Civil3D 在重力式码头工程中的应用

冀坷帆，李娇娇，崔冠辰

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300220）

引言

水运工程由于其行业特殊性，场地条件复杂，构件标准化程度低，使得BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）技术的推广较为缓慢，由于BIM 技术先进的理念满足了水运行业专业化、自动化和集成化的发展要求，因此在水运工程领域大力推进BIM 技术落地应用成为大势所趋。

在水运工程建设领域，工程规模往往较为浩大，在重力式码头结构建设尤其是沉箱重力式码头建设时，会涉及到大型的基槽开挖和抛填工程，由此也会形成大量的挖填土石方量。目前工程设计人员在进行基槽开挖设计时，一般都是根据开挖原则通过空间想象直接利用CAD 进行二维图纸设计，统计工程量也是根据二维设计图纸进行体积运算，这样的方式往往导致设计人员的工作量巨大，计算结果也容易存在较大误差。因此，如何采用便捷精确的方法进行基槽开挖设计成为设计领域一个亟待解决的问题。

AutoCAD-Civil3D是Autodesk公司推出的一款面向基础设施行业的建筑信息模型（BIM）解决方案，与AutoCAD 一脉相承，是BIM 技术领域的一个重要组成部分。主要应用于城市规划、交通工程等领域[2]，在水运工程领域Civil3D 的应用较少，主要用于勘察工程以及陆域工程创建场地，用于航道工程设计开挖航道以及疏浚量统计，或是港口工程港池场地设计等。

本文基于茂名港某液体化工码头，研究当基槽开挖情况较为复杂时如何运用Civil3D 解决此设计难题。本文基于实际工程项目总结了传统方法在绘制二维图纸和挖填方工程量计算中存在的问题，对利用Civil3D 进行图纸设计和挖填方工程量计算原理及操作流程进行梳理和研究，并与传统方法进行对比分析，验证了Civil3D 在图纸设计和计算挖填方工程量方面的便捷性和准确性，解决了传统二维设计计算时的难题。

1 Civil3D 在重力式码头工程中的应用

1.1 工程背景

茂名港某液体化工码头拟新建3 个油品化工泊位及配套设施，码头设计年吞吐量为510 万t，呈L型布置，包括两个5 万t 级泊位（E10 和E12 泊位）和一个1 万t 级泊位（E11 泊位）。水工建筑物主要为码头及码头后方管廊桥。

拟建码头区域地质条件的特点是岩面较浅，参照相邻工程码头的结构型式，本工程码头首选的结构型式为重力式结构，持力层为强风化岩。为了最大限度减小对水动力条件的影响，增加水体交换，采用重力墩式结构。

E10 泊位为5 万t 级油品化工泊位，由工作平台和系缆墩组成。工作平台长度100 m，两侧各布置有三个系缆墩，工作平台由断面方向4 排9 个沉箱组成。E11 和E12 泊位等级分别为1 万t 级和5万t 级，墩式布置，由工作平台和系缆墩组成，E11泊位工作平台长59.0 m，由两排共5 个沉箱组成，E12 泊位工作平台长193.0 m，由两排共16 个沉箱组成。E11 和E12 泊位共用位于两个泊位之间的三个系缆墩，E11 泊位东侧和E12 泊位西侧各布置有两个系缆墩，系缆墩沉箱与E10 泊位相同。

本工程项目的基槽设计较为复杂，一是码头结构持力层为最下层的强风化岩层，基槽开挖要分土层设计放坡规则并统计开挖量，二是由于结构透空性的要求，所以部分沉箱间距较大，为尽可能减少工程开挖量，间距较大的沉箱墩设计为一墩一槽，避免成片开挖，这就导致相邻沉箱基槽的边界存在相互交错的部分。这些都给工程设计人员带来很大的困难。

图1 沉箱排列图

1.2 应用Civil3D 进行基槽设计

基槽设计是本工程的设计难点之一，基于本工程，笔者总结出应用Civil3D 进行基槽开挖的技术路线，如图2 所示：

图2 基槽开挖技术路线

下面笔者将详细阐述运用Civil3D 进行基槽设计的步骤。

第一步创建原始地形曲面，可以利用外部点文件或是dwg 文件中的有效数据创建，本工程地形文件数据为带有三维坐标的块参照，在Civil3D 中可以直接利用，生成的原始地形曲面如图3。

图3 原始地形曲面

第二步创建地质曲面。对于水工结构而言，不同的地质采用的放坡规则是不同的，开挖的工程造价也不相同。因此我们需要根据钻孔的地质分层，建立不同地层的坐标信息文件，然后通过识别外部点文件的方法分别创建不同地质的地质曲面。

第三步，创建设计地形曲面。这个曲面的创建是运用Civil3D 的要素线功能绘制一个曲线围成的轮廓，然后确定放坡规则之后进行放坡操作并生成放坡曲面，最后将绘制的曲线轮廓与放坡曲面相结合进行填充生成最终的完工曲面。生成的挖泥轮廓和抛石轮廓由图4 和图5 所示。

图4 基槽开挖轮廓图

图5 基床抛石轮廓图

Civil3D 理论上可以对放坡相交的部分进行自动处理，但有的部分自动处理的结果不能满足我们的要求，这时我们可以采用分段放坡并插入过渡段的方法进行手动处理使其满足我们的要求。有了曲面相交产生的轮廓，只需要把这个轮廓提取出来，然后依据行业制图标准进行标注出图就可以了。图6 展示了基槽挖泥图的局部详情，可以看出由Civil3D 生成的开挖轮廓更加接近真实情况。

图6 基槽挖泥图（局部）

在传统设计中，设计基槽挖泥图和基床抛石图的难点主要在于不同放坡相交之后的不规则边界部分的绘制，运用传统方法要绘制出相交边界需要消耗设计人员极大的精力和时间，而且准确性也不能保证，这为工程设计人员带来很大的困难，灵活运用Civil3D 可以避免传统设计中绘制相交部分轮廓的困难，大大提高了工作效率准确性。

1.3 应用Civil3D 进行工程量计算

1）传统计算方法

挖填方工程量计算的本质是体积计算。传统的挖填方工程量计算方法是根据地形信息基于微分思想将要计算的区域进行近似简化，然后运用简单的几何体积计算直接计算结果。传统方法的弊端主要在于：①对地形的适用性较低，当地形较为复杂时，若要保证精确度则计算难度较大且计算效率低下，若简化成易于计算的相近体积，则精确度大大降低。②由于涉及到微分思想，通常要将计算区域分成多个部分进行分别计算然后汇总，计算过程较为繁琐，且不可避免的会出现差错。③目前行业中已有一些用于土方量计算的软件，如HTCAD 软件，CASS 软件[3]，飞时达土石方计算插件[4]等，但这些软件都存在各自的局限性，不能很好的满足重力式码头工程对于挖填方工程量的计算需求。

2）Civil3D 计算方法

Civil3D 中计算土方体积的方法有两种。第一种是放坡体积法，当使用放坡工具创建了放坡时，可以调出放坡体积工具，计算放坡组体积。该工具计算的放坡体积是整个放坡组中所有放坡的体积，若需分别计算，则要把放坡放在不同的放坡组中。第二种方法比放坡体积工具更为精确和便捷，称为曲面体积法。简单而言就是求设计曲面在原地面基础上的填方量和挖方量，基本逻辑是：

放坡曲面+曲面A=挖方A+填方A （1）

放坡曲面+曲面B=挖方A+挖方B （2）

挖方B=（2）式-（1）式

图7 曲面体积法计算图式

曲面A 和曲面B 代表两个地质曲面，绿色的线代表放坡曲面，第一步将放坡曲面与曲面A 进行曲面体积运算得到的结果是挖方量A+填方量A（在Civil3D 中挖方量和填方量用不同的颜色进行区分，其中填方量A 是我们不关心的数据），第二步将放坡曲面与曲面B进行曲面体积运算得到的结果是挖方量A+挖方量B，第三步用第二步的结果减去第一步的结果即得到挖方量B 的结果，同理，若果还有第三层地质曲面C，则用A+B+C 的结果减去A+B的结果即可得到挖方量C 的计算结果。更多土层则以此类推。

采用此法计算体积时，软件会基于基准曲面和对照曲面生成一个体积曲面参与运算，通过该曲面中提供的基准曲面和对照曲面之间的精确差值来实现，运用曲面体积法计算时的计算精度与划分曲面的网格大小有关系，网格越小则计算精度越高。

1.4 工程量结果对比

下面将Civil3D 计算的E10 泊位基槽开挖量与传统方法计算的基槽开挖量结果进行对比：

表1 计算结果对比

根据计算结果，发现二者相差不是很大，理论上而言，Civil3D 的计算结果更为准确可靠。

2 结语

对于较为复杂的基槽开挖，通过传统的二维设计工具来绘制基槽挖泥图、基床抛石图和计算挖填方工程量是很费时费力的。通过人工计算来分地质统计开挖工程量，既不够准确又需要耗费很长的时间，生产效率很低。重力式码头结构尤其是沉箱结构往往涉及到较为复杂的基槽开挖，因此，本文结合茂名港某液体化工码头的实际设计经验，详细阐述了如何利用Civil3D 软件进行基槽开挖的相关设计，总结了Civil3D 在重力式码头工程应用中所体现出来的优势。主要有以下几点：

1）利用Civil3D 进行实际地形的三维设计，适用性强，准确度高。

2）基于Civil3D 可以自动处理边界相交的特性[6]，可以更为准确地绘制开挖以及抛填后的边界轮廓，基于此可以方便地绘制基槽挖泥图和基床抛石图，不仅避免了传统设计中绘制相交部分轮廓的困难，而且大大提高了工作效率和准确性。

3）利用Civil3D 的体积计算工具，可以根据放坡完成后的曲面直接提取不同地质的土方工程量，解决了传统方法计算土方工程量的困难，大大提高了工作效率和准确性。

综上所述，本文的研究在一定程度上填补了Civil3D 在水运工程尤其是港口工程设计领域应用中的空白，拓展了Civil3D 的应用广度，为广大水运工程设计人员提供了一种新的设计工具和设计理念。Civil3D 做为BIM 技术解决方案具有很强大的功能，可以应用的场景还有很多，例如在防波堤工程中的应用等，笔者后续将进一步结合实际工程背景深挖 Civil3D 的功能实用性，进一步拓展Civil3D 在水运工程领域中的应用。