ORD在斜坡式码头设计中的应用研究

鄂俣锟，叶成华，窦亚军，高 正

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

引 言

BIM技术即通过数字化技术，向使用者提供可视化的工程内容，达到动态的三维设计目的。目前常用的 BIM 建模软件有 Revit、Bentley等。其中Bentley系列软件涵盖领域广，针对各类工程提供了相应的产品软件。本文采用 Bentley公司开发的专业线性建模软件Open Roads Designer（简称ORD），应用于斜坡式码头工程，进行斜坡式码头的可视化设计。

斜坡式码头按结构形式可分为实体、架空、实体结合架空三种形式，布置型式为线性布置。相较于其他码头类型，斜坡式码头具有投资少、建设工期短、结构型式简洁、便于施工、对大水位差适应性强的特点，适合在水位差较大、规模较少、地质条件适宜的地区采用[1]。目前国内山区河流及水电站库区内渡口码头较多采用实体斜坡式码头型式，码头功能主要为车渡或客渡。这些区域往往水位变动大，而吞吐量较小，斜坡式码头可以很好地满足渡口功能，同时降低了工程投资。根据规范[2]，斜坡道码头坡度根据性质的不同有不同的限值，踏步斜坡式码头的坡度在 1:2～1:7之间；坡道斜坡式码头，客渡码头的坡度不陡于 1:7，车渡码头的坡度不陡于1:10，小型汽车道纵坡在困难条件下不陡于1:9。

对于实体斜坡式码头而言，斜坡道线型布置是影响工程投资的最主要因素。尤其是当选址位于地形陡峭的区域时，斜坡道的线型布置需考虑斜坡道的坡度与现状地形的贴合程度、斜坡道背水侧的开挖量以及临水侧的回填高度[3]。传统的二维设计在斜坡道线型布置时通过人工方式进行布线及试算，不仅工作量大，同时容易产生误差。而采用 ORD对斜坡道工程进行三维设计，根据不同的线型布置方案可以快速完成纵断面图的预览，供设计人员对比与地形线的贴合程度；同时，确定了线型后，在ORD软件内置的模板库中根据码头横断面图定义好断面属性后，可以快速建立完整的斜坡道模型，并输出工程量表，极大地提高了设计工作效率。本文以金沙江白鹤滩水电站库区内的一个坡道斜坡式客渡码头为例，采用 ORD进行三维设计，检验设计成果，以期对类似斜坡道工程的设计工作具有一定的参考意义。

1 项目背景

1.1 工程概况

白鹤滩水电站位于金沙江下游四川省宁南县和云南省巧家县境内，为金沙江下游河段梯级开发的第二级电站，上接乌东德水电站、下邻溪洛渡水电站；控制流域面积43.03万km2，占金沙江流域面积的 91.0 %。白鹤滩水电站距离巧家县城约45 km、宁南县城约66 km。白鹤滩水电站正常蓄水位825 m（1985国家高程基准，下同），防洪限制水位785 m，死水位765 m，调节库容104.36亿m3，水库具有年调节性能。水库防洪库容75亿m3。[4]

本工程位于库区内会东县境内，距白鹤滩水电站坝址直线约 56.2 km。场地处交通较为便利，有既有道路与码头相连接。码头结构形式采用实体坡道斜坡式结构，为客渡码头。根据白鹤滩库区内沿程回水曲线确定码头选址处的设计高水位825.12 m，设计低水位765.12 m。码头设计顶高程825.62 m，码头前沿底高程764.22 m，纵向坡度采用1:7，斜坡道平面长度420 m，沿线设一个回头弯，码头位置处由于全年断面流速均较小，平面布置时可不考虑水流方向对船舶停靠的影响。水工结构按照2个50 t级客渡船舶丁靠靠泊标准设计，斜坡道总宽度10 m，断面迎水侧设重力式挡墙，背水侧根据地形选择合适坡比放坡或开挖。码头顶高程处设置面积约 750 m2陆域平台，平台上设置候船房一座，供乘客上下船歇息，陆域平台连接码头与后方道路。码头总平面布置如图1。

图1 斜坡式码头总平面布置

1.2 设计荷载

本工程主要考虑以下几项荷载：

1）结构自重；

2）人群荷载：均布荷载3 kPa；

3）水流力：水库蓄水后港址处全年流速较小，水流力忽略不计，具体流速计算结果见表1；

表1 港址流速统计

4）地震力：工程区动峰值加速度为0.20g，基本抗震设防烈度为Ⅷ度，反应谱特征周期0.45 s。

1.3 地质条件

场地为斜坡地形，局部存在陡坡，覆盖层厚，场地北测高程785～822 m陡坎范围在白鹤滩水电站蓄水后存在表层坍岸问题，但距离码头斜坡道有一定距离，对码头斜坡道影响小，不良地质作用不发育。总体分析所选码头场地适宜。

斜坡道码头区分布砾石土及碎石土，土体工程特性分述如下：

砾石土：力学性质一般，承载力特征值fak=200 kPa，可作为一般建筑物天然地基持力层。

碎石土：力学性质一般，承载力特征值fak=250 kPa，可作为一般建筑物天然地基持力层。

2 ORD建模

采用 ORD建立斜坡道码头三维模型的过程，可以归纳为地形模型建立、断面模型建立、纵断面导入、三维模型建立四部分。

2.1 地形模型建立

将工程区范围内1:500地形图导入到ORD中，通过读取 CAD地形图中等高线及高程点上的高程数据，生成地形的三维模型。地形三维模型如图 2所示。

图2 地形三维模型

生成的三维地形模型可以直观反映工程区内冲沟与陡坎等不利地形的位置，在工程设计前期进行选址布置时可以有效避免。

2.2 断面模型建立

根据设计方案，斜坡道断面宽度10 m，迎水侧设置重力式挡墙，背水侧设排水沟。背水侧根据地形进行放坡或开挖，放坡段坡度1:2.5，浆砌块石护面；开挖段坡度1:1.75，开挖边坡高度＞5 m时，分级开挖，每5 m高差设1.5 m宽水平肩台。根据挡墙稳定性计算结果，码头典型横断面如图 3、图 4所示，图3适用于背水侧放坡的区域，图4适用于背水侧开挖的区域。

图3 码头典型面1

图4 码头典型面2

在ORD横断面模板模块中创建断面模型，并赋予不同的构件相应的材料属性，在背水侧的处理上，将放坡及开挖同时在一个断面模型中创建，可以根据地形条件自动判别，从而提高了放坡的工作效率，端部挡墙及陆域平台按照同样方法创建。

2.3 纵断面建立

在创立的三维地形图中绘制多条斜坡道码头轴线用来进行方案比选，在 ORD的纵断面模型中对每条轴线的纵断面进行设置，坡道顶底高程按照要求赋值，可以同时得到每条轴线的纵断面图，对比地形图即可得到最优方案，该方法使得方案对比过程变得十分简单，最终确定的斜坡道轴线纵剖面如图5所示。

图5 码头纵断面示意

2.4 三维模型建立

建立好横断面模型及纵断面线后，在廊道模块中建立斜坡道的廊道模型，再采用相应的横断面模型对廊道模型进行三维路面定义，即可得到斜坡道的三维模型，包含了实体结构及开挖、放坡线内容。端部挡墙和陆域平台利用同样方法实施，码头三维模型如图6所示。

图6 斜坡式码头三维模型

3 成果应用

采用 ORD建立的斜坡式码头三维模型，支持动态截面功能，可以查询任意剖面位置的断面图，通过此功能复核设计成果，可以简单快速的查找各种不利情况下的断面位置，如挡墙最高处、开挖边线最远处等，对于提高工作效率及保证设计成果质量起到了良好效果。

图7 斜坡式码头典型动态断面示意

同时，ORD支持工程量统计功能，根据断面模块中相应部位定义的材质信息，可生成三维模型的工程量表。本工程码头部分的工程量统计结果如图8所示。

图8 斜坡式码头主要工程量

4 结 语

应用 ORD软件进行斜坡式码头的三维设计因具有以下优点，可大大提高设计工作效率：

1）在斜坡式码头线型布置阶段，可以在布线的同时进行方案比选，缩短了线型选择的时间，实现了交互式设计。

2）模型建立后可以快速查询任意位置处断面形状，可以快速找到最不利断面所在位置及周边地形变化信息，保证设计成果的准确性及合理性。

3）ORD基于 Bentley平台开发，模型可以与其他专业工程之间相互参考，各专业设计成果实现了有效传递和交互式沟通。

此外，在复核设计成果后需要指出，采用ORD设计仍存在以下一些问题，需要在未来加以解决：

1）软件自动输出工程量与实际计算量有差异，主要体现在开挖量及回填量中，这是因为实际工程中存在局部处理及地基换填等情况，三维软件中对这些工程措施较难建立模型，因此输出的工程量只能作为参考，不能直接作为工程实施的依据。

2）ORD建模原理为通过放样建立线性模型，因此结构与地形的衔接均为平滑过渡，实际工程中挡墙间存在结构缝，相邻结构段之间挡墙存在一定高程，软件中无法模拟该情况，因此挡墙工程量与实际存在一定偏差。

3）软件可以模拟开挖与多级放坡的效果，但无法直接建立护面模型，只能根据开挖及放坡线的表面积计算护面结构的工程量。