生態河道正向三維設計及自動成圖計量研究與應用

孟 明，蘇 丹

(1.黃河勘測規劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003；2.水利部黃河流域水治理與水安全重點實驗室(籌)，河南 鄭州 450003；3.河南省城市水資源環境工程技術研究中心，河南 鄭州 450003)

1 概述

生態河道大多為天然河道，河道蜿蜒曲折，斷面復雜多變，毫無規律性，如果用傳統人工二維CAD制圖[1]，在斷面要求較密集河道工程中，多達上百斷面的工作量需要耗費大量的人力資源和設計時間，設計單位將要花費巨大的成本，才能艱難地完成這樣的項目。而且，現在河道治理隨著工程在設計周期上的時間越來越短，節奏上越來越快，業主和建設方在要求上越來越高，在保證產品質量的前提下，單純依靠傳統二維CAD人工制圖的技術手段已經不能滿足行業發展需求[2]。后期如果再遇到設計變更，牽扯到全河段，對于設計單位和設計人員都將產生巨大的工作量。

近年來，天然復雜生態河道工程設計手段主要是基于CAD人工制圖的二維扁平化設計，隨著BIM技術的發展，國內各大設計院都在不斷探索適合自己的河道高效設計方法，但是目前BIM技術在河道整治設計中的應用僅停留在平面形態規整、斷面形式單一的渠道和航道的簡單粗淺階段[3- 7]，對于平面形態復雜、斷面形式多變的生態河道無法適用，國外亦無相關技術研發。落后的生態河道設計技術與日益發展的水利建設速度嚴重不匹配，行業內亟需一種新的技術來改變傳統設計工期長、效率低的局面，從而保證設計質量、提升設計品質、提高工作效率。基于此，本文針對生態河道工程本身的特點與工程需要，基于Civil 3D研究一種生態河道正向三維設計、自動批量成圖計量的方法，以解決復雜生態河道出圖量大、統計工程量繁瑣以及變更后需全部重做的痛點。

2 研發思路和方法

生態河道工程在成圖計量前期主要工作是獲取現狀地形并進行編輯處理與平縱橫設計，之后便是工程量統計和平縱橫圖紙出圖。基于該思路在全三維環境下研究生態河道工程正向三維設計技術手段和自動成圖計量技術。

(1)在生態河道工程設計過程中，三維地形處理的優劣會直接影響后期出施工圖以及計算工程量時的精度。獲得測量專業提供的二維測量平面圖，將測量圖中各種帶有高程信息的要素圖元分類提取到CIVIL 3D中，建立起高精度的三維地形模型，并進行地形的檢查、編輯和處理。

(2)在生態河道工程設計過程中，平縱橫的設計是核心工作，而自動成圖計量是基于完整的帶有信息的河道三維模型實現的，對生成的三維地形，按照高程間隔，劃定范圍，并賦予不同范圍以不同渲染顏色，以數字化云圖的形式直觀反映工程區地勢高低分布情況，為河道護岸的選線做出初步判斷。

(3)基于曲面和選線創建縱斷面及縱斷面圖，所創建的縱斷面及縱斷面圖與平面布置選線是實時動態關聯的。考慮到生態河道橫斷面的復雜性，采用部件編輯器Autodesk Subassenbly Composer(以下簡稱ASC)利用可視化編程技術手段創建河道橫斷面部件。以此實現橫斷面設計的參數化，通過調整裝配部件參數，來生成新的標準橫斷面，告別CAD手工繪圖時經常出現的重復勞動。

(4)將正向三維設計前期的平、縱、橫有機結合成一個整體，創建出包含有所有設計信息的生態河道BIM模型。創建的可視化河道BIM模型具備出色的可視化效果，讓相關人員能夠超前體驗項目，直接從模型創建可視化效果，獲得多種設計方案，以便更好地了解設計對于項目和周圍環境的影響。

(5)研發制定自動計量規則，選擇提取算量元素，通過研發的計算分析功能，自動統計工程量，并與整個河道工程模型進行實時聯動。平縱橫設計方案調整或模型變更，工程量可實現自動更新。

(6)在實現生態河道工程設計一體化基礎上，通過采樣提取成圖計量所需數據。研發定制標準圖框、圖簽、創建圖幅，加載BIM模型數據，自動出平面圖、縱斷面圖和橫斷面圖，并與整個河道工程模型進行實時聯動，平縱橫設計方案調整或模型變更，所有圖紙自動更新。

2.1 三維地形曲面創建、編輯及處理

三維地形曲面是三維設計的基礎，為眾多設計工作提供了原始數據來源。通過點文件、多段線、AutoCAD塊、DEM文件、GIS數據等快速創建任意大小的三維地形，并對三維地形進行管理[8]。利用生成的三維地形，結合不同高程不同渲染云圖，進行曲面分析，以數字化的形式直觀反映工程區地勢高低分布情況，為河道護岸的選線、景觀節點的布置、市政管網布置做出初步判斷。

在創建曲面之前需事先創建空曲面，并設置好符合項目標準的曲面樣式，使最終得到的圖形符合項目要求。生成三維地形之后，對利用原始數據生成的新曲面進行檢查，如果曲面存在問題，可通過曲面對象編輯，對曲面進行編輯和處理[9]。

測量地形數據是所有后續設計的基礎，對于正向三維設計，三維地形曲面更是重中之重，關系到后續所有的設計、算量與出圖[10]。將傳統二維地形測量數據處理手段提升到直接在三維地形模型中進行檢查、編輯與修正，直接在可視化的環境下處理地形，節約了設計人員的三維空間想象時間、數據逐項核對時間以及規避了后期設計、算量過程中可能出現的因地形誤差可能出現返工的風險，為后續所有設計做好充分準備工作。故在三維環境下創建、編輯與修正三維地形曲面是需提前做好的最重要的準備工作。

2.2 平縱橫動態實時聯動正向三維設計

利用CIVIL 3D平臺將平、縱、橫結合成一個有機整體，實現實時聯動的正向三維設計。調整平面控制線后，在縱斷面圖和橫斷面圖中地形縱斷面和橫斷面會自動動態更新，實時觀察地形的起伏，有利于多方案的對比分析。同樣，在縱斷面圖中依據地形縱斷面進行設計時，也可動態實時的查看橫斷面。

平面設計最重要的就是在平面上進行平曲線的設計，于河道就是進行河道控制線、岸頂控制線以及水邊線等的設計。在Civil 3D中平曲線的設計就是路線的設計，創建和定義平面路線是平面設計的初始步驟之一。創建河道中心線時，通過路線樣式來控制路線部件和標簽的視覺外觀，如圖1所示，并可創建特定的樣式，以用于項目的不同階段。

圖1 創建及創建完成的河道中心線

縱斷面的主要用途是沿平面路線顯示曲面高程，使用縱斷面可以將沿目標路線或跨越特定區域的地形可視化。縱斷面以圖形化直線的形式顯示在稱為縱斷面圖的柵格中，然后在同一個柵格上繪制布局設計縱斷面。每個縱斷面圖僅顯示一條平面路線的縱斷面，創建完成縱斷面和縱斷面圖之后，可以對縱斷面的名稱、縱斷面數據以及設計規范和對縱斷面圖的名稱、樁號范圍以及高程等相關特性進行更改調整。

曲面縱斷面可從曲面上的平面路線中創建，創建完曲面縱斷面之后，便可創建縱斷面圖。然后以曲面縱斷面作為參照進行設計縱斷面的設計，在縱斷面圖的柵格上繪制設計縱斷面，通過手繪草圖或通過輸入數字值創建曲線和切線，創建具有切線的設計縱斷面，然后在變坡點(PVI)處添加曲線。

根據生態河道天然斷面的復雜多變，研究出利用可視化編程技術手段，開發參數化橫斷面裝配部件，僅需調整所需參數就可得到各種復雜斷面。為了實現全河段的高效正向三維設計，斷面部件的參數化開發是核心，在開發斷面部件之前需要構思好編程開發的思路，以及所需要設定的各類驅動參數。

在可視化編程環境中，依據開發思路逐步添加可視化的幾何對象、輔助函數、流程函數、各類判斷條件，將編程開發思路逐步以流程圖的形式可視化。在添加可視化幾何對象的同時，同步定義該幾何對象在程序中引用識別的點代碼和連接代碼，設定對象的幾何類型、對象與對象之間的幾何約束規則，配置驅動參數與邏輯目標參數，命名代碼識別描述。

部件開發完成之后，在預覽窗口中以可視化形式顯示出最終生成的可參數化斷面部件。通過預設值可檢測參數驅動和邏輯目標引用關系效果，對最初的開發思路有個直觀的可視檢測，最終將開發好的可參數化部件加載到橫斷面裝配上，形成河道可參數化橫斷面。

采用正向三維設計的思想，將平面設計與縱斷面設計實時聯動起來，同步設計，將傳統河道工程中最費時費力的平面規劃選線和縱斷面設計工作模式進行創新，提出平縱實時動態結合的工作模式。平面方案的調整可以實時同步反饋到現狀地形縱斷面中，以查看布線方案是否符合項目設計要求，并可為設計縱斷面的設計快速提供基礎依據，根據地形曲面的變化直接修改設計縱斷面參數，實現快速更新設計縱斷面方案，大大提高了平縱設計工作效率。

2.3 生態河道BIM模型創建

基于CIVIL 3D平臺以及ASC的可視化編程技術實現了河道橫斷面設計的參數化，將開發的可參數化的橫斷面部件裝配到平縱聯動設計成果上，然后通過研發出的自動尋找曲面、自動判斷挖填方、自定義邏輯目標、自定義代碼集等技術，如圖2—3所示，創建出含有所有設計信息的可參數化、可實時根據設計方案的調整而進行自動更新的整個河道三維模型，如圖4所示。

圖2 裝配創建河道三維模型的各類圖形參數以及添加自動生成河道模型的各類邏輯目標

圖3 定義添加可視化材質和出圖所需的各類標注標簽代碼

圖4 含有設計信息可參數化實時聯動的生態河道BIM模型

2.4 自動統計工程量

河道模型創建完成之后，根據工程所需，利用采樣線，提取與統計工程量相關數據。同時，在計算工程量之前定制完成工程量計算規則，該規則是自動計算工程量的關鍵。在總體積和材質體積自動計算統計中將定制完成的工程量標準和自動提取工程量的各對象添加完成，便可自動計算出本工程所有開挖回填工程量和河道護岸各材質的工程量表，如圖5—6所示。

圖5 總開挖回填工程量自動計算和計算所得總開挖回填工程量表

圖6 河道各種護岸材質工程量自動計算和計算所得護坡材質工程量表

2.5 自動批量出圖

自動提取工程量之后，便可根據項目要求提取圖紙數據。提取圖紙數據前，需開發符合項目要求的可參數化標準出圖圖框圖簽，設定出圖范圍，高程范圍，添加事先定制好的各類智能標簽和標注欄，自動批量創建河道橫斷面施工圖。

平縱出圖有別于橫斷面出圖，需要根據平面出圖要求，先將總平面圖劃分成一個個圖幅，組成圖幅組進行批量出圖。

以上數據提取完成之后，便可根據工程項目需要在1min內生成數以千計的整個生態河道項目的平面、縱斷面和橫斷面各階段圖紙。

通過平縱橫實時聯動設計，結合代碼分類對應關系進行自動標注標簽鏈接引用，利用采樣線和圖幅進行圖紙數據提取，并將開發完成的可參數化標準圖框圖簽自動與圖紙數據進行嵌套匹配，實現項目圖紙的全自動化批量出圖，且各類圖紙中的所有圖形數據以及已經創建完成的圖紙均是與設計方案實時聯動的，可實現一處變更，處處更新，大幅提高了工作效率和出手產品質量，尤其是面對數量龐大的橫斷面圖及后期變更圖紙。

3 工程實例

本研究成果應用項目為黃河一級支流沁河沁陽市城區段治理工程，該工程的縱向建設范圍為沁河安全河口至已拆除的老沁河大橋下游約0.6km，治理總長度5.5km，橫向設計范圍為左右岸大堤以內，現狀如圖7所示。本次治理河段緊鄰城區，首先要強化河岸邊界，滿足行洪安全需求；同時兼顧工程的環境效應和生態效應，使其更好的滿足生態城市的要求，為實現工程與生態景觀的有機統一，充分發揮河灘的自然景觀和人文景觀功能創造條件。由于該河段河勢不穩，主槽變化較大，為了控制河勢，穩定流路，增加河道的行洪能力，考慮對安全河口至主河槽液壓升降壩下游0.5km段共5.5km河道進行疏浚。

圖7 沁河河道灘地現狀

本次設計的生態河道蜿蜒曲折、地形地貌復雜，結合現狀地形設計岸線，斷面形式不同，為了精確、高效率的完成設計任務，項目組利用無人機進行DEM數據采集，通過global mapper軟件對數據進行處理，如圖8所示，利用ASC對河道參數化橫斷面進行開發，以Civil 3D軟件為主要平臺，三位一體的進行生態河道正向三維設計。

圖8 利用GlobalMapper創建生成可視化三維地形并輸出成.dem數據

對于DEM地形高程數據量過于龐大的難題，本文給出具體解決方案：在工程關鍵部位采用高精度DEM地形數據，在其余關注度較低部位采用傳統二維測量高程數據，兩者結合使用，在滿足項目設計高質量的基礎上又滿足高效率的要求。合理優化數據量對于后續的正向三維設計和各專業間的協同設計，起著至關重要的作用。利用Civil 3D創建及處理地形，并對現狀地形進行曲面分析，為全專業后續的所有設計工作提供基礎依據。

對創建完成的三維地形曲面進行編輯優化后，進行高程分析、坡度分析和坡向分析等，以數字化云圖的形式直觀反映工程區地勢高低分布情況，為河道岸線的選線做出初步判斷，同時結合水文資料設計出河道控制線，如圖9所示。

圖9 河道兩岸控制線設計

河道兩岸控制線設計完成之后，便可快速生成對應縱斷面及縱斷面圖，結合水文及設計資料，將設計縱斷面布在縱斷面圖中。

根據本項目要求，利用ASC開發生態河道參數化橫斷面。橫斷面設計在整個設計工作中所用時間和精力最多，通過ASC中的參數、代碼以及邏輯關系等內容可開發出任意復雜的具有邏輯關系的參數化橫斷面。將開發完成的河道橫斷面部件導入Civil 3D中，聯動平面河道控制線以及設計縱斷面，并賦予相應的邏輯目標，最終生成整個河道的三維模型，如圖10所示。

圖10 包含所有設計信息的河道BIM模型

在Civil 3D中根據設計單位四體系標準要求，開發滿足要求的各類標注、圖框圖簽等，實現一鍵式自動批量出圖和自動統計各類工程量。圖紙和工程量與設計方案實時聯動，一旦設計方案修改，所有聯動數據自動更新，大大減少了后期修改圖紙和重新計算工程量的時間，提高了工作效率，節約了成本。

該項目屬于施工圖階段出圖，將研究成果應用到本項目中，得到本項目的所有施工圖圖紙，出圖共計200張，從前期設計到后期出圖均使用本次所研究的生態河道正向三維設計技術、平縱橫自動批量出圖和自動統計工程量技術。通過先前類似項目對比可知，該項目若按照傳統設計和制圖手段來做的話，需要2名經驗豐富的設計人員用2周時間才能夠完成，這還只是能夠順利設計出圖，不算有可能出現的方案變更后，后期所耗費的反復性時間。而此次利用所研發的新技術，在保證出手成果質量一致的條件下，1名設計人員1周就完成了所有的設計和出圖任務，工作效率提高了75%，而這1周時間里有6天時間是項目專業對接、數據對接和出圖算量前的準備工作，用在出圖和算量上的時間僅為1天，后期如果出現設計變更，利用此次研究成果工作效率將會再次提升10倍。

4 結論

與傳統生態工程河道設計相比，基于Civil 3D平臺的可視化設計、平縱橫動態關聯機制研究出的生態河道正向三維設計、平縱橫自動批量出圖和自動統計工程量成果，大大提高了設計工作的生產效率，節約了人力、物力和成本，真正實現了“讓設計回歸創意，把其他交給科技”的理念。

(1)實現生態河道工程各階段全流程的正向三維設計。

(2)實現在可視化編程環境中開發出復雜河道橫斷面參數化裝配部件。在Civil 3D中通過開發的用戶界面輸入參數，可方便的修改橫斷面設計參數，以滿足橫斷面設計方案的修改需要，大幅提高了復雜河道橫斷面設計效率。

(3)將傳統人工手動逐項添加各類標注的工作模式進行創新，開發各類可聯動的標注標簽，實現圖紙自動添加標簽且可隨設計方案實時聯動更新調整。

(4)將傳統人工手動通過斷面法統計河道工程量的工作模式進行創新，研發出在全三維環境下自動統計工程量且可隨設計方案的調整實時聯動更新工程量的新型算量技術。

(5)將傳統人工手動制圖和出圖的大量重復性工作模式進行創新，研發出了一套自動批量制圖出圖且可隨設計方案的調整實時聯動更新的新型制圖出圖技術。