BIM技術在港口建設中的創新應用

摘要 為提高BIM技術在港口建設中的完善性，提出研究BIM技術在港口建設中的創新應用。文章以五條航道疏浚工程為研究對象，使用BIM軟件設計3D模型，并使用Autodesk Civil 3D軟件協助設計，利用Civil 3D的對象功能實現智能化的參數化設計；首先介紹了Civil 3D計算流程，包括建立地形曲面、航道線布置、縱斷面設計、橫斷面設計以及建立模型導出工程量及圖紙；然后結合案例對比分析Civil 3D斷面法和傳統斷面法對開挖工程量的計算，結果差值百分比均低于2%，符合標準要求。研究表明，應用Civil 3D斷面法計算航道疏浚中的開挖工程量，不僅準確性高、計算快速，還可根據方案的調整立即更改設計并導出工程量的計算結果。

關鍵詞 BIM技術；Civil 3D；港口建設；航道疏浚；工程量計算

中圖分類號 U616 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）17-0186-03

0 引言

BIM全稱為building information modeling，即建筑信息模型。它是一種三維模型，創建的基礎信息是工程項目所包含的相關信息數據。該模型的核心是將數據模型化，并在不同階段和不同主體之間進行相互傳遞[1]。通過所建的建筑信息模型為項目策劃、設計、施工以及運維的全生命周期過程提供有效參考，為項目工程各階段的順利進行提供數據支撐。Autodesk Civil 3D作為一款專注于土木工程設計與文檔制作的建筑信息模型（BIM）工具，是Autodesk公司在基礎設施行業提供的一款功能強大的多領域一體化3D設計軟件[2]。它在多個領域有著廣泛應用，包括勘測測繪、地下管網布局以及土地規劃等。這款軟件能夠對測量數據進行精準的分析與記錄，幫助用戶創建精細的三維地形模型，并能夠對各種道路和航道進行線路設計，從而大幅提升土木工程的設計效率與質量。

該文以港口建設中的航道疏浚項目為研究對象，對疏浚工程的開挖土方量進行計算。在港口建設的航道疏浚工程中，運用BIM設計軟件以創建精確的3D設計模型，同時輔以Autodesk Civil 3D軟件輔助設計過程。鑒于航道疏浚工程特有的線性特點，設計方案往往需經歷多次的調整與優化。傳統的二維設計方法在處理這類變更時，不僅計算過程煩瑣、易錯，而且耗時較長。因此，引入Autodesk系列BIM軟件，可以顯著提升航道疏浚設計流程的完善度。通過充分利用Civil 3D的對象功能，實現智能化和參數化的設計，從而大大提高設計效率與準確性。

1 Civil 3D計算流程

在Civil 3D軟件中，土方量的計算通常運用三種主要方法：曲面體積法、放坡體積法以及斷面面積法。其中，曲面體積計算法是通過構建至少兩個曲面，然后比較這些曲面之間的體積差異，從而得出土方量[3]。而放坡體積計算法則是一種靈活調整土方量的手段，利用專門的放坡體積工具，可以迅速調整曲面的高度，以滿足工程需求。

至于斷面面積法，它特別適用于像道路、航道這樣的橫向帶狀工程，其計算原理與傳統的斷面面積法相吻合。在該文中，采用橫斷面面積法進行計算。基于Civil 3D軟件的航道疏浚工程量的計算流程具體如圖1所示：

圖1 基于Civil 3D軟件的航道疏浚工程量計算流程圖

1.1 建立地形曲面

在創建之前，首要任務是對獲取的測量數據進行轉換處理，確保這些數據能夠轉換為三維高程地形曲面。利用Autodesk Civil 3D這一強大的軟件工具，可以輕松應對各種格式的數據，包括XYZ數據、CAD圖塊以及DEM數據等，進而創建出精確的地形曲面。當進行港口建設的水道疏浚設計時，通常會使用DWG格式的深度圖作為工作基礎[4]。這些深度圖的測量數據可通過專門的插件轉換為高程數據，并進一步轉化為XYZ格式的數據集。隨后，這些數據集將被導入到Civil 3D軟件中，用以構建地形曲面。得益于地形曲面的三維可視化特性，能夠直觀地檢測測量數據是否存在異常。圖形查看器能夠迅速反映出異常點的位置，從而直接對這些異常點數據進行修正。這一過程如圖2所示：

圖2 水深地形圖

1.2 航道線布置

航道線的規劃涵蓋了左邊線、右邊線以及關鍵的航道中心線的設置。在Civil 3D軟件中，創建航道中心線的過程可以利用其路線功能完成。具體地，操作時可以選擇“創建對象路線”或者“創建路線工具”生成中心線。對于那些需要將原有的連續多段航道線轉化為航線對象的情況，通常會采用“從對象創建航線”的功能，這一功能在維護性疏浚工程中尤為常見。而在其他的航道項目中，更多的是直接使用“路線創建工具”，首先設定好航道的彎曲半徑，然后布置出航道中心線。值得一提的是，Civil 3D軟件能夠自動按照預設的樣式排列航道線的樁號，并且在需要調整航道線時，樁號也能相應地作出調整。至于航道左、右邊線的布置，可以選擇“偏移路線”這一功能。在生成航道的左、右兩條航線時，首先選定航道中心線作為基準，然后軟件會根據設定的偏移量自動生成這兩條航線。根據實際需求，可以在航線生成后進行手動調整，以改變航線的寬度尺寸。

1.3 縱斷面設計

完成地形曲面和航道線的創建工作后，進一步構建“曲面縱斷面”，并生成縱斷面圖。在這個縱斷面圖上，繪制“設計縱斷面”，它起到控制航道設計底部高程的關鍵作用。相較于傳統的設計軟件，Civil 3D軟件展現出了更高的設計準確率和更靈活的運用性。在進行縱斷面設計時，該軟件可以根據實際地形和需要，自由繪制各種形狀，無論是階梯形狀、傾斜線段還是其他復雜形態，都能輕松實現。這種靈活性大大提高了設計的效率和精度，使得航道設計更加符合實際需求和工程標準。

1.4 橫斷面設計

按照《疏浚與吹填工程設計規范》（JTS 181—5—2017）要求，對該文創建的航道疏浚工程，采用斷面面積法進行開挖工程量計算，其計算公式如下：

V=A0+A1 2 L1+A1+A2 2 L2+…+An?1+A1 2 Ln （1）

式中，V——開挖斷面的工程量（m3）；A0、A1、A2、…An——第n個斷面上的疏浚面積（m2）；Ln——第n個斷面與第n-1個斷面間的間距（m）。根據規范規定的斷面面積法算量規則，Civil 3D軟件在道路對象即生成的航道模型時，會沿著路線對象即航道中心線，按照縱斷面線及橫斷面進行運算。

在進行橫斷面創建時，通過繪制流程圖的方式，可以選擇Civil 3D軟件中自帶的SAC（全稱Subassembly Composer）組件編輯器，以其可視化的軟件界面和圖形交互的形式創建自定義組件[5]。創建部件這一步是應用Civil 3D軟件，進行包括設計底部高程、設計邊坡、超寬超深、導航水位標注文字位置參數等在內的航道疏浚設計的關鍵環節，設計參數相對復雜、設計規范要求、邏輯清晰。

在創建橫斷面部件時，部件編輯器提供了一個直觀、簡便的方法，其上手難度低且計算精準，能夠有效避免煩瑣的二次開發流程。然而，它在實際應用中可能受限于特定的場景，尤其是當泥面線高于設計底部高程且需要避免交叉時。為克服這一局限，可以借助.NET語言進行橫斷面部件的開發。利用Civil 3D軟件的.NET API接口，可以編寫自定義的橫斷面部件。這一過程主要涉及對GetLogicalNamesImplement、GetInputParametersImplement、GetOutputParametersImplement和DrawImplement等關鍵方法的重新編寫，從而確保橫斷面部件的精確繪制與靈活，以適應不同的設計需求。這種方法不僅擴展了橫斷面部件的應用范圍，也提高了其在復雜工程場景中的適用性。其具體步驟如下：

（1）首先，需要明確輸入和輸出的參數定義，從而確立邏輯目標，為后續操作提供清晰的指導。

（2）接下來，繪制部件的默認外觀，確保其在視覺呈現上符合設計要求。

（3）為了獲取設計斷面與地形曲面的交點，選用Profile類進行精準計算，為后續的斷面分析提供準確數據。

（4）基于交點信息生成封閉的多段線，進而計算出斷面的疏浚面積。

（5）最后，將上述功能封裝成.apk文件，方便發布和分享，使得其他用戶也能輕松地使用這些功能。

此外，部件參數明細已詳細展示在圖3中，以供參考。

圖3 航道疏浚創建斷面部件參數明細

1.5 建立模型導出工程量及圖紙

在利用Civil 3D軟件進行自動開挖工程量計算之前，首先將完成的地形曲面、縱斷面以及疏浚斷面的關鍵要素輸入到工程設計參數中。隨后，基于這些輸入信息，軟件將生成一個道路模型。在模型創建完畢后，可以進一步對其進行精細化設置，包括圖框的確定、標注的添加、字體的選擇以及截面樣式的定義等。如果設計方案需要進行調整或更改，只需直接在對應的參數或航道線上進行操作即可。Civil 3D軟件的強大功能允許實時查看調整后的效果，并快速生成新的道路模型。同時，隨著模型的更新，相關的設計圖紙也會自動導出，以確保工作的連貫性和效率。隨著設計方案的調整，由此產生的工程量變化也會被Civil 3D軟件自動更新和計算。完工道路的模型圖如圖4所示：

圖4 完工道路的模型圖

2 工程實例分析

該文以五條航道為例進行分析，其中有三條為沿海航道、兩條為內河航道，分別為沿海航道A、沿海航道B、沿海航道C、內河航道a以及內河航道b。計算疏浚工程的土方量，在工程設計與施工環節中扮演著至關重要的角色，因此對場地高程計算數據的數量和質量要求都相當嚴格。盡管當前市場上已經存在如HTCAD、CASS等土方計算軟件，用于估算土方工程量，但這些軟件大多僅在計算方式的多樣性上有所增強，而在數據的篩選、計算的精確度以及3D模型的支持等方面仍存在一些不足之處，有待進一步完善和優化。航道疏浚模型的創建采用了該文研究的Civil 3D斷面面積法，然后將開挖工程量從模型中提取出來，并對比傳統軟件獲得的工程量結果。所創建的航道疏浚模型如圖5和圖6所示：

以下是沿海航道A、B、C以及內河航道a、b在工程量方面的相關數據對比：

對于沿海航道A：設計斷面工程量略有下降，從1 954 572.7減少至1 954 426.9，變動率為?0.01%，屬于基建性工程；超寬超深工程量下降了2.89%，從568 567.5減少至552 113；計算的斷面工程量同樣有小幅下降，從2 523 140.2減少至2 506 539.9，變動率為?0.66%，同樣屬于基建性工程。

對于沿海航道B：設計斷面工程量有微小的上升，從1 466 892.3增加至1 468 012.5，變動率為0.08%，屬于基建性工程；超寬超深工程量下降了1.73%，從374 913.5減少至368 440.8；計算的斷面工程量下降了0.29%，從1 841 805.8減少至1 836 453.3，同樣屬于基建性工程。

對于沿海航道C：設計斷面工程量有小幅上升，從248 269.8增加至249 519.4，變動率為0.50%，屬于維護性工程；超寬超深工程量下降了2.53%，從113 659.1減少至110 785.3；計算的斷面工程量下降了0.45%，從361 928.9減少至360 304.7，同樣屬于維護性工程。

對于內河航道a：設計斷面工程量略有上升，從50 784.3增加至50 835.4，變動率為0.10%，屬于維護性工程；超寬超深工程量下降了2.51%，從56 034.9減少至54 628.6；計算的斷面工程量下降了1.27%，從106 819.2減少至105 464。

對于內河航道b：設計斷面工程量有微小的上升，從19 680.5增加至19 723.3，變動率為0.22%，屬于維護性工程；超寬超深工程量上升了1.69%，從27 785.3增加至28 256.1；計算的斷面工程量上升了1.08%，從47 465.8增加至47 979.4。

從上述數據中可以看出，利用Civil 3D 斷面法與傳統軟件分別計算出的5條通道開挖工程量差值均在2%以內，分別為0.02%、0.12%、1.46%、0.79%、0.34%，符合規范標準要求。其中，設計斷面的工程量差值在0.50%以下，超寬超深的工程量差值在3.00%以下。不管是對于開挖深度較大的基建性疏浚工程，還是開挖深度較小的維護性疏浚工程，Civil 3D斷面法在這兩方面都體現出良好的適用性。

3 總結

使用Civil 3D軟件對兩個不規則曲面進行計算，相對于傳統的CAD挖方計算方法而言，具有更加便捷、靈活、直觀且精確的優勢。Civil 3D軟件的運用不僅簡化了計算過程，還提高了計算結果的精度，使得工程師能夠更直觀地理解和處理曲面數據，從而提升了整個工程設計的效率和質量。該文結合案例進行分析對比，結果進一步證明Civil 3D軟件在航道疏浚工程中開挖工程量的計算方面起到很重要的作用。

參考文獻

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