基于Civil 3D的河道設計軟件開發及應用

張 成，王 雙

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063)

河道工程主要包含河道疏浚、堤防加固、護岸護砌等工程措施，各措施中的構筑物尺寸通常隨著地形變化而變化，設計人員往往需要逐個斷面調整，使其與地形相適應。該工作主要靠手工繪制完成，不僅需要花費大量時間、效率低下，而且容易出錯。行業中雖然有百圖、遠盛、ZDM等插件可供使用[9]，但是相較于Civil 3D、PowerCivil等BIM設計軟件而言，功能相對較弱，不能實現二維和三維圖元的的聯動，斷面設計和平面設計相互隔離，不滿足精細化設計要求。

Civil 3D是一款專門為土木基礎設施行業提供的三維設計解決方案，不僅地形處理功能強大，設計的河道工程措施可自動適應地形變化；而且生成的橫斷面圖和數量表與三維模型動態關聯，當調整三維模型的“平縱橫”時，橫斷面圖和數量表可實現自動更新。設計人員在設計過程中還可通過三維視圖隨時查看三維設計效果[1]。Civil 3D經過定制開發后，即可批量生成滿足出圖要求斷面圖圖紙，同時可以快速的生成工程數量統計表[2- 3]。

1 系統設計思想

Civil 3D軟件雖然功能強大，但是操作復雜，默認設置都是針對道路工程設計而設定，出圖樣式不能符合國內相關行業的制圖規范要求，其自帶的部件也都是用于道路設計，其他專業可用的部件非常少[4]。為此，筆者根據河道工程設計習慣對Civil 3D軟件進行定制開發，設計了一套河道工程設計的功能菜單，包括項目、地形曲面、平面設計、縱向設計、標準橫斷面設計、河道模型、采樣線及材質、橫斷面圖及數量表、常用工具共9個模塊，將相對固定的步驟寫入程序后臺，使復雜過程簡單化、零散操作流程界面化[4]，設計人員依次完成各個模塊的操作即可初步完成設計任務。

各模塊中的具體功能，相對于Civil 3D的默認操作進行了適當簡化，根據河道設計規范隱藏了不必要的參數或樣式的設置(設定為默認值)，僅保留河道工程設計所需的參數與用戶進行交互，用戶更加容易掌握。

針對Civil 3D自帶部件不能滿足河道設計要求的問題，設計開發了一套較通用的部件，可自由組裝成常用的河道設計斷面模板，從而創建河道三維模型，然后與定制的樣板文件、圖框模板、打印樣式相配合，可批量創建符合行業習慣的圖紙及工程數量表。

2 系統關鍵技術研究與實現

Civil 3D提供了一系列訪問、創建和修改Civil 3D各種對象及樣式的.NET API，開發人員可使用任何支持.NET的語言對Civil 3D進行二次開發[2- 3]。

本系統采用Visual Studio軟件開發環境，通過C#語言對Civil 3D進行二次開發，關鍵技術研究及實現如下所述。

2.1 簡化Civil 3D的復雜操作

在Civil 3D中，用戶可以通過功能區“常用”選項板中的一系列下拉按鈕，創建各種對象。以曲面創建為例：①用戶需展開常用-曲面-創建曲面，以創建空白曲面對象，需點擊3次鼠標；②用戶需繼續展開新建曲面的結構樹，右擊定義標簽下的等高線，添加等高線對象，需點擊7次鼠標；③添加高程文本、添加高程塊等對象，各需點擊鼠標5次。一共單擊鼠標約20次。經過定制開發后，在一個對話框中即可完成上述操作，還可同時添加txt文本格式的高程數據、cad圖元，總共只需單擊4次鼠標。曲面創建對話框如圖1所示。

圖1 創建曲面對話框

Civil 3D提供了功能強大的路線布局工具欄，可通用導線法或線元法創建包含直線、曲面、緩和曲面的復雜路線[1]，但是河道工程中用不到緩和曲線，河道中心線的創建相對比較簡單，這些功能用于河道設計反而顯得累贅。本系統在中心線創建對話框中提供了2種創建方式，即從現有多段線轉為路線，或逐段繪制中心線，并且設計人員可選擇是否在拐點處添加圓弧，如圖2所示。

圖2 創建中心線對話框

縱向設計線創建與平面路線創建類似，系統也對該功能進行了簡化，并且增加了從文件創建縱向設計線的功能，可利用水文計算直接創建縱向設計線(例如水面線等)，如圖3所示。

圖3 繪制縱斷面設計線對話框

2.2 通用部件設計與實現

“部件”作為Civil 3D的特殊對象，由點(Point)、連接(Link)、造型(Shape)3種基本單元組成，將多種部件進行拼裝后可以完成各個結構體標準橫斷面的設計，然后利用“平縱橫”即可構建三維設計模型。但是，Civil 3D自帶的部件都是為道路設計而創建，其他專業可用的部件非常較少，需要用戶創建自定義部件。自定義部件的創建方式有3種[5]，其中部件編輯器(Subassembly Composer)是Autodesk公司提供的一款專門用于創建部件的工具軟件，用戶可通過繪制流程圖的方式，在可視化的界面中，創建帶有參數驅動的復雜部件[7- 9]。

河道工程斷面型式多種多樣，對于一般常用的斷面型式可開發成復合部件，減少部件組裝步驟。不過，單個部件不宜過于復雜，一方面復雜部件的開發難度較大，另一方面復雜部件的控制參數一般較多，設計人員難以快速掌握。為此，除常用的復合部件外，筆者還根據河道工程設計經驗，總結了一套較通用的部件單元，可靈活組裝成常見的河道設計斷面模板，分為標記點、連接線、結構物共3類。

2.3 部件管理面板

將自定義部件導入Civil 3D部件面板(引用或者說明導入方法)，即可同Civil 3D自帶部件一樣使用，但是當自定義部件較多時，不易快速查找到想用的部件。為此，系統定制開發了專門的部件管理面板，分為標記點、連接線、結構物、復合結構物、標注共5個選項卡。按照部件的創建方式進行分類管理，單擊按鈕時，縮略圖可清晰顯示各參數的意義，更加方便了用戶使用。

2.4 部件與樣板文件的配合使用

Civil 3D橫斷面圖的標注功能相對較弱，只能通過部件代碼的標簽樣式實現，部件與樣板文件配合使用可實現橫斷面圖的自動標注。部件代碼(Code)是為部件中的點、連接、造型指定的具有特定工程含義的名稱。部件中的每個基本單元可以指定多個代碼，不同的單元可以指定相同的代碼。樣板文件是Civil 3D創建項目文件的基礎，提前設定了各種對象的顯示樣式、標簽標注樣式、代碼集樣式等[5- 10]。

部件與樣板文件的配合使用示例如下所述：①在樣板文件的“標準”代碼集樣式中，為點、連接和造型配置顯示樣式和標簽樣式，例如為含有“dm_LengthTop”代碼的連接配置了“zc長度標注(表面)”標簽樣式；②用樣板文件創建項目后，裝配的代碼集樣式默認為“標準”；③使用系統提供的標注功能為部件添加標注代碼，或者手動為部件添加“標準”代碼集樣式中配置好的標注代碼；④創建橫斷面圖時各斷面即可按照代碼集樣式顯示標注。標準代碼集樣式如圖4所示。

圖4 標準代碼集樣式

3 軟件應用情況

以武穴水鐵聯運項目碼頭后方護岸設計為例，為防止本碼頭區域岸坡沖刷，本工程在碼頭區域設置2級護坡結構，第一級護坡采用厚度為800mm的拋理塊石護坡，拋石下鋪設厚度為600mm的碎石墊層。在高程為15.0m處設置了寬度為5.0m的枯水平臺，結構層從上往下依次為漿砌塊石層(厚度h=300m)、碎石層(厚度h=200mm)及粗砂層(厚度h=150mm)。第二級護坡采用干砌塊石護坡，坡頂與灘地高程平順銜接，結構層從上往下依次為干砌塊石層(厚度h=300m)、碎石層(厚度h=200mm)及粗砂層(厚度h=150mm)。二級坡頂設置漿砌塊石截水溝，并在坡面每隔50m設置排水溝與坡頂截水溝連通，坡面排水溝采用C20砼現澆。

設計人員使用本系統快速創建了岸坡防護設計模型，并批量生成了橫斷面圖紙和材質數量表，驗證了通用部件、標注功能、批量出圖和算量功能的有效性和實用性。經過與傳統設計手段完成的設計成果對比分析，軟件計算的材質數量準確，設計效率得到了極大的提高，線路越長效率提升越明顯。使用本系統通用部件搭建的橫斷面模板(裝配)如圖5所示，橫斷面圖紙效果如圖6所示。

圖5 護岸設計橫斷面模板(裝配)

圖6 護岸橫斷面圖效果

4 結論

針對傳統河道工程設計中存在的不足，在總結河道工程設計經驗的基礎上，對Civil 3D進行定制開發，實現了河道工程批量繪圖及算量功能，提高了設計效率和質量。定制開發的軟件提供了一套符合河道工程設計習慣的功能菜單，通過自定義的對話框精簡了Civil 3D的復雜操作，軟件界面友好，有效降低了Civil 3D的使用門檻，完善了Civil 3D在河道設計中的功能。定制開發的軟件還提供了一套較通用的基本部件，可靈活組裝成常用的河道設計斷面模板，提高了本河道設計軟件的通用性。