BIM技術在航道疏浚工程設計中的應用研究

葉文欣

摘 要：通過分析Civil 3D和Infraworks軟件的特點，針對目前航道疏浚工程設計中存在的問題，提出了基于Civil 3D的航道疏浚工程BIM設計方法。通過對部件進行二次開發(fā)，改進Civil 3D的部分功能，優(yōu)化設計過程中疏浚量的計算模塊。結果表明，采用BIM軟件對航道疏浚工程進行設計，能有效提高設計效率，研究成果可為類似工程提供參考。

關鍵詞：CIVIL 3D;BIM;航道設計

中圖分類號：U616+.1? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）03-0141-04

1引言

BIM全名為建筑模型信息系統(tǒng)（Building Information Modeling），根據BIM建筑信息模型手冊（2013）定義，BIM將各個建筑元素建立起內在的本身信息，并且整合建筑生命周期，使其能夠改良規(guī)劃、設計、建設、操作、和維護的流程之模型系統(tǒng)，本質是工程行業(yè)信息化的過程。它具有可視化、協調性、模擬性、優(yōu)化性、可出圖性等特點。

從2016年開始，國內各水運企業(yè)開始對BIM技術在航道工程中的應用展開研究工作，主要集中在設計階段。

袁立莎[1]是國內首批開展BIM技術在航道工程中的應用研究人員之一。其依托長江南京以下12.5m深水航道二期工程，探討了主要整治建筑物的建模技術、工程量統(tǒng)計、沖淤分析、簡單出圖等。劉擎波等人[2]采用Civil 3D軟件，探索了BIM協助出圖、精確計量、沖淤分析等。何洋[3]依托黑沙洲航道整治二期工程，驗證了Civil 3D在河床演變分析、結構設計及方案調整、可視化交底等方面的應用。于康康等人[4]結合舟山馬岙港區(qū)灌門航道炸礁工程，詳述了Civil 3D在航道炸礁工程中的應用。金瑞等[5]通過自定義部件和模板的定制，實現了航道整治工程可視化、沖淤分析、整治建筑物建模、工程量統(tǒng)計及出圖等功能。王飛等[6]在Civil 3D軟件平臺基礎上進行了一定量的二次開發(fā)，實現了參數化自動建模和超深超寬工程量的計算，在前人的基礎上實現了突破。陳懿強等人[7]基于Civil 3D進行航道中心線的擬定，進行了一定量的二次開發(fā)和改進，可滿足疏浚項目工程需求的出圖，大幅提高了工作效率。郭濤等[8]詳細地探討了BIM技術在航道建設全生命期中的應用，指出了目前應用仍處于發(fā)展階段，應用平臺和軟件還不完善。

內河航道項目屬于線性工程，在設計過程中存在方案頻繁變更調整等特點，傳統(tǒng)二維設計方法在面對方案比對或調整時，計算步驟繁瑣且容易出錯，本文通過將Autodesk系列BIM軟件應用到內河航道的疏浚設計中，利用Civil 3D的對象功能實現智能化參數化設計，進一步完善BIM軟件航道疏浚設計流程，為目前軟件短板提出合理的解決方案。

2 BIM疏浚工程設計的優(yōu)越性

2.1傳統(tǒng)航道疏浚設計流程分析

一般航道疏浚工程設計思路為：①導入水深測圖;②確定航道平面;③確定疏浚底高程和航道邊坡;④運用第三方插件或軟件進行工程量計算;⑤繪制橫縱斷面圖;⑥套圖框出圖。

由于以上過程一般在AutoCAD軟件進行，各設計要素未實現對象化，沒有建立很好的關聯，一旦設計過程中因方案調整導致設計參數或平面方案改變，則需要重新算量出圖，耗費大量時間精力。

2.2 Autodesk Civil 3D軟件簡介

Autodesk Civil 3D是Autodesk公司推出的基于對象的三維可視化、面向基礎設施行業(yè)的BIM設計軟件。該軟件不僅包含了AutoCAD的全部功能，而且還具備三維動態(tài)模型的設計功能，通過曲面編輯、路線創(chuàng)建、放坡等工具可實現工程的建模的設計計算。

由于航道工程一般為帶狀工程，該軟件在經過一定的定制化后亦可用于航道工程設計。

2.3 Autodesk Infraworks軟件簡介

Autodesk Infraworks是一款基于GIS+BIM的可視化軟件，主要用于市政工程前期方案規(guī)劃。該軟件自帶高精度的衛(wèi)星云圖，可方便快捷地還原周邊場景，具備優(yōu)秀的實時渲染引擎及強大的坐標轉換系統(tǒng)，可用于航道工程的可視化展示。

3 BIM疏浚工程設計流程

3.1建立地形曲面

在進行設計之前，首先將測量數據轉換成三維高程地形曲面。Autodesk Civil 3D軟件提供了多種數據格式創(chuàng)建地形曲面，如xyz數據、CAD圖塊、DEM數據等。

航道設計中常用的測量數據為.dwg格式水深測圖，一般可通過插件把水深數據換算為高程數據，再形成xyz格式數據集導入Civil 3D中，據此創(chuàng)建地形曲面。地形曲面具有三維可視化特性，可在圖形查看器直觀反映測量數據中的異常點，如圖1所示，并對異常數據進行修正。

3.2 航道線布置

航道線主要包括航道中心線及航道左右邊線。Civil 3D的路線功能可用于創(chuàng)建航道中心線，創(chuàng)建路線的方法主要有“從對象創(chuàng)建路線”和利用“路線創(chuàng)建工具”創(chuàng)建路線。

在實際設計中，對于部分維護性疏浚工程，可采用“從對象創(chuàng)建路線”方法，把原有航道線（必須為連續(xù)多段線）直接轉化為路線對象;對于其他航道工程，應用“路線創(chuàng)建工具”，設置航道的彎曲半徑，可便捷快速地布置航道中心線，軟件能自動根據定義好的樣式為航道線布置樁號，并隨航道線的調整而調整。用“偏移路線”功能，選擇航道中心線生成航道左右邊線，在局部加寬段手動調整。

3.3 縱斷面設計

在“地形曲面”和“航道中心線（路線對象）”的基礎上創(chuàng)建“曲面縱斷面”，生成縱斷面圖，在縱斷面圖上繪制“設計縱斷面”，用于控制航道設計底高程。對于內河航道而言，設計水位往往是沿程變化的，Civil 3D的縱斷面可以自由繪制階梯型或者傾斜線段，工程量計算方法比傳統(tǒng)設計軟件更靈活、精確。

3.4 橫斷面設計

3.4.1 疏浚工程量計算方法

本文建立的疏浚工程量計算方法采用《疏浚于吹填設計規(guī)范》規(guī)定的斷面面積法，內河航道疏浚的斷面工程量的計算公式為：

式中，V 為挖槽斷面工程量（m3），A0、A1…、An分別為計算斷面上的疏浚面積（m2），L1、L2…、Ln分別為A0與A1、A1與A2…An-1與An 計算斷面間的間距（m）。

Civil 3D在生成航道模型（道路對象）時，會沿著航道中心線（路線對象），根據縱斷面線及橫斷面進行運算，算量規(guī)則符合規(guī)范規(guī)定的斷面面積法。

3.4.2? SAC創(chuàng)建橫斷面

Civil 3D自帶的Subassembly Composer（SAC）部件編輯器可通過可視化的軟件界面和圖形交互的形式，以繪制流程圖的方式創(chuàng)建自定義部件。創(chuàng)建部件是Civil 3D用于疏浚設計的重點內容，應定義合理的設計參數與邏輯目標，包含設計底高程、超寬超深、設計邊坡等設計參數，以及通航水位等標注文字在斷面圖上的位置參數。

部件編輯器創(chuàng)建的橫斷面部件優(yōu)點在于易上手、運算速度快，不需要進行二次開發(fā)。缺點是局限性較大，僅可用于泥面線在設計底高程以上，彼此不交叉的情況。為解決這一問題，下文簡要介紹通過.NET語言開發(fā)橫斷面部件的流程。

3.4.3? NET語言編寫橫斷面

部件定制開發(fā)通過Civil 3D提供的.NET API接口進行，主要對GetLogicalNamesImplement、GetInputParametersImplement、GetOutputParametersImplement和DrawImplement方法進行重寫。

開發(fā)流程主要為：①定義輸入輸出參數，獲取邏輯目標;②繪制部件默認外觀;③用Profile類獲取設計斷面與地形曲面的交點;④通過生成封閉的多段線獲取斷面疏浚面積;⑤封裝為.apk文件發(fā)布。部件參數列表如圖2所示。

本文主要采用本方法定制的部件用于疏浚設計。

3.5 橫斷面設計建立模型導出工程量及圖紙

在建立地形曲面、縱斷面和疏浚斷面（裝配）之后，便可選擇以上要素，輸入工程的設計參數，由軟件生成道路模型，如圖3所示，并自動輸出工程量。在完成圖框、標注、字體、斷面樣式定制之后，便可從模型直接生成設計圖紙。

當需要調整設計方案時，只需要直接調整設計參數或航道線，一鍵重新生成道路模型，軟件就會自動更新工程量圖紙。

3.6 成果可視化

航道工程多為較長距離線性工程，工程范圍廣、跨度大，沿線與橋梁、船閘等涉航建筑物相互交錯，因此對于航道工程的可視化，需結合地理信息系統(tǒng)，實現模型與GIS的融合，全面展示航道沿線的地形地貌，提高設計方案的表達能力。

Civil 3D的設計成果，可通過.imx格式導入到Autodesk Infraworks中，將航道布置、水深地形、橋梁、衛(wèi)片等信息整合并精準定位，同時支持將河流、綠化、交通等信息進行場景還原，盡可能還原設計對象與周邊環(huán)境的相互關系。還可根據需要對模型添加注釋，導出航道漫游視頻。可視化效果如圖4所示。

4工程應用

采用本文建立的Civil 3D航道疏浚流程及二次開發(fā)定制的部件對某內河航道進行設計驗證，一次實施建模、工程量計算等。通過建模，快速計算并導出工程量表。其中Civil 3D軟件疏浚工程量計算結果為3047326.06m3，傳統(tǒng)設計軟件計算結果為3081494.99m3，兩者相差小于±5%，計算結果誤差在可控范圍內，符合相關規(guī)范要求。

5結語

（1）用Civil 3D進行疏浚工程三維設計時，設計參數、三維設計模型、二維圖紙與工程量之間能夠實現前后動態(tài)關聯，當需要對設計方案進行更改時，只需調整斷面參數或航道線，一鍵更新航道模型，圖紙及工程量會自動隨之變化，極大地減少了由于方案調整帶來的設計工作量，提高了設計效率。

（2）通過將設計模型與衛(wèi)星云圖關聯，利用Infraworks進行可視化展示，建立航道工程的電子沙盤，可精確定位工程地理位置，全面反映設計對象與周圍環(huán)境的相互關系，在此基礎制作的工程漫游視頻可清晰準確地展示工程整體情況，提高設計方案的表達能力。

（3）后期可通過定制Civil 3D的規(guī)范規(guī)則，結合AI算法等實現航道的智能化設計。

參考文獻：

[1] 袁立莎.BIM技術在航道整治工程中的應用研究[J].港工技術，2016，53（4）：20-24.

[2] 劉擎波，劉晗晗.Civil 3D在長江深水航道整治二期工程中的應用[J].港工技術，2017，54（1）：93-96.

[3] 何洋.CIVIL3D在黑沙洲航道整治二期工程設計中的應用[J].武漢勘察設計，2017（5）.

[4] 于康康，于洋.Civil 3D在航道炸礁工程設計中的應用[J]. 中國水運月刊，2017，17（7）：188-189.

[5] 金瑞，朱明，肖春紅.BIM技術在航道整治設計中的應用[J].人民珠江，2017（11）：65-67.

[6] 王飛，于康康，黃曄卉.BIM在疏浚設計中的二次開發(fā)與應用[J].水運工程，2017（11）：36-40.

[7] 陳懿強，曹蕾，王飛. BIM在維護疏浚工程中的運用[J].港工技術，2018.

[8] 郭濤.BIM技術在航道建設中的作用[J/OL].水運工程：1-5[2018-12-14].