基于CIVIL 3D數(shù)據(jù)源處理二次開發(fā)的研究

黃曄卉，歐陽龍山，陳懿強

（1.中交上海航道勘察設(shè)計研究院有限公司，上海 200120；2.上海市航務(wù)管理處，上海 200001）

1 背 景

建筑信息模型，即 Building Information Modeling，簡稱為BIM。BIM最初主要應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，通過在原本三維模型的基礎(chǔ)上增加其他數(shù)字信息，比如材質(zhì)，屬性等，且進行相應(yīng)的施工模擬和碰撞檢測，從而達到在項目初期階段即可發(fā)現(xiàn)設(shè)計問題的目的，繼而進行相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計，把控進度。由于其在建筑行業(yè)中帶來的效果顯著，各行各業(yè)也逐漸開始接納 BIM 技術(shù)。其中，Autodesk公司為交通運輸、土地開發(fā)和水利項目的土木工程專業(yè)領(lǐng)域所開發(fā)設(shè)計的軟件CIVIL 3D，也得到了上述領(lǐng)域設(shè)計人員的積極推廣與應(yīng)用。

早期，陳光宇[1]簡要介紹了CIVIL 3D軟件，并依據(jù)測量點數(shù)據(jù)創(chuàng)建了數(shù)字地形模型。于佳[2]以CIVIL 3D在水利工程中拱壩主體的應(yīng)用為例，展示了其在水利工程中的應(yīng)用前景。昂龍[3]等人利用CIVIL 3D創(chuàng)建的三維模型，可快速進行復(fù)雜地形的土石方施工規(guī)劃，準確計算土石方量，從而達到挖填平衡的效果。趙立鵬[4]采用BIM技術(shù)能很好的完成航道疏浚模型的建立、工程量的計算以及施工質(zhì)量的控制。

然而，在采用傳統(tǒng)方法與CIVIL 3D方法進行工程量計算時，最終所得數(shù)據(jù)往往存在誤差。產(chǎn)生誤差的原因有很多，數(shù)據(jù)源就是其中一種，之前的學(xué)者對其都沒有很好的研究和解決。因此，本文基于visual studio平臺，采用 .Net語言進行二次開發(fā)，將傳統(tǒng)測量所得的數(shù)據(jù)源進行處理，最終得到統(tǒng)一的數(shù)據(jù)源，并基于新的數(shù)據(jù)源進行CIVIL 3D方法和傳統(tǒng)方法的比較與分析。

2 建模思路和建模流程

2.1 傳統(tǒng)與CIVIL 3D的斷面法建模思路

2.1.1 傳統(tǒng)內(nèi)河航道土方計算思路

實測水深點導(dǎo)入→泥面線生成→航道中心線、航道底邊線和斷面線導(dǎo)入→疏浚斷面建立→與泥面線相交，斷面疏浚量生成→在所需斷面手動添加二級邊坡→斷面法產(chǎn)生疏浚總量。

2.1.2 CIVIL 3D的建模思路

實測水深點導(dǎo)入→地形曲面生成→航道中心線、航道底邊線導(dǎo)入→轉(zhuǎn)化航道中心線與底邊線為路線→裝配模型（即設(shè)計疏浚模型）設(shè)定，并按路線進行裝配→與地形曲面相交，生成工程量。

2.1.3 BIM計算方法

CIVIL 3D計算時采用的體積計算方法主要有以下三種：組合體積算法、平均端面積算法以及棱體算法。

組合體積算法采用實際曲面數(shù)據(jù)，而不使用公式在采樣線之間內(nèi)插體積。如果曲面三角形的任意邊小于采樣線間隔，則此方法較為有用。

若位于兩個連續(xù)樁號之間的挖方或填方區(qū)域具有相似的造型，則可以使用平均端面積的方法。

若樁號之間的地形變化較大，那么使用棱體算法會更為精確。

這三種算法中最常用的就是平均端面積算法，其原理為：將一個樁號處的材質(zhì)類型面積與下一個樁號處的材質(zhì)類型面積相加，再將兩者之和除以二，然后將結(jié)果與橫斷面之間的距離（L）相乘來計算體積。即：

3 二次開發(fā)

縱觀兩者的建模思路和方法可以看出兩者所得數(shù)據(jù)應(yīng)該是相同的，因為采用了同樣的測線和同樣的測點。以上海市內(nèi)河航道 A部分航段進行研究，航道A流經(jīng)松江區(qū)南部和金山區(qū)東部，為閘控航道，里程約7.72 km。

根據(jù)某測量單位測得的航道A的水深測點，間隔50 m取一個斷面，通過CIVIL 3D軟件建立航道A部分航段的三維原始地形曲面模型，如圖1。

圖1 某航道A地形曲面模型

按照設(shè)計要求，建立航道A該航段的設(shè)計疏浚模型，以-1.5m作為底高程，采用1:2.5的坡比，采用0.3 m和0.75 m分別作為其超深、超寬。運用CIVIL 3D建立該航道模型，用測線進行采樣得到的泥面線如圖2所示。采用傳統(tǒng)方法得到相同位置的泥面線，如圖3所示。將圖2和圖3的泥面線進行對比如圖4所示。

圖2 CIVIL 3D所得某航道A某斷面a、b泥面線示意

圖3 傳統(tǒng)方法所得某航道A某斷面a、b泥面線示意

圖4 CIVIL 3D與傳統(tǒng)方法所得泥面線對比示意

從圖4中可以看到通過CIVIL 3D與傳統(tǒng)方法所得到的開挖泥面線并不完全吻合，兩者泥面線存在微差。由于在計算土方量時，兩種軟件均采用斷面法，其開挖方量為斷面面積與斷面代表長度乘積之和，因此兩者的總體工程量存在誤差。

因此，為了解決兩者數(shù)據(jù)源不統(tǒng)一這個問題，采用.Net語言進行二次開發(fā)，使所有測點在導(dǎo)入兩種不同數(shù)據(jù)源前，先進行處理，步驟主要為以測線為基準，將測線兩邊一定范圍內(nèi)的測點進行投影得到全新的數(shù)據(jù)源，并以此數(shù)據(jù)源進行后續(xù)的研究和分析。

同樣采用上述內(nèi)河航道A部分航段進行研究，將寫好的代碼載入CIVIL 3D，選中測線，需要添加投影范圍，選擇地形測量點，進行運算，得到新的數(shù)據(jù)源和圖層。基于統(tǒng)一的數(shù)據(jù)源導(dǎo)入傳統(tǒng)軟件和CIVIL 3D進行工程量的計算，可得如下某斷面的泥面線如圖5和圖6。將圖5和圖6的泥面線置于同一個坐標系中可得圖7。

圖5 萬點歸一后傳統(tǒng)方法所得斷面

圖6 萬點歸一后CIVIL 3D所得斷面

圖7 萬點歸一后傳統(tǒng)方法與CIVIL 3D所得斷面對比

從圖7可知，兩種不同的計算軟件導(dǎo)出的泥面線是完全一致的。從而說明了當(dāng)采用統(tǒng)一數(shù)據(jù)源時，兩種方法均可行。此外，采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)源可以得到兩種不同軟件在某航段 A上所得的工程量如表1所示。

表1 萬點歸一后傳統(tǒng)方法與CIVIL 3D所得工程量對比

從表1中可以看出，采用統(tǒng)一數(shù)據(jù)源導(dǎo)入傳統(tǒng)軟件和CIVIL 3D分析計算工程量，所得數(shù)據(jù)誤差相差約0.4 %，兩者有很好的一致性。這些微小的誤差可能是由于兩種軟件在生成設(shè)計曲面過程中，邊坡工程量的處理上存在偏差導(dǎo)致的。

4 結(jié) 論

本文基于visual studio平臺，進行二次開發(fā)，解決了因數(shù)據(jù)源差異導(dǎo)致的不同軟件產(chǎn)生的誤差，同時采用處理分析后的數(shù)據(jù)源導(dǎo)入傳統(tǒng)軟件和CIVIL 3D，得到完全一致的泥面線，為后期CIVIL 3D在疏浚航道整治中的運用提供了可靠的依據(jù)。