PowerCivil在水運工程挖填方計算中的應用

曹迪凡，高 正

（中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

BIM是在信息化背景下提出來的一種創新工具與生產方式，已在歐美等發達國家引發建設行業的變革。BIM在建設工程行業中的應用服務于建設項目的設計、建造、運營維護整個生命周期[1]。

PowerCivil是Bentley公司開發的一款面向道路、鐵路、橋隧、場地、雨水道等基礎設施設計的專業軟件，已逐漸應用于道路、橋梁、隧道的三維設計。如中鐵第四勘察設計院結合滬通鐵路試點項目，詳細闡述PowerCivil的三維地形建模模塊、線路選線模塊和選線設計流程[2]；劉彥明基于Bentley PowerCivil的鐵路橋梁構建三維參數化設計，以通橋（2009）4301/4201系列圓端形實體墩自動加載PCL文件為例，創建標準圖進而得出銀西線實體橋墩參考圖，合理確定橋墩高度，完成構建的參數化設計[3]；沈照慶、魏鵬飛、董朝輝等人從幾何線形設計和廊道設計方面對比PowerCivil和Civil 3D的異同[4]。

然而，Powercivil在水運工程中還沒有得到廣泛應用。本文利用PowerCivil，在水運工程挖填計算部分，給出一套較為實用的解決方案。

1 場地挖填方量計算方法比較

1.1 傳統工程量計算方法

開挖回填量的傳統計算方法，是在CAD橫斷面圖中，計算開挖橫斷面面積及回填橫斷面面積，再乘以該橫斷面縱向長度，依次累加，得到總的挖方量和填方量。公式可表示為。式中:V為挖方或填方總量（m3）；Si為第i個橫斷面開挖或回填面積（m2）；li為第i個橫斷面的縱向長度（m）。該種方法可在Excel中實現批量操作，方便快捷，已成為最基礎的挖填方量計算方法。缺點是可視化程度低，僅能通過ZDM軟件形成開口線，無法直觀地觀察到開挖體。

1.2 Powercivil計算方法

Powercivil對開挖回填的計算邏輯為，首先建立三維地形模型，其次依據開挖邊線或廊道中心線建立三維挖填模型，最后統計三維挖填模型的體積。可以直觀地觀察到挖填體，判斷何處挖填量較大，且能自動生成挖填方量。難點在于建立三維挖填模型，缺點是該軟件只適用于線狀工程的挖填計算，如河道、海堤及簡單場地平整，不適用于復雜開挖。

1.3 2種方法對比

與傳統方法相比，利用PowerCivil建立地形模型后進行挖填計算，雖然增加建立地形模型的過程，但是后續挖填方計算可通過程序自動計算，較為快捷，且能生成開挖后的地形，較為直觀。該方法主要使用Powercivil中的平面幾何、縱面幾何、地形模型、廊道模型、三維幾何5個模塊。

2 PowerCivil在實際開挖工程中的應用

2.1 在靈江船閘開挖計算中的應用

本次計算內容為靈江船閘水工主體結構的放坡開挖量，疏浚內容為沿著新的航道中心線開挖1條新的航道。對于船閘水工結構的邊坡開挖量計算，在現狀地形模型上繪制結構底邊線，利用三維幾何模塊中的“應用線性模板”功能，選擇起點樁號、終點樁號、各坡度的邊坡模板，即可生成船閘結構開挖模型（見圖1）。

圖1 靈江船閘主體結構三維開挖模型圖

接著應用地形模型中“從元素創建”功能，選中生成的開挖模型，形成開挖地形cut。最后用地形模型模塊中“分析土方量”功能，選擇來源地形模型及終點地形模型cut，2個三維地形模型相減，即可計算出開挖量。

疏浚量的計算，首先根據CAD平面圖繪制人工開挖河道中心線，再在平面幾何模塊中使用“積木法則創建路線”，生成河道中心路線。在縱面幾何模塊中對河道中心路線使用“打開縱斷面模型”功能，即可在另一窗口中得到河道中心線對應的縱斷面。在縱斷面窗口中，使用“直線坡”功能，在上游河道中心線起點和終點之間添加1條直線坡，設置該直線坡高程為-5.50 m，坡度為0，作為上游河道中心線的縱斷面。同理，對下游河道中心線進行相同操作，高程設置為-6.50 m。然后在廊道模型模塊中，使用“創建橫斷面模板”功能，在Templates目錄下創建河道橫斷面模板。

需要注意的是，坡頂2個點的屬性為“末端約束”，末端條件特性中要勾選“末端條件為無限”，坡底2個點為固定的“約束”，邊坡分左右兩邊，左邊坡在標簽中定義為邊坡1，右邊坡定義為邊坡2，方便后續修改坡度。最后，利用廊道模型中的“創建廊道”，按照提示即可完成廊道的創建，在“廊道對象”功能中，點擊“參數約束”，再點擊“新增”，即可對不同樁號段設置不同開挖坡比的邊坡。廊道模型工程量計算，可利用廊道模型中的“組件工程量”功能，直接自動生成挖填方量，十分快捷（見圖2）。疏浚計算所得填方量表示該航道部分區域天然底高程低于疏浚底高程，故所得填方量無需計入工程量。本文建立航道開挖三維建模流程見圖3。

圖2 靈江船閘航道疏浚橫斷面模板圖

圖3 基于PowerCivil的航道開挖三維建模流程圖

2.2 在東羅盤島碼頭疏浚工程中的應用

東羅盤島碼頭工程的疏浚范圍為停泊水域、回旋水域及航道，疏浚量的計算與靈江船閘水工結構的邊坡開挖計算較為相似。該工程航道與水域布置見圖4，疏浚邊坡為1:3。首先在已建的原地形模型上，繪制開挖邊線。然后應用縱面幾何模塊中“固定高程縱斷面”功能，激活開挖邊線的縱斷面并設置高程為-5.30 m。接著按照靈江船閘的操作步驟中“應用線性模板”這一步驟之后的內容進行操作，即可得到開挖模型及工程量計算結果（見圖 5 ～ 6）。ZDM土地平整功能得出的挖方量為35 625.85 m3（見圖7），與本次PowerCivil計算所得的結果相差0.46%。相互驗證2種方法的準確性。

圖4 東羅盤島碼頭航道與水域布置示意圖

圖5 東羅盤島碼頭工程疏浚三維地形模型圖

圖6 Powercivil計算所得東羅盤島碼頭工程疏浚量圖

圖7 ZDM計算所得東羅盤島碼頭工程疏浚量圖

3 結 語

PowerCivil對簡單場地開挖、線狀開挖的工程量計算邏輯較為清晰，綜合運用平面幾何、縱面幾何、地形模型、廊道模型、三維幾何5個模塊可解決較多線狀開挖、簡單場平問題，且計算結果與ZDM計算成果差別不大，較為精確，可生成可見的開挖體。