Civil 3D在水系综合治理工程中的应用分析

赵 丽，孔 庄

（中交上海航道勘察设计研究院有限公司，上海 200120）

引 言

Civil 3D目前已应用在了港口、航道、水利等多个工程领域的设计阶段，部分行业已开始基于业务范畴对Civil 3D进行深化及二次开发，以满足各工程阶段不同的设计要求。梁庆、周智鹏等[1]利用Civil 3D设计港口陆域高程，为港口陆域高程的设计提供了新思路。袁晓洲、宋宗旋[2]探讨了Civil 3D软件在海港疏浚工程中的应用并结合工程案例介绍了土方计算与总结出图。王利超、王福增[3]等简要介绍了Civil 3D在水利工程中渠道的设计及工程量计算的应用。刘擎波、刘晗晗[4]通过Civil 3D对航道中的潜堤进行建模并对工程量进行了计算，并介绍了Civil 3D软件在长江深水航道整治工程中的应用。此外，黄晔卉，欧阳龙山等[5]为解决模型中泥面线与实际地形存在偏差的问题，采用Net语言对Civil 3D进行二次开发，对测量所得数据源进行处理，得到更为准确的工程量。

目前，随着工程领域对环境保护、生态可持续性发展等方面的不断重视，越来越多的水系及水环境综合治理项目正在开展。一般水系综合治理项目，须通过开挖形成湖泊以及周边与湖泊相联通的水系，并以湖泊为核心元素，为后续的绿化、生态以及景观等工程的实施创造条件。因此，湖泊与周边水系的形态具有一定的复杂性和多变性，设计过程中土方计算与挖填平衡需能较好的反映工程实际。

鉴于此，本文结合台州东部新区某水系综合整治工程实例，利用Civil 3D建立地形曲面与湖泊设计曲面，并计算工程挖填方量，为工程投资提供科学依据。

1 实例分析

“台州东部新区某水系综合整治工程”是台州湾循环经济产业集聚区水环境系统中的重要一环，是实现现代农业园区、湖区及其周边水环境稳定纯净的重要保障工程。项目实施后，将形成面积约1.52 km2的湖区，平均水深为3.3 m，蓄水容积约495万m3。

湖区现状为经吹填形成的陆地，吹填高程约4.0 m（85国家高程基面），部分位置现状为滩面，高程约0.0 m。设计中湖区分为湖滨带与湖底两部分，湖滨带在不同的水深条件下种植各类植物，对湖水进行生态修复，底高程在1.5～0.2 m；湖底呈“双碟形”，底高程在0.2～-2.0 m，利用底床高程变化，沿水流方向布置有深有浅的湖底形态，营造出适合野生动物和水生植物栖息的多样化生境，进而形成稳定的湖泊生态系统。此外，湖区周边新开挖七条河道，以供湖区引水与排涝。

图1 湖区疏浚平面

2 建模步骤及重难点

2.1 建模步骤

1）对湖区原始测图与设计地形进行处理，以满足Civil 3D的导入要求。

2）在Civil 3D中创建湖区原始地形，利用“点文件”定义原始地形曲面，利用“对象查看器”可直观的检查地形曲面并可在“曲面特性”中进行调整，使地形曲面尽可能贴合实际；同时，添加湖区工程的边界线并转换成要素线。放坡及填充形成地形曲面并创建放坡组，将曲面导出为LandXML格式文件。

3）在Civil 3D中创建湖区设计地形，利用“等高线”将“双碟形”湖底造型导入Civil 3D并转换成要素线，同时添加湖区工程边界线并转换成要素线。利用“高程编辑器”对要素线上的点进行高程控制，利用“放坡工具”填充要素线并创建放坡组，将曲面导出为LandXML格式文件。

4）在Civil 3D中利用“体积面板工具”生成挖填报告。

图2 湖区设计地形曲面示意

图3 湖区现状地形曲面示意

2.2 建模重难点

本工程湖区现状为吹填后形成的陆地，地形边界及高程均不规则；湖滨带，湖底为“双碟形”，较为复杂，传统的装配式场地设计法并不适用。

本工程建模过程中，重难点主要集中在要素线的转换以及放坡形式的确定。由于原始地形与设计地形均复杂多变，因此均选用按曲面的放坡形式。

3 Civil 3D与传统设计的对比分析

3.1 与传统断面法的对比分析

根据《疏浚与吹填工程设计规范》（JTS 181-5-2012），疏浚工程传统的计算方法包括断面面积法、平均水深法以及网格法，其中断面面积法应用较为广泛。设计过程中需明确每一个计算断面的疏浚面积与断面的间距，利用公式计算得到相应的工程量。尽管规范要求应在挖槽起点、转折点、终点以及不同类别土质的界面处均应布设计算断面，但计算断面之间的地形起伏信息却被忽略。若计算断面之间地形起伏较大或地形转折剧烈，那么利用断面面积法求得的工程量将会存在很大的误差。

具体到水系综合治理项目，大部分项目须新开挖形成湖泊与水系；为满足水动力要求以及生态景观要求，湖泊与水系形态通常复杂多变，湖底形态起伏不定，因此断面面积法应用到此类项目中具有较大的局限性。

相比传统的断面面积法，Civil 3D考虑了所有的地形起伏，没有丢失任何地形信息，将“设计曲面”与“地形曲面”直接进行曲面间的计算，最终得到相对精确的挖填工程量。此外，Civil 3D还可通过曲面的升高与降低，计算各分层开挖的工程量，以满足水系综合治理项目中对污染土、干土以及湿土工程量的需求，具有较大的应用前景。

3.2 与CASS软件的对比分析

CASS软件是基于 CAD平台开发的一套集地形、地籍、空间数据建库、工程应用、土石方算量等功能为一体的软件系统。在土方计算方面，CASS软件提供了方格网法、DTM 法、等高线法以及断面法等计算方法。针对水系综合整治项目，通常可采用DTM法与等高线法相结合的方式，形成现状地形与设计地形三角网并利用两期间土方计算得到工程量。

对比Civil 3D与CASS可发现，CASS中的三角网由地形测点直接相连形成，而Civil 3D中的等高距可以随意设置，要素线之间的填充放坡也可根据不同的目标进行调整，不断优化以形成较为贴合实际的曲面。同时，Civil 3D还可将曲面实体化，对曲面进行直观的检查以提高计算的准确度。

表1 两期间土方工程量（CASS）

本文同样利用CASS软件结合实例进行工程量计算，通过对比可发现，与CASS软件的计算成果相比，Civil 3D建模所得的挖填方量相差在合理范围内，符合工程实际要求。

表2 Civil 3D与CASS所得工程量对比

4 结 语

1）在水系综合治理项目中，Civil 3D在解决土方计算方面，相较于传统的断面面积法以及CASS软件，在建模原理与建模流程等方面均具有明显的优势。

2）在建模过程中，Civil 3D利用三角网形成地形曲面且等高距以及要素线之间的放坡填充均可调整，可不断优化最终形成较为贴合实际的曲面模型；同时，模型可视化能够直观反映实际情况，以提高工程量计算精度。此外，模型可重复使用，设计调整只需更新模型数据，相应成果即可同步更新，大大提高设计效率。

3）在工程量计算成果方面，Civil 3D计算成果与CASS软件相差在合理范围内，可满足实际工程需要。