基于OpenRoads Designer的河道整治设计应用

白崇宇

(辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110007)

江河水系统称为河道，在灌溉供水、城市防洪、生态环境等方面发挥着重要作用。现如今我国社会经济快速发展，河道生态退化、环境恶化状况日趋严峻，在天然河流中经常发生冲刷和淤塞现象，容易引发水害，妨碍水利发展。为提高防洪能力、提升供水保障以及改善生态环境，必须采取适当措施对河道进行整治。传统河道整治采用二维扁平化设计，手工绘图工作量大、直观性差、效率低、工程量计算精度低，尤其当出现断面修改、轴线调整等变更时，项目几乎需要重做，极大地浪费了时间与精力。

随着BIM技术在工程设计领域的不断拓展，三维设计已逐渐成为一种趋势，其设计成果准确、直观，更好地表达了设计者的意图，更加有利于指导施工。本文旨在应用BIM技术完成河道整治项目的设计，实现三维模型的建立、工程量计算、二维出图等功能。OpenRoads Designer(简称“ORD”)是本特利公司推出的一款主要应用于道路设计的BIM软件，对长距离线性工程具有较好的通用性和拓展性。基于此特点，可将ORD应用于河道整治工程的设计。本文即结合某工程实例，应用ORD软件进行正向设计，对BIM技术在水利工程中的应用与推广具有重要的参考意义。

1 工程概况

某河道整治工程新建护岸6段，长度10.4km。护岸形式分为固滨笼墙式护岸和绿滨垫坡式护岸。固滨笼墙式护岸总高度为4.0m，分4个单元，每单元较其上层单元外伸0.5m，石笼墙背水侧及底部设置规格为400g/m2的土工布。绿滨垫坡式护岸从设计护脚顶高程护砌至河岸顶高程后水平铺设1.0m，石笼厚0.4m，其下为厚0.15m碎石垫层和400g/m2的土工布。护岸坡比为1∶2.0。2种护岸典型断面如图1所示。

图1 典型断面(单位：mm)

2 传统二维设计问题与分析

现如今河道整治项目护岸工程基本都采用AutoCAD制图软件结合Office办公软件的数据处理功能进行二维设计和计算工作，主要包括护岸工程的平面设计、纵断面设计、横断面设计、工程量的计算等。设计工作中常会出现如下问题。

(1)制图工作量大。GB 0707—2011《河道整治设计规范》要求，初设阶段横断面间距为50～100m。长度为10.4km的护岸就需要绘制至少104个断面，每个断面都需要手工标注、制图，到施工图阶段还需要加密，手工绘制图纸工作量巨大且容易出现错误。

(2)直观性差。传统二维设计成果均以CAD图纸的形式呈现，由于断面尺寸多变造成图纸多达上百张，想要全面理解项目就需要前后对应的看图，花费大量的时间，效率低下。

(3)工程量计算精度低。传统设计中计算工程量用典型断面工程量乘以断面所代表的距离，累加得到最终工程量。其准确程度往往取决于横断面间距选取的大小。断面间距选取越小，工程量计算相对越准确，但消耗的人力和时间成几何增长。实际工程中河道走向蜿蜒、地形复杂，在河道弯曲处及断面过渡段，工程量计算容易出现偏差。

(4)方案调整、变更等较多。河道整治工程不同于其他场地类项目，地域广且地形交界复杂，涉及移民占地、产权地权、施工条件、工程造价、生态环境等诸多问题，经常出现断面型式修改、轴线位置改变等方案调整、变更。每次进行方案调整、变更时，项目制图、工程量计算等工作都需要重新进行，消耗了项目设计成倍的时间与人力。

针对河道整治项目二维设计中存在的问题，应用ORD软件进行更加精细、更加高效、更加整体化的护岸模型三维设计。

3 基于ORD的护岸模型设计

3.1 三维地形的创建

三维地形是土木工程三维设计的基础，创建准确的三维地形模型对项目设计起着至关重要的作用。在ORD中创建地形有两种方式，即“从文件”和“从图形过滤器”。当没有可供导入的.txt，.dat，.tin，.dtm等格式地形数据文件时，可通过图形过滤器创建三维数字地形。具体操作步骤为：CAD测量图保存为dgn文件→新建高程点过滤器和等高线过滤器→编辑过滤器设置筛选条件→建立过滤器组并生成三维地形→用“导出地形模型”选择GEOPAK TIN格式文件→完成。创建的三维地形如图2所示。

图2 三维地形

3.2 控制线的设计

护岸控制线是护岸横断面模型控制点的连线，其设计包括平曲线的设计和纵曲线的设计。平曲线的设计应根据河道规划统筹安排、合理布置，与河势的流向相适应，各段平顺连接，不能出现急弯和折线；纵曲线的设计应兼顾上下游、左右岸的关系，视护岸段实际情况合理确定。当现状岸坎顶高程低于设计水位时，防护至现状岸坎顶高程，确保不抬高地形以及缩窄河道行洪宽度；当现状岸坎顶高程高于设计水位时，设计护岸顶高程为设计水位以上0.5m。

三维地形创建后，需要将其设置为激活的地形，才能进行控制线的设计。首先通过“几何图形”菜单下的“直线”“弧”等命令绘制平面线，利用“复杂几何图形”下的“按元素复合”命令将直线、圆弧连成一条线，对其进行土木特征定义后即完成平曲线的设计。然后通过视图联动打开纵断面设计窗口，用“元素纵断面”命令绘制纵曲线，为平曲线添加Z向高程信息。纵曲线可以绘制多条，但应将其中的一条设置为激活的对象。

3.3 护岸横断面模板设计

运用ORD软件创建护岸横断面模板是进行护岸模型设计的关键步骤。合理的使用组件约束条件，详细、精确的组件尺寸直接决定了模型的生成质量。

项目的护岸断面包括绿滨垫护坡、固滨笼护角、砂砾垫层、土工布等结构，利用“廊道”菜单下的“模板”命令，根据Simple组件(简单的几何图形)、Constrained组件(约束条件)、Unconstrained组件(无约束末端条件)、Null Point组件(空点)、End Condition组件(末端条件)、Overlay/Stripping组件(清基/覆盖)等建立。其中Unconstrained组件可用于处理护坡与地形的交接，如开挖放坡至地面且不确定点位。组件约束是横断面模板设计的重点与难点，合理的使用组件约束可以使护岸与实际地形紧密贴合。横断面模板如图3所示。

图3 横断面模板

在前期设计横断面模板时，通过特征定义添加各个组件的材质(如开挖回填、格宾石笼、土工布等)，护岸模型建好后可应用“廊道报表”功能统计工程量并计算工程造价。

3.4 护岸模型的创建

护岸模型的创建需要在2D-model中应用“廊道”菜单进行，根据已设计的护岸控制线和护岸横断面模板，模型具体创建步骤：打开护岸纵断面视图→点击“新建廊道”命令→定位护岸平面控制线→定位激活的设计护岸纵曲线→定义护岸名称→选择护岸横断面模板→确定防护起止点→完成。护岸模型建好后应用“View Control”菜单，可以通过二三维联动查看模型中护岸护坡与地形的融合效果。护岸模型如图4所示。

图4 护岸模型

4 护岸模型的应用

4.1 护岸模型的展示

在3D-model模式下，通过软件的cell功能可对景观模型进行处理，如放置人物、树木、房屋、船只等，使三维护岸模型可以实景展示，为方案比选、移民征地等工作提供依据。三维护岸模型在项目设计过程中可以避免人为观察产生的错误，及时发现问题，并制定有效的应对策略，减少了设计变更，避免造成时间的浪费，极大提高了效率。三维模型能够更好地展示工程全貌，方便他人更直观地了解项目，可以更好地用于汇报和展示，宣传效果良好。

4.2 工程量统计研究

工程量的计算是工程设计的重要部分。传统的二维设计中，往往需要通过大量的断面进行工程量的统计，计算的精度取决于所取断面的数量，工作量繁杂的同时计算结果也不够精确。在ORD中，可利用“廊道报表”功能自动计算模型工程量，包括开挖方量、回填方量、石笼方量、碎石垫层、土工布等，并输出.xls格式的工程量表单。添加各材料单价后能一键生成工程造价。工程量统计如图5所示。

图5 工程量统计

4.3 出图研究

利用ORD自带的出图模块可以实现护岸的平面出图与横断面出图。通过“绘图制作”菜单下的组件标注命令，可以对桩号、高程、线形等进行自动批注。利用“放置土木平面图”命令完成护岸的平面布置图，利用“放置土木横断面”命令完成护岸的横断图。需要注意的是，横断出图过程中须打开三维视图。最后可通过“围栅”功能打印生成PDF文件。如图6所示。

图6 ORD出图

4.4 技术难点及解决方案

(1)护岸断面型式、尺寸多样，二维绘图工作量巨大。此河道整治项目为6段10.4km护岸工程，牵涉工程距离长，地形复杂多变，致使护岸设计断面型式、尺寸多样，常规的二维设计软件，必须大量绘制剖面，手工标注尺寸、高程等信息，任务量较大。

运用ORD软件的“模板”命令建立护岸典型断面，可以快速创建三维模型。利用软件自带的“放置土木横断面”命令，根据设计阶段和实际需求的不同选取需要的断面间距，自动生成模型横断面图。由于模型创建时所有结构尺寸均为实际尺寸，所以可利用软件自动标注石笼尺寸、护岸顶高程、护角顶高程等信息。

运用ORD软件省去了二维传统设计断面绘制的重复工作，避免了绘图、标注产生的错误。之前需要花费数天的出图任务只需几个小时即可完成，在提高效率的同时也提升了质量。

(2)工程项目的全寿命周期都会出现频繁的方案调整、设计变更等情况，涉及断面修改、轴线调整等工作。

当出现断面修改导致的方案调整时，可以应用ORD软件中“廊道”菜单下的“模板”命令，根据变更的要求重新制作护岸横断面模板，通过“廊道更新”命令，自动完成修改护岸模型；当出现轴线调整导致的设计变更时，无需修改横断面模板，只需要重新设计控制线，然后应用之前的横断面模板创建护岸模型即可。

传统二维设计出现此类变更后，项目几乎需要重做。运用ORD进行变更设计的高效性更为显著，软件可以使断面模板、护岸模型、工程量同步更改。节省了大量的时间和精力，真正做到了事半功倍。

(3)在河道项目护岸范围内，地形复杂多变，护岸放坡需要与地形完全融合。惯用的二维设计，需要根据地形剖面，逐个绘制横剖面图。

应用ORD软件中“廊道”菜单下的“模板”命令，在模板创建界面通过点击Add New Component添加Unconstrained组件(无约束末端条件)，自动生成护岸与地形的交线，使得护岸横断面沿控制线自动调整，自动放坡至三维地形，保证护岸衔接顺畅、提高护岸与实际地形的拟合程度，提高了设计质量。

5 结语

本文依托于某河道整治工程，实例详细说明了护岸模型的设计及其实现效果。对于不同的水利线性工程(堤防工程、长距离输水管道工程、隧道工程等)使用不同的参数及模型进行设计具有借鉴意义。但仍有如下不足需要优化。

(1)软件自带的纵断模块，无法满足河道项目多条纵断线(设计水位线、护岸顶线、护脚底线、原始地面线等)的出图要求，只能借助于其他辅助软件(如zdm等)完成。纵剖面出图需做优化。

(2)水文、水力计算是河道整治项目设计中的关键部分，如何将ORD与其他计算软件(如Flood等)更好地结合使用，现缺少有效的技术手段，需做进一步研究。