生态河道正向三维设计及自动成图计量研究与应用

2022-08-29孟明，苏丹

水利规划与设计 2022年9期

孟明，苏丹

(1.黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南郑州 450003；2.水利部黄河流域水治理与水安全重点实验室(筹)，河南郑州 450003；3.河南省城市水资源环境工程技术研究中心，河南郑州 450003)

1 概述

生态河道大多为天然河道，河道蜿蜒曲折，断面复杂多变，毫无规律性，如果用传统人工二维CAD制图[1]，在断面要求较密集河道工程中，多达上百断面的工作量需要耗费大量的人力资源和设计时间，设计单位将要花费巨大的成本，才能艰难地完成这样的项目。而且，现在河道治理随着工程在设计周期上的时间越来越短，节奏上越来越快，业主和建设方在要求上越来越高，在保证产品质量的前提下，单纯依靠传统二维CAD人工制图的技术手段已经不能满足行业发展需求[2]。后期如果再遇到设计变更，牵扯到全河段，对于设计单位和设计人员都将产生巨大的工作量。

近年来，天然复杂生态河道工程设计手段主要是基于CAD人工制图的二维扁平化设计，随着BIM技术的发展，国内各大设计院都在不断探索适合自己的河道高效设计方法，但是目前BIM技术在河道整治设计中的应用仅停留在平面形态规整、断面形式单一的渠道和航道的简单粗浅阶段[3- 7]，对于平面形态复杂、断面形式多变的生态河道无法适用，国外亦无相关技术研发。落后的生态河道设计技术与日益发展的水利建设速度严重不匹配，行业内亟需一种新的技术来改变传统设计工期长、效率低的局面，从而保证设计质量、提升设计品质、提高工作效率。基于此，本文针对生态河道工程本身的特点与工程需要，基于Civil 3D研究一种生态河道正向三维设计、自动批量成图计量的方法，以解决复杂生态河道出图量大、统计工程量繁琐以及变更后需全部重做的痛点。

2 研发思路和方法

生态河道工程在成图计量前期主要工作是获取现状地形并进行编辑处理与平纵横设计，之后便是工程量统计和平纵横图纸出图。基于该思路在全三维环境下研究生态河道工程正向三维设计技术手段和自动成图计量技术。

(1)在生态河道工程设计过程中，三维地形处理的优劣会直接影响后期出施工图以及计算工程量时的精度。获得测量专业提供的二维测量平面图，将测量图中各种带有高程信息的要素图元分类提取到CIVIL 3D中，建立起高精度的三维地形模型，并进行地形的检查、编辑和处理。

(2)在生态河道工程设计过程中，平纵横的设计是核心工作，而自动成图计量是基于完整的带有信息的河道三维模型实现的，对生成的三维地形，按照高程间隔，划定范围，并赋予不同范围以不同渲染颜色，以数字化云图的形式直观反映工程区地势高低分布情况，为河道护岸的选线做出初步判断。

(3)基于曲面和选线创建纵断面及纵断面图，所创建的纵断面及纵断面图与平面布置选线是实时动态关联的。考虑到生态河道横断面的复杂性，采用部件编辑器Autodesk Subassenbly Composer(以下简称ASC)利用可视化编程技术手段创建河道横断面部件。以此实现横断面设计的参数化，通过调整装配部件参数，来生成新的标准横断面，告别CAD手工绘图时经常出现的重复劳动。

(4)将正向三维设计前期的平、纵、横有机结合成一个整体，创建出包含有所有设计信息的生态河道BIM模型。创建的可视化河道BIM模型具备出色的可视化效果，让相关人员能够超前体验项目，直接从模型创建可视化效果，获得多种设计方案，以便更好地了解设计对于项目和周围环境的影响。

(5)研发制定自动计量规则，选择提取算量元素，通过研发的计算分析功能，自动统计工程量，并与整个河道工程模型进行实时联动。平纵横设计方案调整或模型变更，工程量可实现自动更新。

(6)在实现生态河道工程设计一体化基础上，通过采样提取成图计量所需数据。研发定制标准图框、图签、创建图幅，加载BIM模型数据，自动出平面图、纵断面图和横断面图，并与整个河道工程模型进行实时联动，平纵横设计方案调整或模型变更，所有图纸自动更新。

2.1 三维地形曲面创建、编辑及处理

三维地形曲面是三维设计的基础，为众多设计工作提供了原始数据来源。通过点文件、多段线、AutoCAD块、DEM文件、GIS数据等快速创建任意大小的三维地形，并对三维地形进行管理[8]。利用生成的三维地形，结合不同高程不同渲染云图，进行曲面分析，以数字化的形式直观反映工程区地势高低分布情况，为河道护岸的选线、景观节点的布置、市政管网布置做出初步判断。

在创建曲面之前需事先创建空曲面，并设置好符合项目标准的曲面样式，使最终得到的图形符合项目要求。生成三维地形之后，对利用原始数据生成的新曲面进行检查，如果曲面存在问题，可通过曲面对象编辑，对曲面进行编辑和处理[9]。

测量地形数据是所有后续设计的基础，对于正向三维设计，三维地形曲面更是重中之重，关系到后续所有的设计、算量与出图[10]。将传统二维地形测量数据处理手段提升到直接在三维地形模型中进行检查、编辑与修正，直接在可视化的环境下处理地形，节约了设计人员的三维空间想象时间、数据逐项核对时间以及规避了后期设计、算量过程中可能出现的因地形误差可能出现返工的风险，为后续所有设计做好充分准备工作。故在三维环境下创建、编辑与修正三维地形曲面是需提前做好的最重要的准备工作。

2.2 平纵横动态实时联动正向三维设计

利用CIVIL 3D平台将平、纵、横结合成一个有机整体，实现实时联动的正向三维设计。调整平面控制线后，在纵断面图和横断面图中地形纵断面和横断面会自动动态更新，实时观察地形的起伏，有利于多方案的对比分析。同样，在纵断面图中依据地形纵断面进行设计时，也可动态实时的查看横断面。

平面设计最重要的就是在平面上进行平曲线的设计，于河道就是进行河道控制线、岸顶控制线以及水边线等的设计。在Civil 3D中平曲线的设计就是路线的设计，创建和定义平面路线是平面设计的初始步骤之一。创建河道中心线时，通过路线样式来控制路线部件和标签的视觉外观，如图1所示，并可创建特定的样式，以用于项目的不同阶段。

图1 创建及创建完成的河道中心线

纵断面的主要用途是沿平面路线显示曲面高程，使用纵断面可以将沿目标路线或跨越特定区域的地形可视化。纵断面以图形化直线的形式显示在称为纵断面图的栅格中，然后在同一个栅格上绘制布局设计纵断面。每个纵断面图仅显示一条平面路线的纵断面，创建完成纵断面和纵断面图之后，可以对纵断面的名称、纵断面数据以及设计规范和对纵断面图的名称、桩号范围以及高程等相关特性进行更改调整。

曲面纵断面可从曲面上的平面路线中创建，创建完曲面纵断面之后，便可创建纵断面图。然后以曲面纵断面作为参照进行设计纵断面的设计，在纵断面图的栅格上绘制设计纵断面，通过手绘草图或通过输入数字值创建曲线和切线，创建具有切线的设计纵断面，然后在变坡点(PVI)处添加曲线。

根据生态河道天然断面的复杂多变，研究出利用可视化编程技术手段，开发参数化横断面装配部件，仅需调整所需参数就可得到各种复杂断面。为了实现全河段的高效正向三维设计，断面部件的参数化开发是核心，在开发断面部件之前需要构思好编程开发的思路，以及所需要设定的各类驱动参数。

在可视化编程环境中，依据开发思路逐步添加可视化的几何对象、辅助函数、流程函数、各类判断条件，将编程开发思路逐步以流程图的形式可视化。在添加可视化几何对象的同时，同步定义该几何对象在程序中引用识别的点代码和连接代码，设定对象的几何类型、对象与对象之间的几何约束规则，配置驱动参数与逻辑目标参数，命名代码识别描述。

部件开发完成之后，在预览窗口中以可视化形式显示出最终生成的可参数化断面部件。通过预设值可检测参数驱动和逻辑目标引用关系效果，对最初的开发思路有个直观的可视检测，最终将开发好的可参数化部件加载到横断面装配上，形成河道可参数化横断面。

采用正向三维设计的思想，将平面设计与纵断面设计实时联动起来，同步设计，将传统河道工程中最费时费力的平面规划选线和纵断面设计工作模式进行创新，提出平纵实时动态结合的工作模式。平面方案的调整可以实时同步反馈到现状地形纵断面中，以查看布线方案是否符合项目设计要求，并可为设计纵断面的设计快速提供基础依据，根据地形曲面的变化直接修改设计纵断面参数，实现快速更新设计纵断面方案，大大提高了平纵设计工作效率。

2.3 生态河道BIM模型创建

基于CIVIL 3D平台以及ASC的可视化编程技术实现了河道横断面设计的参数化，将开发的可参数化的横断面部件装配到平纵联动设计成果上，然后通过研发出的自动寻找曲面、自动判断挖填方、自定义逻辑目标、自定义代码集等技术，如图2—3所示，创建出含有所有设计信息的可参数化、可实时根据设计方案的调整而进行自动更新的整个河道三维模型，如图4所示。

图2 装配创建河道三维模型的各类图形参数以及添加自动生成河道模型的各类逻辑目标

图3 定义添加可视化材质和出图所需的各类标注标签代码

图4 含有设计信息可参数化实时联动的生态河道BIM模型

2.4 自动统计工程量

河道模型创建完成之后，根据工程所需，利用采样线，提取与统计工程量相关数据。同时，在计算工程量之前定制完成工程量计算规则，该规则是自动计算工程量的关键。在总体积和材质体积自动计算统计中将定制完成的工程量标准和自动提取工程量的各对象添加完成，便可自动计算出本工程所有开挖回填工程量和河道护岸各材质的工程量表，如图5—6所示。

图5 总开挖回填工程量自动计算和计算所得总开挖回填工程量表

图6 河道各种护岸材质工程量自动计算和计算所得护坡材质工程量表

2.5 自动批量出图

自动提取工程量之后，便可根据项目要求提取图纸数据。提取图纸数据前，需开发符合项目要求的可参数化标准出图图框图签，设定出图范围，高程范围，添加事先定制好的各类智能标签和标注栏，自动批量创建河道横断面施工图。

平纵出图有别于横断面出图，需要根据平面出图要求，先将总平面图划分成一个个图幅，组成图幅组进行批量出图。

以上数据提取完成之后，便可根据工程项目需要在1min内生成数以千计的整个生态河道项目的平面、纵断面和横断面各阶段图纸。

通过平纵横实时联动设计，结合代码分类对应关系进行自动标注标签链接引用，利用采样线和图幅进行图纸数据提取，并将开发完成的可参数化标准图框图签自动与图纸数据进行嵌套匹配，实现项目图纸的全自动化批量出图，且各类图纸中的所有图形数据以及已经创建完成的图纸均是与设计方案实时联动的，可实现一处变更，处处更新，大幅提高了工作效率和出手产品质量，尤其是面对数量庞大的横断面图及后期变更图纸。

3 工程实例

本研究成果应用项目为黄河一级支流沁河沁阳市城区段治理工程，该工程的纵向建设范围为沁河安全河口至已拆除的老沁河大桥下游约0.6km，治理总长度5.5km，横向设计范围为左右岸大堤以内，现状如图7所示。本次治理河段紧邻城区，首先要强化河岸边界，满足行洪安全需求；同时兼顾工程的环境效应和生态效应，使其更好的满足生态城市的要求，为实现工程与生态景观的有机统一，充分发挥河滩的自然景观和人文景观功能创造条件。由于该河段河势不稳，主槽变化较大，为了控制河势，稳定流路，增加河道的行洪能力，考虑对安全河口至主河槽液压升降坝下游0.5km段共5.5km河道进行疏浚。

图7 沁河河道滩地现状

本次设计的生态河道蜿蜒曲折、地形地貌复杂，结合现状地形设计岸线，断面形式不同，为了精确、高效率的完成设计任务，项目组利用无人机进行DEM数据采集，通过global mapper软件对数据进行处理，如图8所示，利用ASC对河道参数化横断面进行开发，以Civil 3D软件为主要平台，三位一体的进行生态河道正向三维设计。

图8 利用GlobalMapper创建生成可视化三维地形并输出成.dem数据

对于DEM地形高程数据量过于庞大的难题，本文给出具体解决方案：在工程关键部位采用高精度DEM地形数据，在其余关注度较低部位采用传统二维测量高程数据，两者结合使用，在满足项目设计高质量的基础上又满足高效率的要求。合理优化数据量对于后续的正向三维设计和各专业间的协同设计，起着至关重要的作用。利用Civil 3D创建及处理地形，并对现状地形进行曲面分析，为全专业后续的所有设计工作提供基础依据。

对创建完成的三维地形曲面进行编辑优化后，进行高程分析、坡度分析和坡向分析等，以数字化云图的形式直观反映工程区地势高低分布情况，为河道岸线的选线做出初步判断，同时结合水文资料设计出河道控制线，如图9所示。

图9 河道两岸控制线设计

河道两岸控制线设计完成之后，便可快速生成对应纵断面及纵断面图，结合水文及设计资料，将设计纵断面布在纵断面图中。

根据本项目要求，利用ASC开发生态河道参数化横断面。横断面设计在整个设计工作中所用时间和精力最多，通过ASC中的参数、代码以及逻辑关系等内容可开发出任意复杂的具有逻辑关系的参数化横断面。将开发完成的河道横断面部件导入Civil 3D中，联动平面河道控制线以及设计纵断面，并赋予相应的逻辑目标，最终生成整个河道的三维模型，如图10所示。

图10 包含所有设计信息的河道BIM模型

在Civil 3D中根据设计单位四体系标准要求，开发满足要求的各类标注、图框图签等，实现一键式自动批量出图和自动统计各类工程量。图纸和工程量与设计方案实时联动，一旦设计方案修改，所有联动数据自动更新，大大减少了后期修改图纸和重新计算工程量的时间，提高了工作效率，节约了成本。

该项目属于施工图阶段出图，将研究成果应用到本项目中，得到本项目的所有施工图图纸，出图共计200张，从前期设计到后期出图均使用本次所研究的生态河道正向三维设计技术、平纵横自动批量出图和自动统计工程量技术。通过先前类似项目对比可知，该项目若按照传统设计和制图手段来做的话，需要2名经验丰富的设计人员用2周时间才能够完成，这还只是能够顺利设计出图，不算有可能出现的方案变更后，后期所耗费的反复性时间。而此次利用所研发的新技术，在保证出手成果质量一致的条件下，1名设计人员1周就完成了所有的设计和出图任务，工作效率提高了75%，而这1周时间里有6天时间是项目专业对接、数据对接和出图算量前的准备工作，用在出图和算量上的时间仅为1天，后期如果出现设计变更，利用此次研究成果工作效率将会再次提升10倍。