基于Civil 3D的弃渣场二三维一体化设计平台研究

陈万宝　张嘉明　马天皓　张世伟

摘要：为了弥补BIM建模软件Autodesk Civil 3D在水土保持工程设计中的局限性，解决传统弃渣场设计工作无专业辅助设计软件、信息化水平低、二三维设计转换困难等问题，利用C#语言、Winform界面开发、Civil 3D API及部件编辑器、MVC架构模式对Civil 3D平台进行二次开发。通过分析弃渣场各设计步骤的业务流程，研发了适用于水土保持工程弃渣场设计的专业平台，实现了容渣量分析、稳定性计算、以数据驱动为核心的快速建模与出图算量等功能，并应用于引洮供水二期（骨干）工程多个弃渣场的施工图设计中。结果表明：该平台将工程设计规范与带有步骤引导的可视化操作界面相关联，在弥补弃渣场设计无专业辅助软件的同时，极大地提高了设计效率和设计质量，有效地推动了弃渣场设计从二维向三维转换。

关 键 词：弃渣场设计； 水土保持； Civil 3D二次开发； C语言； 二三维一体化

中图法分类号： TV222.1

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.04.025

0 引 言

BIM技术作为水利勘察设计行业数字化发展的重要手段和有效方法，在水利水电行业工程全生命周期各阶段逐渐展开应用［1-4］。水土保持工程与工址地形地貌密切相关，Civil 3D具有数据化、模拟化、可视化等功能，为水土保持工程设计提供了很好的技术支持。但目前中国水土保持领域对Civil 3D的应用尚浅，Civil 3D现有功能与水土保持专业贴合度不足，依靠CAD图纸的传统设计与BIM设计并存现象广泛存在［5］。弃渣场设计是水土保持设计中的一个重要环节，传统弃渣场设计工作无专业辅助设计软件、信息化水平低，工程设计人员绘制断面设计图效率低且工作重复，图纸标准化困难，使用横断面法在Excel中计算工程量工作量大、容易出错。近年来，BIM技术在弃渣场设计工作中逐渐应用并发展，但是目前BIM技术在弃渣场设计中的应用仅停留在Civil 3D应用的探索阶段［6-9］，开发的部件通用性不强，剖切的断面不能满足施工图的要求，不具备高效率建模、高质量出图、算量、方案调整等功能。通过Civil 3D API结合C#语言对Civil 3D软件进行二次开发，自主增加结构稳定计算功能模块，创建、操作三维模型，为解决上述问题提供了新的思路。国内对于Civil 3D软件二次开发的研究起步较晚，2021年金瑞等［10］针对水运工程航道整治工程开发了BIM设计平台，极大地提高了设计质量和生产效率。2022年贾兴斌［11］对铁路隧道弃渣场设计进行了提高设计效率和质量的研究，但对复杂地形和二三维结合方面未进行探讨。因而，BIM应用过程中亟需一种新的技术去打通二维设计向三维设计转换的“壁垒”。本文结合水土保持专业弃渣场设计的特点，基于Civil 3D包含建模和绘图功能的特点，进行具有针对性的弃渣场二三维结合设计的研究开发。

1 设计思路

1.1 弃渣场BIM正向设计

弃渣场设计包括弃渣场原始地形、容渣量分析、堆置方案设计，以及拦渣工程、防洪排导工程、后期利用或植被恢复等防护措施设计［12］。工程设计中须基于精确的原始地形，综合考虑多种因素进行弃渣场选址，受选址地形影响，堆置坡面和防护建筑物通常没有固定的形式。对于涉及大量重复性工作的渣场设计项目，使用三维设计软件进行设计有利于设计成果可视化，显著提高设计工作效率。AutoCAD Civil 3D是土木工程建筑信息模型解决方案，广泛适用于勘察测绘、地形地貌、道路交通、水利水電、土地规划等领域。Civil 3D不仅具备AutoCAD的全部绘图功能，而且可以精确创建原始三维地形，将地形曲面作为参考创建与源数据保持动态关联的路线、纵断面等智能对象，设计人员可以通过场地设计、创建路线、纵横断面设计等功能逐步实现弃渣场的建模，快速实现工程量计算与施工图生成。常规Civil 3D软件虽然和CAD的界面相似，但操作逻辑复杂、专业贴合度不足，需要结合具体专业设计场景研发适用于弃渣场工程的BIM专业化设计平台和方法。

1.2 平台系统架构

弃渣场二三维一体化设计平台系统基于AutoCAD Civil 3D与Visual Studio 2019搭建开发环境，采用C#语言［13-14］对Civil 3D进行二次开发，将弃渣场设计中的固定步骤做成专业设计版块，通过分析提炼各步骤的业务流程研发出符合水土保持专业习惯的弃渣场BIM设计平台，见图1。同时，将零散操作流程融入具有引导性步骤的用户界面，使复杂过程简单化，实现了容渣量分析、堆置方案设计、挡渣墙设计、排水措施设计、植物措施设计等核心功能。设计人员无需长时间培训就可快速掌握该平台操作方法，实现三维设计。该平台的应用可降低建模成本，提高设计效率和质量。

系统建设总体框架采用MVC三层架构模式，贯彻了以数据驱动为核心的设计思路，实现了基于一套设计数据进行弃渣场快速建模与出图算量、方案优化等，并已在多个水土保持工程弃渣场设计中成功应用。所有设计数据均存储于dwg文件中，设计数据可重复利用，实现了让设计师回归设计本

身的数字化设计，提供了一种有效推动弃渣场二维设计向三维设计转换的参考方法。系统总体架构如图2所示。

2 平台开发

2.1 地形数据处理

Civil 3D是通过先创建后选择数据源的方式定义原始地形曲面，数据源通常在不同的图层，包括点、等高线、DEM等。手动操作时需要把用到的等高线等数据分离出来，数据量较大、图层较多时操作不便，且电脑容易出现卡顿情况。该平台开发了创建弃渣场功能，点击按钮程序自动过滤包含等高线等包含高程信息的图层，经用户确认数据源图层识别正确后一键生成原始地形曲面，大大提高了曲面创建效率。

2.2 堆置方案

2.2.1 容渣量分析

Civil 3D中计算容渣量是通过求两个曲面的体积实现的，要实现容量分析需要重复构建堆渣曲面，再以地形曲面为基准计算容渣量，堆渣曲面构建繁琐且工作重复，严重影响设计效率。针对这一需求，平台开发了容渣量分析功能，用户只需指定坡脚位置并输入堆置边坡设计参数，就可一键点击生成容渣量曲线，见图3。用户修改参数后，可再次生成分析图表，同时将分析结果保存在曲线对象中供用户查询。

所生成的图3容渣曲线中存储的分析结果可用于方案比选、优化，选定一条容渣量曲线，还可根据容量查询高程值、根据高程查询容量值，见图4。

2.2.2 堆置方案设计

堆置方案设计包括各级边坡、马道、渣顶曲面的构建。Civil 3D的放坡功能不够灵活，不能满足所有类型的堆置坡面构建；通过创建要素线结合放坡功能可以比较灵活地创建曲面，但手动构建要素线过程繁琐且重复工作量大、效率低，也不利于方案变更优化。

针对以上问题，平台通过把繁琐的手工操作过程梳理成具有步骤引导的业务流程，将堆置方案设计场景归纳为两种情况进行功能二次开发。① 平行于坡脚线情况：利用内置“连接宽度和坡度”部件，动态构建不限级数的多级边坡部件，指定坡脚多段线，一键即可生成堆置坡面，见图5（a）。② 垂直于沟道线情况：堆置边坡曲面沿着沟道线流向布置，更适用于沟道型渣场。基于用户绘制的沟道纵轴线，系统提出了一种基于三维多段线的边坡曲面构建算法，一键生成边坡要素线、各级边坡和马道曲面，并提供添加特征线的操作选项，生成边坡曲面如图5（b）所示。另外，堆置方案设计功能允许多个设计方案并存，极大提高了方案比选的效率。

2.3 植物措施设计

基于堆置方案设计中创建的各级堆渣坡面、马道和渣顶，对不同部位进行植物措施布置，措施上包括植物护坡、综合护坡、马道排水、马道植物措施、渣顶植物措施。平台按三北、北方、黄河流域地区建立了常用的树草种数据库，用户首先选取措施部位，然后设计整地方式、选择树草种和种植密度等。系统根据各部位曲面面积及植物措施设计数据自动统计工程量。

2.4 工程措施设计

弃渣场涉及的工程措施有拦挡工程、防洪排导工程等，包含挡渣墙、排水沟等建筑物，建模繁琐且工作重复。设计人员需花费大量的时间和精力去创建BIM模型，但剖切的纵横断面及标注、样式等往往不符合出图习惯，模型利用率较低，导致BIM设计效率低，应用推广困难。针对这些痛点问题，秉持以数据驱动、辅助设计为核心的设计原则，自主开发了基于纵横断面设计数据完成三维建模、二维出图、工程量统计、方案优化等二三维一体化设计功能模块。

2.4.1 业务流程分析

按规范要求，弃渣必须设置专门的堆放场地并修建拦渣工程，包括挡渣墙、拦渣坝等，以防止弃渣流失对周边环境造成危害［15］。挡渣墙的设计主要包括平面线路、纵横断面、细部构造设计和挡渣墙稳定性验算。为避免弃渣场上方的坡面洪水冲刷弃渣，在坡面一般应综合考虑布设截、排水沟导排洪水，排水沟的设计包括平面线路、纵断面、横断面和水力学计算。在Civil 3D中，用户可以通过常用选项板中的功能区按钮功能，通过创建路线、曲面纵断面、设计纵断面、自定义部件、创建道路、创建采样线等步骤完成从线路、纵横断面设计和模型创建。以挡渣墙设计为例，业务流程分析见图6。

2.4.2 断面设计开发

Civil 3D自带功能进行平纵横设计操作复杂、操作步骤专业贴合度不足，平台通过对弃渣场设计的业务流程梳理，将建筑物平面线路设计、纵断面设计、横断面设计等步骤融入到一个操作界面，用户只需按照先后顺序切换界面并输入设计数据即可完成设计，无需培训也可完成设计工作。以挡渣墙设计为例，工作流程优化见图7。

为了方便用户根据平面线路进行纵断面设计、建筑物布设，平台开发了一键桩号标注工具，并可以交互绘制多段线方式创建纵断面设计线。建筑物横断面设计是基于参数化部件，Civil 3D自带的部件和装配不能满足所有的应用场景。在部件编辑器中定义输入参数、输出参数、目标参数，对挡渣墙、排水沟等建筑物结构、地基、开挖等进行详细设计，创建完部件并进行组装就可完成各个结构体标准横断面的设计。为了实现参数化建模，在部件中定义的输入参数需同时在纵横断面设计操作界面定义输入项。因后续标准化出图、计算各部位结构材质工程量、创建开挖曲面及动态对象样式需要精确定位到点、线、面，在创建自定义部件的过程中，需要给每个“点”“连接”及“造型”添加代码。

2.4.3 建模与算量

横断面设计输入数据对应于自定义部件参数，同时建筑物材质、伸缩缝等参数在出图过程中用于标签标注、动态创建纵断面显示样式、横断面显示样式、路线标签样式、代码集样式等，以满足水保弃渣场施工图相关规范和出图要求。用户只需按照自己的设计理念输入或修改相关数值即可快速生成三维模型，见图8。建模的同时软件后台自动创建采样线，并计算建筑物结构、地基、开挖、夯填等部位的工程量。

3 平台功能

3.1 出 图

为使项目中模型、图纸、表格标准统一，平台将图层、模型命名、材质、颜色、字体、线型线宽等按照规范和习惯进行了标准化。本平台利用各步骤措施设计模块的同一套断面设计数据，点击绘图按钮可一键成图。

Civil 3D自身可以利用纵断面图功能和横断面图功能针对三维模型进行剖图，然而Civil 3D的纵横断面图对象样式、标注栏、标签样式等操作复杂，操作时间成本高且难以达到符合出图习惯的样式。平台利用Civil 3D地形曲面、开挖线创建精准的优势，提取出通過模型剖切的三维地面线，并与二维图绘制、标注功能融合，充分利用了二三维设计数据。出图效果见图9。

3.2 分析计算功能

排水措施设计中包括设计流量计算和水文计算。① 设计流量计算指截排水沟设计流量计算，平台开发了水文计算和排水沟水力学计算功能。弃渣场拦挡、护坡、排水等防护措施设计应在渣体稳定的基础上进行，因此须根据弃渣场地形、地质及水文条件等进行挡墙稳定性验算，确保渣场稳定［12］。② 挡土墙稳定性计算包括滑动稳定性验算、倾覆稳定性验算、地基应力及偏心距验算。平台稳定性计算功能的计算方式采用SL 379-2007《水工挡土墙设计规范》附录A土压力计算提供的计算方法［16］。

3.3 工程量统计

使用Civil 3D自带功能计算工程量的过程中，用户首先需要在自定义部件时为各种材质的轮廓点、线和造型添加数量繁多的部件代码，再创建大量开挖道路曲面和体积曲面，然后创建采样线并逐个采样上一步创建的曲面和道路模型。为提高生产效率，方便用户快速统计工程量，平台通过对弃渣场各个部位、建筑物的进行标准化编码设计，实现了用户在一键点击完成设计的同时，自动完成工程量计算并将计算结果存储在对象扩展数据中。用户只需点击工程量表按钮，系统自动查询数据并生成符合出图习惯的工程量表。

3.4 知识推送

设计人员在输入设计数据时经常需要参考设计规范等文档资料，查找资料耗时耗力。为了方便用户，平台对用户操作界面的数据入口动态关联资料数据库。通过在后台添加文字、图片、文档等多种格式的规范、政策文件，完成相关数据向前端界面的自动推送，示例见图10。

4 工程应用

引洮供水二期（骨干）工程渠线总长571 km，主要建设内容有1条总干渠，6条干渠及2条分干渠，18条供水管线，总长176 km。主体工程以隧洞为主，沿线共布置隧洞171座，总长约370 km。布置弃渣场209处，占地面积110.22 hm2，堆渣量643.63万m3，设计总工期70个月。充分考虑弃方综合利用后，仍有大量弃渣需在规划弃渣场集中堆放。项目区山高坡陡、短历时降雨量和降雨强度大，

沟壑密度大，运渣困难，弃渣场选址和水土保持措施设计工作难度大。

在施工图设计阶段，使用该软件进行弃渣场设计、建模、出图、算量，有效提高了计算效率，设计成果精度更高，也使弃渣场安全稳定得到保障且与周围环境充分融合。弃渣场基本情况如表1所列。

表中所列弃渣场主要分为沟道型和坡地型两种，对于坡地形渣场，选择堆置方案设计功能中的“平行于坡脚线”选项，拾取对应的坡脚设计线；对于弃渣场所在沟道蜿蜒曲折及分叉的复杂地形情况，用户需指定沟道线，一键创建弃渣场曲面和原始地形曲面，来进行容渣量分析。弃渣场曲面的创建将Civil 3D放坡、求曲面交线、体积分析等多种功能整合在一起，用户按照自己的设计理念输入渣场堆置方案设计相关数值（初步确定弃渣场按1∶2边坡分级堆渣，设置每级堆渣高度5～8 m，马道宽2 m），

即可得出设计渣场堆置方案对应的容渣量高程曲线、表格及渣场三维实体堆置效果，可直观获得容渣量及其所对应的高程，同时也可通过容渣量一键查询按钮来对其进行查询。根据弃渣场堆置方案设计及项目区自然概况，设计人员可自主选择适地适生的植物，对渣场边坡及平台进行植物措施设计。该模块整合了乔灌草常见植物图例模块，方便一键出图填充。利用Civil 3D动态关联的工作模式，计算弃渣场水土保持措施各部位的工程量，并生成工程量表，同时可根据实际情况按照用户选择的工程进行查询、统计、输出和人工调整。弃渣场水土保持措施设计横断面发生变化，工程量会同步设计横断面协调变化，无需人为重新反复进行统计，相比传统工程量统计方法，效率提高且精确度较高。

在引洮二期工程中应用本软件进行弃渣场施工图设计，与手工方式相比提高效率约3～5倍。该软件开发的堆置方案设计、挡渣墙设计、排水沟设计模块均支持多个设计方案并存，每次输入的设计数据均可反复修改使用，方案迭代优化效率比手工方式提高10倍左右。应用本软件出图算量、分析计算，准确率和效率比未开发前有了很大提高。

5 结 论

针对传统弃渣场设计信息化水平低、二维设计转换三维困难的问题，通过对三维BIM设计软件Civil 3D二次开发，将水土保持弃渣场工程设计的工作模式和Civil 3D工作流进行有机融合，利用Civil 3D包含建模和绘图功能的特点，研究开发了弃渣场二三维设计平台软件。

（1） 各功能模块均采用步骤引导设计界面，将复杂的操作过程精简为设计流程，降低建模难度，减少培训时间，提高设计效率。把设计人员从繁杂的建模、制图、算量等操作中解放出来，把更多的时间精力用于设计本身。

（2） 统一数据入口并关联资料库，标准化的输入不仅减少设计师重复劳动的时间，也保证了设计风格和标准的连续统一。容渣分析、堆置方案设计等模块支持多个设计方案并存，便于设计人员进行方案比选、迭代优化。

（3） 平台以数据驱动、辅助设计为核心设计原则，输入设计数据均可保存，三维建模和二维出图共享一套数据，提供了一种有效推动弃渣场二维设计向三维设计转换的参考方法，有利于BIM平台软件的推广应用。

参考文献：

［1］王宁，陈嵘，杨新军，等.基于BIM技术的水利工程三维设计研究与实现［J］.人民长江，2017，48（增1）：156-159.

［2］陈龙，陈凯，汪子书.BIM技术在水利工程施工组织设计中的应用探讨：以南水北调东线某工程为例［J］.中国高新科技，2021（16）：45-47.

［3］赵杏英，陈沉，汪洋，等.BIM模型整合应用现状及关键因素分析［J］.人民长江，2021，52（增2）：279-282.

［4］王軍.水利工程BIM标准编码及清单计价的应用研究［J］.人民长江，2021，52（增2）：157-160.

［5］张鹏利，崔超，贾宁霄.BIM在黄金峡水利枢纽工程设计中的应用研究［J］.人民长江，2022，53（5）：149-155.

［6］高飞，何京拔，湛汉溪.AutoCAD Civil 3D软件在弃渣场设计中的应用［J］.人民长江，2017，48（12）：12-14.

［7］常胜.Autodesk Civil 3D在大型弃渣场规划设计中的模拟研究［J］.吉林水利，2022（3）：6-9.

［8］张哲.基于Autodesk Civil 3D的复杂弃渣场堆渣二次设计［C］∥辽宁省水利学会水与水技术（第9辑）.沈阳：辽宁科学技术出版社，2019.

［9］陈瑜.Civil 3D在沟道型渣场三维建模方法的应用［J］.水利技术监督，2021（11）：46-49.

［10］金瑞，肖春红，朱明，等.基于Civil 3D的航道整治BIM设计平台开发［J］.水运工程，2021（4）：169-174.

［11］贾兴斌.基于Civil 3D的铁路隧道弃渣场三维设计软件研究［J］.铁道标准设计，2022，66（6）：105-109，158.

［12］索丽生，刘宁.水工设计手册.第3卷，征地移民，环境保护与水土保持［M］.北京：中国水利水电出版社，2013.

［13］王磊.AutoCAD Civil 3D.NET二次开发［M］.上海：同济大学出版社，2018.

［14］朱致远，牛志伟，张宇，等.Revit二次开发在水闸工程挡土墙设计中的应用［J］.人民长江，2021，52（2）：117-121.

［15］中华人民共和国水利部.水土保持工程设计规范：GB 51018-2014［S］.北京：中国计划出版社，2014.

［16］中华人民共和国水利部.水工挡土墙设计规范：SL 379-2007［M］.北京：中国水利水电出版社，2007.

（编辑：黄文晋）

Study on 2D and 3D integration design platform for spoil area based on Civil 3D

CHEN Wanbao，ZHANG Jiaming，MA Tianhao，ZHANG Shiwei

（Gansu Investigation Design Institute of Water Conservancy and Hydropower，Lanzhou 730000，China）

Abstract： In order to remedy the limitations of Autodesk Civil3D in the design of water and soil conservation projects，and solve the traditional spoil area design problems，such as lack of professional auxiliary design software，low level of informatization，and difficulties in 2D and 3D design conversion，we adopt the method of secondary development of Civil 3D platform with C# language，Winform interface development，Civil 3D API and Subassembly Composer and MVC architecture mode.By analyzing the business process of each design step of the spoil area，a professional platform suitable for the design of the spoil area of water and soil conservation project is developed，which can realize the functions of slag capacity analysis，stability calculation，rapid modeling and mapping calculation.The platform has been successfully applied in the design of multiple spoil areas in water supply project of transferring water from Taohe River.The results showed that the platform associated the engineering design specifications with the visual operation interface of step guidance，which greatly improved the design efficiency and design quality while made up for the lack of professional auxiliary design software in the design of spoil areas，and effectively promoted the transformation of the design of spoil areas from two-dimensional to three-dimensional.

Key words： spoil area design；soil and water conservation；secondary development of Civil 3D；C language；2D and 3D integration

收稿日期：2022-07-01

作者簡介：陈万宝，男，工程师，硕士，主要从事水利信息化工作。E-mail：891516064@qq.com