浅析传统竖向设计法与Civil 3D竖向设计法在山区场地设计中的应用对比

李震　龚云峰

【摘 要】山区场地地形复杂，高程落差大，在此处进行场地设计的重点在于竖向设计。竖向设计的难点在于设计高程的确定和土石方工程量的计算。传统设计方法在山区这样的复杂场地模拟方面存在着不足，无法准确的统计场地竖向设计所发生的工程量，而且一旦场地标高发生变化，竖向设计需要重新调整，前后反复平添了很多无用的工作量。Civil 3D采用“动态更新+所见即所得”理念，利用曲面这一自定义对象，通过将原始地形数据转换为地形曲面，并在地形曲面上建立设计曲面这一方法计算不同曲面间的差值确定场地的填挖方工程量，同时在场地某处标高发生变化时只需输入调整后的高程值设计成果自动调整，这样既保证了工程量计算的准确性，又为设计工作节省了时间提高了效率。

【关键词】山区场地；竖向设计；设计标高；土石方工程量；Civil 3D

山区场地竖向设计的复杂性及难点

山区场地，顾名思义，多指高原、丘陵等多山地区，由于其地形起伏高差较大，山势变化无常，建筑物、设施以及道路等的布置都将受到限制，这就需要处理高差、平衡土方量以及设立支挡构筑物，因此只从场地设计本身来看已经存在不小的困难，再加之场地内建筑、设施往往有着非比寻常的意义，这样对设计人员的要求就不言而喻了。由于设计场地内的建筑、设施通常是固定的且它们之间有防火间距控制，场地内的平面布置相对容易，那么针对山区场地设计，其重中之重在于竖向设计。

竖向设计的目的在于改造和利用地形，使确定的设计标高和设计地面能满足建构筑物、设施之间和场地内外交通运输的合理要求，保证地面水有组织的排除，并力争土石方工程量最小。竖向设计的关键在于标高的确定，确定好标高需要考虑设计场地与外部场地诸如高程、坡向、排水等很多因素，因此像外部场地是山区这样情况的竖向设计其复杂性可见一斑。在这诸多因素中，山区场地竖向设计的主要难点在于由于设计场地处在山区這样一个特殊地区，交通运输不便，场地竖向设计所发生的填挖方工程量不宜“请外援”，宜“自产自销”，这样竖向设计的标高将相当关键，合适的标高会使填挖方平衡，减少外运土或是弃土工程量，为工程本身也将节省一大笔额外的投资。因此，选用合适的竖向设计方法确定标高将十分重要，目前竖向设计的方法主要有两种，下文将逐一介绍。

1.场地竖向设计的传统方法介绍

传统的场地竖向设计方法是在确定场地设计范围的前提下，在原始地形图高程点的基础上绘制设计等高线、将设计等高线离散生成若干设计高程点，进而通过计算设计高程点与原始地形图高程点的差值生成场地的土石方工程量，土石方工程量通常是用方格网的形式表现。这种方法可称之为“点线”竖向设计法。在诸如平原这样的平整场地设计时，由于场地较平坦，没有太大的起伏，该方法在采集数据及计算成果方面并无太多的问题，但在山区场地设计中，由于地势起伏的缘故，在采集原始地形数据方面经常会出现“粗差点”（即高程点文本值与实际值不符），数据的真实性有待考证，设计人员往往需要手动调整原始高程数据，设计成果的真实性也需要进一步核实，一旦某处设计场地标高发生变化，设计数据需要重新调整，工程量需要重新计算，造成了很多不必要工作量的增加。

2.利用Civil 3D进行场地竖向设计的方法介绍

Civil 3D三维设计软件在原始地形图已存在等高线、特征线和高程点的基础上，通过曲面这个载体将上述三者添加到其中，并将之命名为原始地形曲面，通过对原始地形曲面的三维观察，排除了“粗差点”的存在，保证了设计所需原始数据的准确性。在确定了原始地形曲面以及场地设计范围后，利用Civil 3D要素线功能将场地设计边界（一般是围墙中心线）的各点标高确定，再通过要素线放坡功能将设计场地与原始地形曲面相接，最后进行放坡填充生成完整的设计场地曲面。这种方法称之为“面”竖向设计法。它的好处在于场地竖向设计模拟的真实性，将地形图中彼此之间存在一定距离的高程点和等高线转化为曲面这个对象，这样更接近于真实场地，计算的成果也更反映实际发生的工程量。另外，即便某处设计标高有所调整，只需要及时的调整要素线上对应点处的标高，设计成果自动更新，减少了因为设计标高的调整需要重复计算工程量这一工作，工作时间明显减少，工作效率显著提升。

3.实际项目应用效果对比

在介绍了以上的两种竖向设计方法之后，本部分内容将以实际项目为例，对这两种方法的实际应用效果进行对比。

以某山区油库场地设计为例，该油库占地面积约600亩，设计库容70万立方米，按照石油库设计规范中的等级划分该油库属于一级油库。库址所在地形起伏较大，场地落差最高处达80米。该工程存在土石方工程量巨大，填方区地基处理费用高昂等多项不利因素，确定合适的标高，减少填方带来的高昂的地基处理费用，使填挖方工程量尽量平衡，节约投资成本成为了当务之急。通过对自然地形的分析，确定了沿自然等高线布置的总平面方案以及台阶式布置的竖向方案（自然地形、总平面及竖向布置方案如图1所示）。在确定了场地设计范围后，竖向设计分别采用“点线”竖向设计法和“面”竖向设计法进行设计。

应用“点线”竖向设计法第一步需要将原始地形图中的等高线和高程点离散获取原始地形高程数据；第二步，确定场地竖向设计范围并绘制方格网；第三步，在确定的场地竖向设计范围内绘制设计等高线，离散设计等高线为设计高程点，获得设计高程数据；第四步，计算设计高程数据与原始地形高程数据的差值，得到填挖方工程量。上述设计过程中，最有可能出现两种问题，一是二维原始地形图中“粗差点”的存在，导致竖向设计工程量的偏差（如图2所示采集到错误的高程信息导致错误的计算结果），手动调整原始高程点计算结果则有可能不准确，这种情况为设计工作带来极大的不便；二是在此种山区场地竖向设计时标高的调整非常频繁，一旦场地内部的设计高程有变化时，通过设计等高线数值的调整无法即时的得到工程量的变化（如图3所示设计等高线数值已改变但无法得到更新的工程量），需要重复上面所述的三、四步，既浪费了工作时间，又降低了工作效率。

利用Civil 3D的“面”竖向设计方法，第一步将原始地形图中的等高线和高程点转化生成地形曲面，曲面是一个连续的自定义对象，从中我们可以找出原始地形数据的一些问题，通过对曲面的设置保证工程量计算的准确性（如图4所示，曲面连续完整，“粗差点”的问题被排除）；

第二步，通过Civil 3D的要素线功能绘制出围墙中心线，在要素线上可以在任意点添加标高，它相对于传统设计中的等高线要灵活、便捷很多，如果其上的任意一点标高值有所调整，调整后填挖方工程量会自动更新；第三步，通过Civil 3D要素线放坡将设计完成的要素线与地形曲面相接，并利用Civil 3D放坡填充功能生成相应的设计曲面；第四步，通过计算设计曲面和地形曲面的差值生成填挖方工程量。（图5所示设计曲面上的要素线列表及设计曲面与地形曲面差值生成的填挖方工程量表，图6中红色线框所示调整要素线上任意一点的标高值设计曲面及填挖方工程量表动态更新）

上述设计过程中，曲面上的数据真实，且便于观察，“所见即所得”，一旦出现“粗差点”，通过对曲面的设置可避免错误数据的输入，像“点线”竖向设计法中后续反复调整的工作几乎不存在，而且Civil 3D的要素线可以修改其上任意点的标高值，即便场地设计标高发生了变化，通过修改要素线上的标高值填挖方工程量即时生成，省时省力，事半功倍。

结束语：

在山区场地设计中，Civil 3D的“面”竖向设计法与“点线”传统竖向设计法相比，可以使总图专业人员专心于场地设计本身，通过对场地的不断调整、优化，進而达到满足各方要求的场地设计最优解，这样就避免了在以往用“点线”竖向设计方法时由于原始地形数据不精确导致的手动调整原始高程点存在的工程量误差以及场地标高反复调整重复设计工作量大等问题，不但节约了人力物力，而且提高了工作效率，工程设计的质量也有了显著提升。

参考文献：

[1]赵晓光、党春红等著.民用建筑场地设计. 中国建筑工业出版社.2004年7月.第2页

[2]闫寒著.建筑学场地设计（第二版）. 中国建筑工业出版社.2010年9月.第132页

[3]任耀主编.AutoCAD Civil 3D 2013应用宝典.同济大学出版社.2013年6月.第126页至第129页