BIM技术在航道整治工程中的应用研究

袁立莎（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）



BIM技术在航道整治工程中的应用研究

袁立莎
（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）

长江南京以下12.5m深水航道二期工程时间紧任务重，传统的设计方法已不能满足本工程的强度、精度要求了。为高效、快速、准确地提交每次的成果，设计团队通过采用 BIM技术，在不同阶段开展相应设计工作，高质高效地完成了设计任务，为今后航道整治工程及类似工程的应用拓展了思路。

航道整治；三维设计

引　言

长江南京以下 12.5m深水航道建设工程按照“整体规划、分期实施、自下而上、先通后畅”的治理思路分期实施。其中一期工程于2014年7月建成。二期工程具有沿程长，碍航浅段较多的特点。其中，福姜沙水道上起江阴长江大桥下至九龙港，全长约40 km。长江主流自江阴以下经福姜沙分为左汊和右汊（福南水道），左汊主流经双涧沙分为福北水道和福中水道，整个福姜沙水道在平面上呈现“两级分汊、三汊并存”的格局，是几个河道中整治难度最大的河道。而福姜沙因为牵扯到整体整治效果、沿岸经济区的各方利益等多种复杂因素，平面布置方案主要就有福中+福北水道方案、福中水道方案、福南+福北水道方案这三大方向。

根据整体分流比的调整、冲淤变化的影响、保滩稳槽的效果，平面方案多次调整。对于每一次的调整，结构设计都要提供相应推荐方案，并进行整个工程项目总投资、经济效益等综合比较。传统的设计方法已不能满足设计强度和精度要求。因此为了高效、快速、准确地提交每次的成果，应对项目后续阶段大量的设计绘图工作，促使设计团队选择了一种更好、更适合的工作方法—建筑模型信息化（BIM手段）。

图1　长江南京以下深水航道二期工程

图2　福姜沙河段平面示意

1　整治建筑物模型的建立

长江南京以下12.5m深水航道二期工程，整治建筑物为堤坝类结构，主要分为潜堤、丁坝、护滩带三种。结合地质和水流特点分析，适合选择对地基要求较低，对水流流态影响较小的斜坡式堤型（见图 3）；但本河段堤段较长，全部为水上施工且石料运距较远，为尽量减少对单一工程材料的依赖，影响工程的造价和工期，考虑在部分堤段采用混合式结构—齿形构件混合堤（见图4）。

图3　抛石斜坡堤断面

图4　齿形构件混合堤断面

1.1软件的选择

根据本工程地形对工程影响较大、构件混合堤与抛石斜坡堤交叉布置等特点，针对性地选择了适合的设计软件，其使用功能如下：

1）Civil 3D（AUTODESK产品）

选择该款软件主要目的是为了完成工程地形的模拟分析；整治建筑物的模型设计及整合；区域冲淤分析及相应的程度；工程量的提取及设计图纸（单项建筑物的平、剖、断面图）的初稿等。

2）AutoCAD（AUTODESK产品）

本软件是最常见的工程类设计软件，主要用于二维图纸的设计，完善最终的图纸成果。

3）Autodesk Inventor（AUTODESK产品）

Inventor主要适用于机械设计工程中，特别是模具的设计。本项目选用该软件主要是应用于构件的模型设计，并对比整合能力的优略性。

4）ALGOR

ALGOR软件是有限元分析软件，重点应用于本工程结构构件的整体受力情况及施工过程中构件吊运情况分析等。

5）2008地基计算系统

地基计算系统主要用于结构整体稳定性计算及混合堤地基承载能力计算分析。在本项目中考虑基础资料与计算系统的交付程度及可行性。

1.2构件的模型设计

依托工程的整治建筑物在部分堤段采用了齿形构件的混合堤作为设计断面。从三维设计的角度，采用AutoCAD 3D、Inventor软件分别进行了模型设计并进行了对比总结。

1）流畅性及属性传递

从构件模型设计的便捷性来说，CAD和Inventor两个软件都能够实现结构体的原型模拟，关键在于对软件三维设计的熟练程度。齿形构件的复杂程度不高，且不需要组装，故并不能体现出Inventor在精密机械零件的设计优势。除此以外AutoCAD 3D没有Inventor的参数化设计，不能进行模型数据的属性信息传递和应用。从项目全寿命周期的设计理念来看，Inventor所建模型更适合设计到施工流程的使用。

2）效果性

AutoCAD 3D的设计不能赋予结构以实际材质，而Inventor是可以的。故从软件最终展示的视觉效果显示，使用Inventor软件完成的渲染后的构件（见图6）比使用CAD完成的效果（见图5）更加真实，在模型展示方面更优。

图5　构件模板（CAD 3D设计）

图6　构件模板（Inventor设计）

3）整合性

AutoCAD 3D模型可以直接导入Civil 3D软件进行整合。Inventor软件没法完成直接导入，但是可以选择导出为 .dwg格式，再进行后续设计。但要注意的是，在CAD 3D和Inventor设计的时候，我们常规设计单位是毫米，在Civil 3D结合地形的设计软件中，测量单位提供的都是世界坐标系的水深值，一般均以米作为设计单位，整合的时候需注意单位的统一。

1.3整治建筑物堤身模型的设计

Autodesk Civil 3D是专门用于土木工程道路与土石方解决的设计软件。其三维工程模型有助于快速完成道路工程、场地、雨水/污水排放系统以及场地规划设计工作。

1）工程地形的模拟

拿到地形数据之后，先要对所有的数据点进行检查，剔除明显错误的数据点。添加点文件，选择使用三角网格建立曲面，完成工程区域的模拟。建立曲面还可以选择应用特征线、等高线等多种方法。从地形特征图上，明显可以看到工程区范围内等高线的布置范围，以及已建工程的工程现状。而在传统的水深图上，只能够看到水深点，不能直观判断水下地形情况。见图7～图9。

图7　高程显示工程区域

图8　等高线显示工程区域

图9　对象查看器下的工程区域

2）堤身结构模拟

应用Civil 3D软件的设计模块，依据平面布置方案，可以将整治建筑物的轴线精确定位，在完成堤顶设计宽度后放坡，与地形结合形成最终的堤脚边线。潜堤与丁坝相交的坡面，可自动相交形成。见图10、图11。

图10　工程设计工具栏

图11　单根丁坝真实模拟

3）关于设计的校核

对于工程设计，并不是有了软件就可以直接设计直接使用的，依然存在着校核的工作程序在里面。区别于传统的设计方式，对于模型的校核，则可以有多种方法来进行。如：直观的检查模型，结构堤身高的坡脚边线边界大，结构堤身矮的坡脚边线边界小，见图12；根据轴线上的纵剖面图，逐段核对顶部高程值，见图13；间隔打印出堤身断面图，核对坡面坡度的准确性，见图14。模型阶段设计成果是后续所有工作的依据，采用多种方法进行校核是非常必要的。

图12　整治建筑物局部模型

图13　剖面图校核方法

图14　断面图校核方法

2　成果交付应用

2.1冲淤变化影响分析

在长江南京以下整治工程中，维持航道水深、控制河道的变化、保证整治效果是工程的终极目标。在整治建筑物结构工程范围内，动态河势引起的冲淤变化对工程量的影响十分明显。对此，工程范围内的冲淤变化幅度分析就显得至关重要了，特别是在项目工可和初步设计阶段的概算，涉及到对总投资的控制。

冲淤幅度分析成果主要有2种形式：一种为实时设计阶段与上一阶段测量成果的数值模拟比对分析确定；另外一种则为物理模型局部冲刷试验成果分析确定。结合不断调整的试验成果，我们可以应用Civil 3D软件完成数值模拟对比分析。

冲淤变化分析可仅考虑堤身结构下的变化幅度，根据冲淤量确定堤身宽度范围内的冲刷幅度大小。

图15　冲淤变化地形分析

图16　冲淤量分析

需要特别注意的是，结构设计中关于冲淤变化程度的分析仅是比对实时设计阶段和上一阶段的变化情况，只能代表已发生时间阶段的冲刷程度，仅可以作为工可或者初设阶段的预估量依据，并不是最具代表性的量值。在施工招标阶段则需要依照物理模型试验局部冲刷成果进行该部分的设计，物模试验考虑的是各种水文年份、洪季、枯季、涨潮、落潮等综合因素的影响。故在不同的设计阶段，应合理用好数值模拟分析。

2.2结构工程量的交付

传统的工程量计算方法即设计工程师根据水深和堤顶高程进行结构分段并确定堤身高度，完成标准断面，确定工程量，一般情况下堤顶高程基本为定值或者分段定值；泥面高程在合适区段内取平均范围值。但本工程的特点是堤坝单体多；顶高程根据试验结果都是过渡分布，导致顶高程与泥面高程双变量。在这样复杂变化的堤身高度下，设计方案随时调整、设计周期很短、人为设定略微偏大的泥面高程、无法考虑清楚的地形影响的情况，就有可能导致工程完工后较大的工程量结余。故我们采用Civil 3D软件完成场地模拟建立结构模型，充分考虑断面方向地形的影响，特别是堤头部分地形的影响，精确把控工程量值的准确度。

为了对比模型直接量值的提取准确度，我们同时完成了手算工程量。手算结果与模型提取值相差在5%左右，因为手算成果不能显示断面方向的地形影响，所以模型提取量经过验证是可直接使用的。

图17　单体工程量

图18　传统算法示意

护底软体排的计量是根据余排宽度范围圈围出来的面积确定，余排指的是堤脚边线以外的护底排体的宽度，如果不能精确确定堤脚边线，则余排面积会受很大的影响，特别是堤头位置的排体范围。因此依据实际地形建立模型确定的护底结构工程量比传统设计考虑的更加详实，避免了由于传统算法考虑不周导致单项超概的风险。

图19　传统算法（未考虑堤身结构）

图20　真实模拟算法（考虑堤身结构）

2.3设计图纸的交付

内河航道类整治建筑物对于图纸的要求不同于海港设计图纸，根据河势地形变化情况对断面的一般要求为几十米左右一个断面，再加上平剖面图，设计出图的工作量是巨大的。但通过BIM技术完成模型设计后，图纸的交付则会更加便捷，特别是平、剖、断面充分考虑了地形确定的边界线显得更加真实，对于施工指导则十分有意义。图纸所有的母图都可以从模型提取出来，但最终成图还需要经过人工添加地层信息、标注等，虽工作量仍然较大，但是较传统工作方式精细化程度得到了很大的提升。

图21　设计图纸成果示意

3　结　语

本文基于正在进行的长江南京以下 12.5m深水航道二期工程，研究了BIM技术在航道整治工程中的应用，在有限的项目设计周期内快速高效地完成了设计任务。探索了BIM技术在各个设计阶段，不同设计深度所需要的程度，并总结出了满足工程进度、强度的工作流程和方法，为类似工程提供了可借鉴的经验。

［1］李建成.BIM应用：导论［M］.2015.

［2］张建平.国内外BIM研究进展［M］.2015，9.

［3］任耀.AutoCAD Civil 3D 2013应用宝典［M］.2013.

Application of BIM technique in Channel Regulating Project

Yuan Lisha
（CCCC First Harbor Consultant Co.，Ltd.，Tianjin 300222，China）

Due to the short construction period and harder work for deepwater channel phase-2 project at the lower reach of the Yangtze River from Nanjing，traditional design methods can not satisfy the requirements for the intensity and precision of the project.To submit the design results quickly，accurately and efficiently，the design team carries out the corresponding work by using BIM technique at different design stages.High quality design results are completed in high efficiency，which develops ideas for the application of BIM techniques in future channel regulating project or similar projects.

channel regulating； 3D design

U617

A

1004-9592（2016）04-0020-05

10.16403/j.cnki.ggjs20160405

2015-11-26

袁立莎（1983-），女，工程师，注册土木工程师（港口与航道工程）、水运工程造价工程师，主要从事港口航道结构设计工作。