Civil 3D建模解决方案在大连湾海底隧道工程中的应用实践

姜南岸

（中交一航局第三工程有限公司，辽宁 大连 116001）

0 引言

BIM技术已经越来越多的应用于建筑业施工生产管理过程中，其在三维可视化及建筑信息传递与保存方面有着很大优势。目前，基础设施建设领域BIM建模和应用还处在探索阶段，对基础地质部分的建模和应用研究较少。对长线工程建模也有一定的局限性。因此开展结合地质地形的线性工程建模及应用研究是很有必要的。

Civil 3D作为一款面向基础设施行业的建筑信息模型的BIM解决方案，其软件架构在AutoCAD之上，具备三维动态设计优势，通过强大的曲面编辑、道路、放坡等功能实现复杂的工程建模，可以使设计者通过三维视图直观地看到设计效果，加快设计理念的实现。

1 工程概况

大连湾海底隧道建设工程全长5.1 km，隧道为双向六车道。主要包括：沉管段隧道3.0 km，南北岸暗埋段、敞开段1.7 km，接线道路0.4 km。隧道沉管段由1节135 m、12节180 m直线管节和5节148 m曲线管节组成。

隧道主线土层自上而下为淤泥层、淤泥质土层、含砾石粉质黏土，砾石层不均匀分布；岩层以白云岩和板岩为主，局部夹杂灰绿岩，管节基础以岩基为主。沉管段隧道地基较复杂，大部分沉管坐落在岩基上，部分沉管落在黏土层中。基槽开挖最大厚度20.7 m，距海平面最大深度31.7 m。

2 主线暗埋段结构建模解决方案

由于主线暗埋段为弧线登陆结构，在线路上呈现空间三维曲线形式，使用Revit无法快速准确地创建暗埋段结构模型。利用部件编辑器创建具有自适应性的结构断面部件装配，按照创建“道路”的方式来生成主线暗埋段结构模型[1]。

1）整理数据创建路线和路线纵断面

使用Civil 3D“绘制路线”功能创建路线水平基准线。在完成水平基准线绘制后还应创建整个暗埋段结构的边线和隔墙位置线，为后续操作确定偏移目标。在完成路线创建后，使用“纵断面创建工具”创建纵断面设计线[2]，在纵断面格栅视图中依次绘制结构底部轮廓线、顶部轮廓线、道路铺装设计线等结构轮廓纵断面线。注意编辑格栅表中参数使其与设计的竖曲线要素一致。

2）创建暗埋段横断面装配生成道路模型

创建暗埋段结构断面装配可以采用Civil 3D部件编辑器进行部件编辑。提前按照竖直和水平方向分别设置好“Elevation”和“Offset”目标参照，用来限制整个截面在顶、底部高程和侧、隔墙边界位置的偏移。并以此为基准创建自适应的结构横断面装配。

3）生成暗埋段模型

使用“创建道路”命令，依次选择路线水平基准线、结构底部轮廓线纵断面以及自适应道路装配生成道路模型。修改道路模型的目标参数设置，按照不同装配形式将道路划分为多个区域分别赋予相应的装配类型。修改装配的步长设定条件，注意应在垂直基线高/低点以及偏移目标曲线点处设置特殊步长控制，以保证拐点和起伏点的特征控制。最后还需要为道路设定偏移目标，将装配中偏移目标依次对应暗埋段结构的外侧边线或中隔墙位置线，高程目标依次对应结构轮廓纵断线，重新生成道路。选择道路使用“提取道路实体”工具将道路模型作为三维实体导出至新建的dwg文件即可用于后续BIM应用的开展，使用此方法创建结构模型见图1。

图1 主线暗埋段路线、装配、道路以及生成的三维实体示意图Fig.1 Schematic diagram of main line route,assembly,road and generated 3D solid

3 基于地质层的沉管基槽建模研究

借助Civil 3D软件的创建曲面功能生成三维地形曲面，将相邻地质层曲面合围生成三维地质层实体以便后续模型应用的开展。借助部件编辑器创建参数化的基槽断面装配生成沉管基槽开挖结构。

1）整理地勘数据

设计提供的地勘信息是创建三维地质模型的根本，整理地勘点平面位置图得到全部地勘点的二维平面坐标，利用Civil 3D创建二维坐标点，提取数据形成二维坐标点统计表。统计地勘钻孔柱状图上地层标高信息将各个地层的顶部和底部高程提取出来，结合平面点坐标最终形成三维坐标点统计表[3-4]，见表1。

表1 通过地勘资料整理的部分地质层坐标点Table 1 Part of geological layer coordinates sorted out by geological exploration data

2）创建地质层曲面和实体

在完成地勘数据整理后，将得到的三维坐标点按照不同地层分别导入至Civil 3D软件中，为方便区分可对不同地层进行图层划分。导入点文件后使用创建曲面功能创建三角网曲面，考虑到沉管基槽线路上的部分区域砾石层不均匀分布，地层局部夹杂特殊岩质对清淤、炸礁方量的计算有影响需要单独统计，因此部分地质夹层曲面需要重新定义生成，需要在夹层曲面边缘位置补充坐标点，使重新生成的曲面与下层曲面包覆成闭合的体积曲面。以此来近似地模拟出夹层的区域和方量，最后使用“从曲面提取实体”功能得到地质层实体。

3）创建沉管基槽开挖模型

对沉管隧道基槽开挖断面进行分析，发现横断面变化复杂放坡形式多样，使用Civil 3D软件自带部件无法满足要求，需要使用部件编辑器来创建部件装配。提前设定各地质层开挖放坡原则，将10多种地层分为淤泥、黏土、全风化岩、强风化岩、中风化岩5类并设定各自的放坡坡比。在部件编辑器中为每个地层设置对应的目标参数（曲面），从基槽坡脚开始依次向上一层目标参数（曲面）放坡，并通过设置条件判断边坡所处的地层，自动调整放坡坡比确定基槽开挖断面。在完成自建部件后将其导入Civil 3D软件中，绘制沉管基槽开挖路线，设置好路线纵断面，创建结构装配，为每个目标参数（曲面）指定地层曲面，生成最终沉管基槽开挖结构模型，见图2。

图2 利用Civil 3D创建的海底隧道基槽结构模型Fig.2 Tunnel foundation trench structure model created by Civil 3D

4 Civil 3D建模应用与总结

4.1 Civil 3D建模及应用

1）快速精确建模提取工程量

对于基槽开挖和主线暗埋段的建模，传统方式是使用Revit进行放样融合创建模型，需要手动绘制路线并为每段路线绘制断面轮廓完成放样融合，在变坡点或拐点位置还需进行特殊断面轮廓绘制，不同的结构层往往需要分多次创建。这就需要技术人员详细计算并绘制精确的断面图。造成大工作量高度重复性操作。且Revit本身建模机制无法解决空间曲线建模曲率控制等问题，极易造成模型量偏差。所建模型与地质地层几乎没有关联，在实际施工生产中不同地质层开挖、爆破所产生的分包单价是不同的，传统方式几乎无法区分计算。使用Civil 3D解决方案不仅可以高精度地进行模型搭建，同时深度结合地质信息，大幅提升了模型的应用价值。以主线暗埋段建模和计量为例，在本工程前期由于技术水平限制直接采用了Revit建模方案，整个建模过程历时近5周时间投入技术人员4名，在研究采用Civil 3D建模方案后共历时1周投入技术人员2名。大大提高了建模效率，按工时计算提升效率10倍以上。对比计算得到的工程方量偏差达2 000余m3，计量偏差见表2。

表2 暗埋段主体结构工程量统计表Table 2 Statistical table of quantities of main structure in buried section m3

2）整平船插桩断面研究

地质地形模型的搭建在沉管隧道施工过程技术管理中起着重要的辅助决策作用，若无法准确地得到沉管基槽地质信息就难以提前做出符合现场实际的技术方案和有针对性的安全风险预案，方案的合理性也就无从谈起[5]。

隧道施工区域内地质复杂，通过BIM技术对施工区域内地质层结构进行建模，对基槽地质模型采样生成断面图。批量输出整平船插桩断面图施工工况图，较原本单一断面查询、技术人员手绘出图的方式，效率和精度大大提高。利用精确的断面地质图进行分析，见图3。解剖地层，分析插桩风险点对现有技术方案进行细化，更好地了解工程区域内的地质分布情况，为施工方案、工艺流程及规避风险提供最直接的技术支持。

图3 隧道基槽某处开挖断面图Fig.3 Cross section of tunnel foundation trench excavation

3）Civil 3D建模的后续应用

由于采用Revit作为基础建模平台，通过Civil 3D创建的模型，如果不能与Revit模型进行整合用于后续的BIM应用，其实用价值将大大降低。将Civil 3D生成的三维实体直接导入Revit中即可作为Revit族文件使用，后续的材质定义、模型划分、参数添加等操作都可以通过Revit进行操作，模型兼容性很强，通过Revit可将模型整合应用于施工布置、进度推演、工艺模拟等BIM应用中大大增强模型适用性，应用效果见图4。

图4 Civil 3D创建模型的整合与应用Fig.4 Integration and application of Civil 3D creation model

4.2 Civil 3D解决方案应用价值

线性工程使用Civil 3D建模及应用具有很大优势，将传统方式与Civil 3D解决方案分析比对，发现项目Civil 3D解决方案在BIM工作效率、模型精准度、断面查询/出图等功能都有明显提升[6]。基于Civil 3D建模应用价值对比见表3。

表3 Civil 3D建模应用价值对比Table 3 Application value comparison of Civil 3D modeling

5 结语

通过应用Civil 3D以及ASC部件编辑器，实现了对基于三维地质地层模型、基槽开挖及插装平台模型、主线暗埋段主体结构模型等大体量模型的搭建，解决了很多传统方案难以解决的实际问题[7-8]。但在沉管隧道建设工程实际应用过程中，后续的桥梁段、道路段建模及边坡开挖防护的分析与计算，止水结构咬合桩、帷幕灌浆模型搭建与止水效果分析等建模及应用都需要技术人员不断探索，丰富Civil 3D解决方案的应用范围。本文以创建沉管隧道相关模型搭建和应用为契机，初步探索和总结了Civil 3D建模解决方案在海底隧道工程中的应用效果与实践经验，为本工程和类似工程的BIM技术深化提供实践依据。