基于BIM 技术的航道疏浚工程土方量的计算

刘俊舒，乔菲菲

（1.中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300200；2.中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032）

在项目的设计和施工阶段，疏浚工程土方量的计算是必不可少的，而且场地高程计算数据的数量和质量要求相对较高。虽然现在有土方计算软件可以计算土方工程量，例如HTCAD，CASS 等，但大多数软件只增强了计算方法的多样性。数据的筛选，计算的准确性以及3D 模型的支持仍然缺乏[1]。

国内一些学者也有相关研究，王伟等利用Civil 3D、Subassembly Composer（部件编辑器）、Infraworks设计软件实现内河航道疏浚工程和护岸工程的参数化设计和可视化展示，并进行横断面定制、标签定制、模板文件定制等二次开发，提出适用于内河航道工程三维正向设计和可视化演示的技术方法[2];邹红霞等利用Civil 3D 软件进行疏浚工程场地设计、利用 Civil 3D 地质模块拓展包 Geotechnical Module 计算各类土层的疏浚工程量[3]；陈懿强等采用CIVIL 3D 分别建立了不同内河的地形模型，并用曲面放坡和距离放坡建立了疏浚模型，计算了航道的疏浚工程量[4]；赵丽等采用CIVIL 3D 建立了上海市某两条内河航道的部分地形模型，并用断面法建立了疏浚模型，计算了航道的疏浚工程量。所得数据与传统方法所得数据相差5%以内，符合工程实际，验证了模型的正确性[5]。

本文提出使用BIM 设计软件来构建设计3D 模型，并使用Autodesk Civil 3D 软件来协助设计。Civil 3D 是Autodesk 在基础设施行业中的多域一体化3D 设计软件。广泛用于测绘，地形，岩土工程，土地规划等领域[6]。它可以分析和记录测量数据，创建3D 地形，设计各种道路、航道的线路。

1 计算原理及方法

Civil 3D 中的曲面分为两大类：一种是真正意义上的“曲面”，一种是“体积曲面”。按照剖分形式的不同，它们又各自分为“三角网”和“栅格”，合起来有四种。

（1）三角网曲面。三角网格曲面由任何一组点的Delaunay 三角剖分形成。要创建构成三角形的三角形网格线，Civil 3D 会将最近的曲面点相互连接。通过插入点所在三角形的顶点的高程来定义曲面中任何点的高程。

（2）栅格曲面。栅格曲面由常规网格上的点组成。我们可以通过软件创建栅格曲面或从DEM 文件直接导入栅格曲面。

（3）三角网体积曲面。三角体积曲面是由控制曲面和基准曲面中的点的组合创建的组合曲面，也称为差异曲面。体积曲面中任何点的Z 值恰好等于该点处控制曲面和基准曲面的Z 值之间的差值。

（4）栅格体积曲面。栅格体积曲面是基于指定基准曲面和控制曲面之间的差值，栅格间距和栅格方向的栅格曲面。此外，在曲面使用特征线功能可以使建成的3D 模型与实际地形一致[3]。

2 实例应用

2.1 项目概况

本研究依托唐山港某航道工程，工程是在原20 万吨级航道基础上扩建为25 万吨级。

2.2 模型建立

运用Civil 3D 的点创建和曲面定义功能，生成本工程的原泥面。

图1 原泥面生成

可以根据原泥面模型清晰地看出原20 万吨级航道的地形情况。并可根据颜色的深浅判断水深的不同。

航道的断面尺度根据下表的尺度进行模型建立。

表1 航道断面尺度

对于航道断面的建立，目前有两种主流方法。一是运用特征线生成设计曲面，并利用Civil 3D 的放坡功能进行模型建立；二是运用Autodesk Subassembly Composer 软件进行装配定制。第二种方法的优势在于进行断面法出图的同时，可以对断面图进行符合水运系统出图习惯的深度定制。

图2 运用Autodesk Subassembly Composer 软件进行航道断面设计

2.3 断面图的生成

根据国家标准JTS181-5-2012《疏浚与吹填工程设计规范》[7]中规定“疏浚工程的计算断面工程量可采用断面面积法、平均水深法或网格法进行计算”；JTS110-7-2013《水运工程施工图文件编制规定》[8]中要求，“疏浚土方量宜采用断面法计算”。下图为运用传统方法绘制的航道工程断面图。

图3 传统方法绘制的航道工程断面图

对于传统方法绘制的航道工程断面图，有以下几个弊端。

（1）大量重复性工作，易出错，且后期改图工作量很大；

（2）设计人员在绘制原泥面线时，受制于个人主观原因和测图密度原因，无法精确绘制；

（3）根据JTS181-5-2012《疏浚与吹填工程设计规范》规定的断面工程量计算公式：

V－挖槽断面工程量；

A－分别为各计算断面上的疏浚面积；

L－分别为各断面间的间距。

设计人员根据绘制的断面图进行每个断面的面积计算，再运用Excel 等工具进行总挖方量的计算。但断面绘制得不精确或设计人员失误等人为因素会导致工程量也不准确。

（4）一般在施工图阶段，设计人员会视断面变化复杂程度以1000m，500m 或200m 为间隔绘制断面，加密断面间隔会导致成倍地增加绘图工作量。

对于以上四点，基于BIM 技术的绘图技术可以很好地解决这些问题。

图4 Civil 3D 绘制的航道工程断面图

（1）运用BIM 技术在设置好出图模板后，可以一键出图，后期改图只需对模型修改，断面及工程量表均实时变化，改图工作量大幅减少；

（2）断面图生成的原泥面线为实际泥面线（测图），完全排除了人为因素的影响；

（3）工程量生成均为程序自动完成，且断面面积为自动计算；

（4）断面间隔可以自由设定，并不会增加设计人员的工作量。

2.4 断面图的生成

运用BIM 技术的另一个优势就是工程量可以快速生成并予以呈现，同时数据为动态更新，模型变化，工程量同时变化，为后期改动提供的了非常大的便利。依托本工程运用BIM 技术计算的总工程量与传统方法计算的工程量差距在2.4%。

图5 Civil 3D 生成的工程量表

3 结语

相对于传统的CAD 挖方计算方法来说，运用Civil 3D 软件在两个不规则曲面进行计算时更为方便灵活，更为直观、准确。更为重要的是，作为BIM 设计软件，动态设计有着非常重要的应用，对于挖方计算及图纸修改提供了极大的便利。