BIM技术在港口建设中的创新应用

摘要 为提高BIM技术在港口建设中的完善性，提出研究BIM技术在港口建设中的创新应用。文章以五条航道疏浚工程为研究对象，使用BIM软件设计3D模型，并使用Autodesk Civil 3D软件协助设计，利用Civil 3D的对象功能实现智能化的参数化设计；首先介绍了Civil 3D计算流程，包括建立地形曲面、航道线布置、纵断面设计、横断面设计以及建立模型导出工程量及图纸；然后结合案例对比分析Civil 3D断面法和传统断面法对开挖工程量的计算，结果差值百分比均低于2%，符合标准要求。研究表明，应用Civil 3D断面法计算航道疏浚中的开挖工程量，不仅准确性高、计算快速，还可根据方案的调整立即更改设计并导出工程量的计算结果。

关键词 BIM技术；Civil 3D；港口建设；航道疏浚；工程量计算

中图分类号 U616 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2024）17-0186-03

0 引言

BIM全称为building information modeling，即建筑信息模型。它是一种三维模型，创建的基础信息是工程项目所包含的相关信息数据。该模型的核心是将数据模型化，并在不同阶段和不同主体之间进行相互传递[1]。通过所建的建筑信息模型为项目策划、设计、施工以及运维的全生命周期过程提供有效参考，为项目工程各阶段的顺利进行提供数据支撑。Autodesk Civil 3D作为一款专注于土木工程设计与文档制作的建筑信息模型（BIM）工具，是Autodesk公司在基础设施行业提供的一款功能强大的多领域一体化3D设计软件[2]。它在多个领域有着广泛应用，包括勘测测绘、地下管网布局以及土地规划等。这款软件能够对测量数据进行精准的分析与记录，帮助用户创建精细的三维地形模型，并能够对各种道路和航道进行线路设计，从而大幅提升土木工程的设计效率与质量。

该文以港口建设中的航道疏浚项目为研究对象，对疏浚工程的开挖土方量进行计算。在港口建设的航道疏浚工程中，运用BIM设计软件以创建精确的3D设计模型，同时辅以Autodesk Civil 3D软件辅助设计过程。鉴于航道疏浚工程特有的线性特点，设计方案往往需经历多次的调整与优化。传统的二维设计方法在处理这类变更时，不仅计算过程烦琐、易错，而且耗时较长。因此，引入Autodesk系列BIM软件，可以显著提升航道疏浚设计流程的完善度。通过充分利用Civil 3D的对象功能，实现智能化和参数化的设计，从而大大提高设计效率与准确性。

1 Civil 3D计算流程

在Civil 3D软件中，土方量的计算通常运用三种主要方法：曲面体积法、放坡体积法以及断面面积法。其中，曲面体积计算法是通过构建至少两个曲面，然后比较这些曲面之间的体积差异，从而得出土方量[3]。而放坡体积计算法则是一种灵活调整土方量的手段，利用专门的放坡体积工具，可以迅速调整曲面的高度，以满足工程需求。

至于断面面积法，它特别适用于像道路、航道这样的横向带状工程，其计算原理与传统的断面面积法相吻合。在该文中，采用横断面面积法进行计算。基于Civil 3D软件的航道疏浚工程量的计算流程具体如图1所示：

图1 基于Civil 3D软件的航道疏浚工程量计算流程图

1.1 建立地形曲面

在创建之前，首要任务是对获取的测量数据进行转换处理，确保这些数据能够转换为三维高程地形曲面。利用Autodesk Civil 3D这一强大的软件工具，可以轻松应对各种格式的数据，包括XYZ数据、CAD图块以及DEM数据等，进而创建出精确的地形曲面。当进行港口建设的水道疏浚设计时，通常会使用DWG格式的深度图作为工作基础[4]。这些深度图的测量数据可通过专门的插件转换为高程数据，并进一步转化为XYZ格式的数据集。随后，这些数据集将被导入到Civil 3D软件中，用以构建地形曲面。得益于地形曲面的三维可视化特性，能够直观地检测测量数据是否存在异常。图形查看器能够迅速反映出异常点的位置，从而直接对这些异常点数据进行修正。这一过程如图2所示：

图2 水深地形图

1.2 航道线布置

航道线的规划涵盖了左边线、右边线以及关键的航道中心线的设置。在Civil 3D软件中，创建航道中心线的过程可以利用其路线功能完成。具体地，操作时可以选择“创建对象路线”或者“创建路线工具”生成中心线。对于那些需要将原有的连续多段航道线转化为航线对象的情况，通常会采用“从对象创建航线”的功能，这一功能在维护性疏浚工程中尤为常见。而在其他的航道项目中，更多的是直接使用“路线创建工具”，首先设定好航道的弯曲半径，然后布置出航道中心线。值得一提的是，Civil 3D软件能够自动按照预设的样式排列航道线的桩号，并且在需要调整航道线时，桩号也能相应地作出调整。至于航道左、右边线的布置，可以选择“偏移路线”这一功能。在生成航道的左、右两条航线时，首先选定航道中心线作为基准，然后软件会根据设定的偏移量自动生成这两条航线。根据实际需求，可以在航线生成后进行手动调整，以改变航线的宽度尺寸。

1.3 纵断面设计

完成地形曲面和航道线的创建工作后，进一步构建“曲面纵断面”，并生成纵断面图。在这个纵断面图上，绘制“设计纵断面”，它起到控制航道设计底部高程的关键作用。相较于传统的设计软件，Civil 3D软件展现出了更高的设计准确率和更灵活的运用性。在进行纵断面设计时，该软件可以根据实际地形和需要，自由绘制各种形状，无论是阶梯形状、倾斜线段还是其他复杂形态，都能轻松实现。这种灵活性大大提高了设计的效率和精度，使得航道设计更加符合实际需求和工程标准。

1.4 横断面设计

按照《疏浚与吹填工程设计规范》（JTS 181—5—2017）要求，对该文创建的航道疏浚工程，采用断面面积法进行开挖工程量计算，其计算公式如下：

V=A0+A1 2 L1+A1+A2 2 L2+…+An−1+A1 2 Ln （1）

式中，V——开挖断面的工程量（m3）；A0、A1、A2、…An——第n个断面上的疏浚面积（m2）；Ln——第n个断面与第n-1个断面间的间距（m）。根据规范规定的断面面积法算量规则，Civil 3D软件在道路对象即生成的航道模型时，会沿着路线对象即航道中心线，按照纵断面线及横断面进行运算。

在进行横断面创建时，通过绘制流程图的方式，可以选择Civil 3D软件中自带的SAC（全称Subassembly Composer）组件编辑器，以其可视化的软件界面和图形交互的形式创建自定义组件[5]。创建部件这一步是应用Civil 3D软件，进行包括设计底部高程、设计边坡、超宽超深、导航水位标注文字位置参数等在内的航道疏浚设计的关键环节，设计参数相对复杂、设计规范要求、逻辑清晰。

在创建横断面部件时，部件编辑器提供了一个直观、简便的方法，其上手难度低且计算精准，能够有效避免烦琐的二次开发流程。然而，它在实际应用中可能受限于特定的场景，尤其是当泥面线高于设计底部高程且需要避免交叉时。为克服这一局限，可以借助.NET语言进行横断面部件的开发。利用Civil 3D软件的.NET API接口，可以编写自定义的横断面部件。这一过程主要涉及对GetLogicalNamesImplement、GetInputParametersImplement、GetOutputParametersImplement和DrawImplement等关键方法的重新编写，从而确保横断面部件的精确绘制与灵活，以适应不同的设计需求。这种方法不仅扩展了横断面部件的应用范围，也提高了其在复杂工程场景中的适用性。其具体步骤如下：

（1）首先，需要明确输入和输出的参数定义，从而确立逻辑目标，为后续操作提供清晰的指导。

（2）接下来，绘制部件的默认外观，确保其在视觉呈现上符合设计要求。

（3）为了获取设计断面与地形曲面的交点，选用Profile类进行精准计算，为后续的断面分析提供准确数据。

（4）基于交点信息生成封闭的多段线，进而计算出断面的疏浚面积。

（5）最后，将上述功能封装成.apk文件，方便发布和分享，使得其他用户也能轻松地使用这些功能。

此外，部件参数明细已详细展示在图3中，以供参考。

图3 航道疏浚创建断面部件参数明细

1.5 建立模型导出工程量及图纸

在利用Civil 3D软件进行自动开挖工程量计算之前，首先将完成的地形曲面、纵断面以及疏浚断面的关键要素输入到工程设计参数中。随后，基于这些输入信息，软件将生成一个道路模型。在模型创建完毕后，可以进一步对其进行精细化设置，包括图框的确定、标注的添加、字体的选择以及截面样式的定义等。如果设计方案需要进行调整或更改，只需直接在对应的参数或航道线上进行操作即可。Civil 3D软件的强大功能允许实时查看调整后的效果，并快速生成新的道路模型。同时，随着模型的更新，相关的设计图纸也会自动导出，以确保工作的连贯性和效率。随着设计方案的调整，由此产生的工程量变化也会被Civil 3D软件自动更新和计算。完工道路的模型图如图4所示：

图4 完工道路的模型图

2 工程实例分析

该文以五条航道为例进行分析，其中有三条为沿海航道、两条为内河航道，分别为沿海航道A、沿海航道B、沿海航道C、内河航道a以及内河航道b。计算疏浚工程的土方量，在工程设计与施工环节中扮演着至关重要的角色，因此对场地高程计算数据的数量和质量要求都相当严格。尽管当前市场上已经存在如HTCAD、CASS等土方计算软件，用于估算土方工程量，但这些软件大多仅在计算方式的多样性上有所增强，而在数据的筛选、计算的精确度以及3D模型的支持等方面仍存在一些不足之处，有待进一步完善和优化。航道疏浚模型的创建采用了该文研究的Civil 3D断面面积法，然后将开挖工程量从模型中提取出来，并对比传统软件获得的工程量结果。所创建的航道疏浚模型如图5和图6所示：

以下是沿海航道A、B、C以及内河航道a、b在工程量方面的相关数据对比：

对于沿海航道A：设计断面工程量略有下降，从1 954 572.7减少至1 954 426.9，变动率为−0.01%，属于基建性工程；超宽超深工程量下降了2.89%，从568 567.5减少至552 113；计算的断面工程量同样有小幅下降，从2 523 140.2减少至2 506 539.9，变动率为−0.66%，同样属于基建性工程。

对于沿海航道B：设计断面工程量有微小的上升，从1 466 892.3增加至1 468 012.5，变动率为0.08%，属于基建性工程；超宽超深工程量下降了1.73%，从374 913.5减少至368 440.8；计算的断面工程量下降了0.29%，从1 841 805.8减少至1 836 453.3，同样属于基建性工程。

对于沿海航道C：设计断面工程量有小幅上升，从248 269.8增加至249 519.4，变动率为0.50%，属于维护性工程；超宽超深工程量下降了2.53%，从113 659.1减少至110 785.3；计算的断面工程量下降了0.45%，从361 928.9减少至360 304.7，同样属于维护性工程。

对于内河航道a：设计断面工程量略有上升，从50 784.3增加至50 835.4，变动率为0.10%，属于维护性工程；超宽超深工程量下降了2.51%，从56 034.9减少至54 628.6；计算的断面工程量下降了1.27%，从106 819.2减少至105 464。

对于内河航道b：设计断面工程量有微小的上升，从19 680.5增加至19 723.3，变动率为0.22%，属于维护性工程；超宽超深工程量上升了1.69%，从27 785.3增加至28 256.1；计算的断面工程量上升了1.08%，从47 465.8增加至47 979.4。

从上述数据中可以看出，利用Civil 3D 断面法与传统软件分别计算出的5条通道开挖工程量差值均在2%以内，分别为0.02%、0.12%、1.46%、0.79%、0.34%，符合规范标准要求。其中，设计断面的工程量差值在0.50%以下，超宽超深的工程量差值在3.00%以下。不管是对于开挖深度较大的基建性疏浚工程，还是开挖深度较小的维护性疏浚工程，Civil 3D断面法在这两方面都体现出良好的适用性。

3 总结

使用Civil 3D软件对两个不规则曲面进行计算，相对于传统的CAD挖方计算方法而言，具有更加便捷、灵活、直观且精确的优势。Civil 3D软件的运用不仅简化了计算过程，还提高了计算结果的精度，使得工程师能够更直观地理解和处理曲面数据，从而提升了整个工程设计的效率和质量。该文结合案例进行分析对比，结果进一步证明Civil 3D软件在航道疏浚工程中开挖工程量的计算方面起到很重要的作用。

参考文献

[1]夏璐一.浅析BIM技术在港口工程中的作用[J].中文科技期刊数据库（全文版）工程技术，2021（3）：2.

[2]王杰，范志旺，李权锋.BIM技术在深圳某港口道路与堆场工程施工中的应用[J].四川建材，2023（7）：169-171.

[3]闫晓敏.Civil 3D在港区工程量计算中的应用[J].海岸工程，2019（2）：115-123.

[4]王伟，杨志.BIM技术在内河航道设计中的应用[J].水运工程，2019（7）：193-197+236 .

[5]王展，姜月菊，于艺林，等.Autodesk Civil 3D软件在复杂断面结构建模中的应用[J].施工技术，2018（S1）：1524-1526.