可清晰准确地展示工程整体情况，提高设计方案的表达能力。

（3）后期可通过定制Civil 3D的规范规则，结合AI算法等实现航道的智能化设计。

参考文献：

[1] 袁立莎.BIM技术在航道整治工程中的应用研究[J].港工技术，2016，53（4）：20-24.

[2] 刘擎波，刘晗晗.Civil 3D在长江深水航道整治二期工程中的应用[J].港工技术，2017，54（1）：93-96.

[3] 何洋.CIVIL3D在黑沙洲航道整治二期工程设计中的应用[J].武汉勘察设计，2017（5）.

[4] 于康康，于洋.Civil 3D在航道炸礁工程设计中的应用[J]. 中国水运月刊，2017，17（7）：188-189.

[5] 金瑞，朱明，肖春红.BIM技术在航道整治设计中的应用[J].人民珠江，2017（11）：65-67.

[6] 王飞，于康康，黄晔卉.BIM在疏浚设计中的二次开发与应用[J].水运工程，2017（11）：36-40.

[7] 陈懿强，曹蕾，王飞. BIM在维护疏浚工程中的运用[J].港工技术，2018.

[8] 郭涛.BIM技术在航道建设中的作用[J/OL].水运工程：1-5[2018-12-14].