基于BIM 技術(shù)的航道疏浚工程土方量的計算

劉俊舒，喬菲菲

（1.中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，天津 300200；2.中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，上海 200032）

在項目的設(shè)計和施工階段，疏浚工程土方量的計算是必不可少的，而且場地高程計算數(shù)據(jù)的數(shù)量和質(zhì)量要求相對較高。雖然現(xiàn)在有土方計算軟件可以計算土方工程量，例如HTCAD，CASS 等，但大多數(shù)軟件只增強了計算方法的多樣性。數(shù)據(jù)的篩選，計算的準(zhǔn)確性以及3D 模型的支持仍然缺乏[1]。

國內(nèi)一些學(xué)者也有相關(guān)研究，王偉等利用Civil 3D、Subassembly Composer（部件編輯器）、Infraworks設(shè)計軟件實現(xiàn)內(nèi)河航道疏浚工程和護(hù)岸工程的參數(shù)化設(shè)計和可視化展示，并進(jìn)行橫斷面定制、標(biāo)簽定制、模板文件定制等二次開發(fā)，提出適用于內(nèi)河航道工程三維正向設(shè)計和可視化演示的技術(shù)方法[2];鄒紅霞等利用Civil 3D 軟件進(jìn)行疏浚工程場地設(shè)計、利用 Civil 3D 地質(zhì)模塊拓展包 Geotechnical Module 計算各類土層的疏浚工程量[3]；陳懿強等采用CIVIL 3D 分別建立了不同內(nèi)河的地形模型，并用曲面放坡和距離放坡建立了疏浚模型，計算了航道的疏浚工程量[4]；趙麗等采用CIVIL 3D 建立了上海市某兩條內(nèi)河航道的部分地形模型，并用斷面法建立了疏浚模型，計算了航道的疏浚工程量。所得數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)方法所得數(shù)據(jù)相差5%以內(nèi)，符合工程實際，驗證了模型的正確性[5]。

本文提出使用BIM 設(shè)計軟件來構(gòu)建設(shè)計3D 模型，并使用Autodesk Civil 3D 軟件來協(xié)助設(shè)計。Civil 3D 是Autodesk 在基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)中的多域一體化3D 設(shè)計軟件。廣泛用于測繪，地形，巖土工程，土地規(guī)劃等領(lǐng)域[6]。它可以分析和記錄測量數(shù)據(jù)，創(chuàng)建3D 地形，設(shè)計各種道路、航道的線路。

1 計算原理及方法

Civil 3D 中的曲面分為兩大類：一種是真正意義上的“曲面”，一種是“體積曲面”。按照剖分形式的不同，它們又各自分為“三角網(wǎng)”和“柵格”，合起來有四種。

（1）三角網(wǎng)曲面。三角網(wǎng)格曲面由任何一組點的Delaunay 三角剖分形成。要創(chuàng)建構(gòu)成三角形的三角形網(wǎng)格線，Civil 3D 會將最近的曲面點相互連接。通過插入點所在三角形的頂點的高程來定義曲面中任何點的高程。

（2）柵格曲面。柵格曲面由常規(guī)網(wǎng)格上的點組成。我們可以通過軟件創(chuàng)建柵格曲面或從DEM 文件直接導(dǎo)入柵格曲面。

（3）三角網(wǎng)體積曲面。三角體積曲面是由控制曲面和基準(zhǔn)曲面中的點的組合創(chuàng)建的組合曲面，也稱為差異曲面。體積曲面中任何點的Z 值恰好等于該點處控制曲面和基準(zhǔn)曲面的Z 值之間的差值。

（4）柵格體積曲面。柵格體積曲面是基于指定基準(zhǔn)曲面和控制曲面之間的差值，柵格間距和柵格方向的柵格曲面。此外，在曲面使用特征線功能可以使建成的3D 模型與實際地形一致[3]。

2 實例應(yīng)用

2.1 項目概況

本研究依托唐山港某航道工程，工程是在原20 萬噸級航道基礎(chǔ)上擴(kuò)建為25 萬噸級。

2.2 模型建立

運用Civil 3D 的點創(chuàng)建和曲面定義功能，生成本工程的原泥面。

圖1 原泥面生成

可以根據(jù)原泥面模型清晰地看出原20 萬噸級航道的地形情況。并可根據(jù)顏色的深淺判斷水深的不同。

航道的斷面尺度根據(jù)下表的尺度進(jìn)行模型建立。

表1 航道斷面尺度

對于航道斷面的建立，目前有兩種主流方法。一是運用特征線生成設(shè)計曲面，并利用Civil 3D 的放坡功能進(jìn)行模型建立；二是運用Autodesk Subassembly Composer 軟件進(jìn)行裝配定制。第二種方法的優(yōu)勢在于進(jìn)行斷面法出圖的同時，可以對斷面圖進(jìn)行符合水運系統(tǒng)出圖習(xí)慣的深度定制。

圖2 運用Autodesk Subassembly Composer 軟件進(jìn)行航道斷面設(shè)計

2.3 斷面圖的生成

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)JTS181-5-2012《疏浚與吹填工程設(shè)計規(guī)范》[7]中規(guī)定“疏浚工程的計算斷面工程量可采用斷面面積法、平均水深法或網(wǎng)格法進(jìn)行計算”；JTS110-7-2013《水運工程施工圖文件編制規(guī)定》[8]中要求，“疏浚土方量宜采用斷面法計算”。下圖為運用傳統(tǒng)方法繪制的航道工程斷面圖。

圖3 傳統(tǒng)方法繪制的航道工程斷面圖

對于傳統(tǒng)方法繪制的航道工程斷面圖，有以下幾個弊端。

（1）大量重復(fù)性工作，易出錯，且后期改圖工作量很大；

（2）設(shè)計人員在繪制原泥面線時，受制于個人主觀原因和測圖密度原因，無法精確繪制；

（3）根據(jù)JTS181-5-2012《疏浚與吹填工程設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的斷面工程量計算公式：

V－挖槽斷面工程量；

A－分別為各計算斷面上的疏浚面積；

L－分別為各斷面間的間距。

設(shè)計人員根據(jù)繪制的斷面圖進(jìn)行每個斷面的面積計算，再運用Excel 等工具進(jìn)行總挖方量的計算。但斷面繪制得不精確或設(shè)計人員失誤等人為因素會導(dǎo)致工程量也不準(zhǔn)確。

（4）一般在施工圖階段，設(shè)計人員會視斷面變化復(fù)雜程度以1000m，500m 或200m 為間隔繪制斷面，加密斷面間隔會導(dǎo)致成倍地增加繪圖工作量。

對于以上四點，基于BIM 技術(shù)的繪圖技術(shù)可以很好地解決這些問題。

圖4 Civil 3D 繪制的航道工程斷面圖

（1）運用BIM 技術(shù)在設(shè)置好出圖模板后，可以一鍵出圖，后期改圖只需對模型修改，斷面及工程量表均實時變化，改圖工作量大幅減少；

（2）斷面圖生成的原泥面線為實際泥面線（測圖），完全排除了人為因素的影響；

（3）工程量生成均為程序自動完成，且斷面面積為自動計算；

（4）斷面間隔可以自由設(shè)定，并不會增加設(shè)計人員的工作量。

2.4 斷面圖的生成

運用BIM 技術(shù)的另一個優(yōu)勢就是工程量可以快速生成并予以呈現(xiàn)，同時數(shù)據(jù)為動態(tài)更新，模型變化，工程量同時變化，為后期改動提供的了非常大的便利。依托本工程運用BIM 技術(shù)計算的總工程量與傳統(tǒng)方法計算的工程量差距在2.4%。

圖5 Civil 3D 生成的工程量表

3 結(jié)語

相對于傳統(tǒng)的CAD 挖方計算方法來說，運用Civil 3D 軟件在兩個不規(guī)則曲面進(jìn)行計算時更為方便靈活，更為直觀、準(zhǔn)確。更為重要的是，作為BIM 設(shè)計軟件，動態(tài)設(shè)計有著非常重要的應(yīng)用，對于挖方計算及圖紙修改提供了極大的便利。