三维正向设计在沱浍河航道整治工程的应用

杨志

（安徽省现代交通设计研究院有限责任公司，安徽 合肥 230011）

沱浍河航道贯通豫皖两省，通过淮河、京杭运河与长江航道衔接，具有联系沿海，发展中部的功能和区位特征。李口至临涣段是沱浍河进入安徽境内的第一段航道，也是安徽段最后一段未实施的航段，具有承上启下的作用。本次李口至临涣段按Ⅳ级标准进行建设，航道尺度45×3.2×320m，航道线路基本沿原有河道进行，对局部不满足航道尺度的航段通过切滩、切嘴和裁弯取直等工程措施，使其满足船舶通航要求。整治里程约29.59km，主要建设内容包括疏浚工程、护坡工程、桥梁改建及防撞防护工程、航标工程等。

1 航道选线的制约因素

1.1 航道等级

据安徽省人民政府办公厅皖政办秘〔2017〕132 号文批准的《安徽省水路建设规划（2017—2021 年）》，安徽省交通运输厅颁布的《安徽省水运“十四五”发展规划》、安徽省人民政府颁布的《安徽省干线航道网规划（2018—2030 年）》，沱浍河航道规划等级为Ⅳ级，根据《内河通航标准》并结合下游已建航道的建设尺度论证，本段航道的建设尺度最小为45m×3.2m×320m（底宽×水深×弯曲半径），两个相邻反向弯道之间的直线段长度不小于200m。

1.2 河道现状

浍河临涣至临涣闸段经过中小河流治理后，现状河道排水能力达到规划标准，水面宽度满足四级航道的标准但水深不满足，需要对航道进行疏浚。省界至临涣段长约26.7km，从未经过治理，河道底宽约10m，河底高程23.8m～20.3m，起伏较大，边坡1:2～1:1:8，极不规则，河道呈复式断面型式，自上而下存在刘集、岳集、余大桥等7 处较为弯曲的河道，航道整治需要按照Ⅳ级航道标准对不满足平面布置的弯曲河道采取切滩及裁弯取直的工程措施，同时为了减少船舶航行对岸坡的影响，工程对新疏浚的航道两岸进行防护。

1.3 基本农田分布

根据濉溪县土地利用总体规划调整完善数据库、永久基本农田数据库及土地利用现状变更调查数据库等数据分析，濉溪县耕地面积为138438.98 公顷，永久基本农田面积为120380.00 公顷，永久基本农田占耕地面积的86.96%，全县永久基本农田比例较高。项目所在区域永久基本农田分布广泛，航道整治难以完全避让占用永久基本农田。

1.4 沿线桥梁

本航道沿线共有12 座桥梁，本次航道整治对赵庄桥、刘集桥、岳集桥、临涣里桥、临涣码头桥、韩村北桥等6 座跨河公路桥梁及青阜铁路桥上行线进行改建。余大老桥及青海铁路桥拆除老桥。余大桥和S06 泗许高速桥现状利用。根据《内河通航标准》要求，考虑桥区航道的安全，桥梁上下游直线段长度分别不小于4 倍和2 倍单船长度的要求。航道沿线桥区航道需为直线段的要求对航道整体线型存在一定的约束。

综上所述，本航道制约因素众多，首先从通航安全角度而言，航道选线要满足内河通航标准等规范的要求，保障桥区航道的安全；从集约和节约土地角度工程要减少征地和占用基本农田；从河势稳定的角度，需要减小切滩强度，减少对河势稳定的影响。因此，设计过程中需要对航道线型进行反复优化，进而获得满足通航安全、减少占用基本农田、降低河势影响的最优布置。传统二维设计方法在面对线型调整时，设计过程繁琐、工作量大，且存在一定的设计误差。通过将Autodesk 系列三维设计软件应用到航道的设计中，实现航道整治工程的三维正向设计，实现设计过程前后关联及疏浚与护岸的三维协同智能化参数化设计，快速获得最新的设计成果，提高了设计效率和设计精度。

2 三维正向设计流程

三维设计主要利用Autodesk 公司推出Civil3D 及其配套插件Subassembly Composer（部件编辑器）。Civil 3D 是Autodesk 公司为土木与基础设施行业提供的三维设计解决方案，主要用于线性工程的三维建模，本次航道整治中的疏浚工程和护岸工程均为线型工程，采用Civil 3D 具有天然的优势。Subassembly Composer 提供了自定义线性工程横断面的功能，使用户根据需要对设计横断面进行逻辑编译，设计流程见图1。

图1 疏浚工程三维设计流程

图2 航道标准横断面图

图3 航道工程的三维可视化

（1）建立三维地形曲面。将本航道工程实测1:2000的地形图中高程点、等高线等高程信息进行提取转换，利用CIVIL3d 的曲面功能建立工程区河道的三维地形曲面作为航道设计的基础地形。

（2）平面设计。根据河道现状条件、航道的设计尺度、基本农田分布、河势影响等方面因素，利用Civil 3D 中的路线编辑器工具，初步选定合适的线路走向，后期可在此基础对线型进行优化调整。

（3）纵断面设计。航道纵断面按平坡设计，不设纵坡，航道设计底高程均为19.3m，根据航道线路里程及设计底高程即可制作纵断面文件。

（4）横断面设计。

疏浚断面根据滩地高程分别确定，当疏浚边坡上口线高程在25.0m 以上时，航道断面采用复式断面，滩地25.0m 高程处设2m 平台，以上边坡1:3，以下航槽边坡1：4，同时对疏浚边坡进行斜坡式护岸，▽25.0 平台以上采用砼预制互锁块（空心，孔内植草）结构型式，平台以下采用铰链排结构型式。当疏浚边坡上口线高程在25.0m 以下时，航道断面采用单一梯形断面，边坡1：4，不进行防护。

利用部件编辑器二次开发定制本航道疏浚与护岸工程的联合横断面。在对横断面进行编译时，需首先分析横断面中点线面的逻辑关系，进而根据逻辑关系将每一个点线面要素进行定义和设定。底宽可以作为逻辑目标对应平面设计中的航道底边线，边坡的坡比、通航水位、压顶高程、护岸垫层厚度等参数作为设计输入参数根据实际需求而定。

通过对横断面的编码，可在模型自动实现以下功能：

1）横断面能够在平面上与航道中心线、航道底边线进行逻辑关联，同时实现疏浚和护岸与航道线的动态关联，当航道线型发生优化调整时护岸部位随之改变，进而获得工程最新的设计成果。

2）当疏浚边坡上口线高程在25.0m 以下时，自动选择为单一梯形的疏浚断面，同时可自动识别断面内低于设计航道底高程的部分而不进行开挖，

3）当疏浚边坡上口线高程在25.0m 以上时，自动选择为复式断面的疏浚断面，并通过断面参数控制调整疏浚与护岸设计断面。

表1 护岸与疏浚横断面参数表

此外，对于地质条件较差或者有特殊要求的河段，需要调整断面的坡比、平台高程、护岸结构尺寸时，只需在平面中进行定位，在断面参数表中更改相应的设计参数，即可完成设计模型的更新。

（5）三维航道模型及工程量计算。在完成地形曲面及航道平面纵断面和横断面设计后、即可利用civil3d“道路建模”功能生成航道模型，并完成依据三维模型计算各部分工程量以及生成需要的二维图纸等。

3 三维设计成果的可视化

本航道为线性工程，在空间上呈带状分布，航道不可避免占用沿线基本农田，在弯曲河段航道整治需要对现状河道进行裁弯取直或者切滩的整治措施，另外航道沿线跨河桥梁、管线、沿河涵闸、沟渠等交叉建筑物众多，在说明航道整治与周围环境相对位置关系时，有必要将设计成果进行三维表达，实现航道整治工程的三维可视化，提高设计表达和沟通效率。

利用Autodesk 公司的可视化软件Infraworks 可实现三维设计成果和空间地理信息的融合，全面展示航道的设计成果及周围环境。在Infraworks 中，可将航道穿越区域内的卫星云图、地形数据、各种设计三维成果进行导入并精准定位，同时还可以将航道沿线基本农田、桥梁、涵闸等导入可视化模型从而实现航道周围的真实环境的还原，建立航道整治工程的电子沙盘，从而以一种三维的方式形象地反映航道与周围环境的相互关系。

4 二维设计成果的提取

在生成二维图形时，对Civil 3D 提供了自定义图形样式格式的功能，用户可根据自身行业特点及相关出图要求，对二维图形要显示的标签、标注的样式进行设置。二维平面图形的标签样式主要包括路线里程桩号及直线段、曲线段、交点标注等（图4）；横断面的标签样式主要包括底宽、坡比、填挖方面积、里程标注等（图5）；纵断面的标注主要包括里程桩号、设计高程、地面高程等的标注。

图4 定制标签后的平面图

图5 定制标签后的断面图

由于二维图纸与三维模型具有关联性，当三维模型的设计参数发生变化时，二维图纸中的标注及工程量随之改变，本工程在设计中，由于航道选线制约因素众多，需反复调整航道线路走向及设计参数，三维设计实现了设计过程的前后关联，大大减小了由于设计参数变化增加的工作量，大大提高了设计效率。

5 结语

（1）本航道项目具有设计期限短、制约因素众多、变更频繁的特点，传统二维设计方法在处理方案变化时，效率低下且存在一定的误差，无法满足实际需要。通过将三维正向设计方法应用到本航道的设计中，实现护岸专业与疏浚专业的协同设计，实现航道整治工程的智能化参数化设计，在实践应用均取得了满意的效果，大大提高生产力。

（2）在三维正向设计中，航道平面、纵断面、横断面的参数、航道模型以及基于模型提取的二维图纸与工程量之间是前后动态关联的，当航道线路走向或断面设计参数发生变化时，二维图纸及工程量会自动随之变化，提高了设计效率和设计精度。

（3）通过将航道模型、卫星云图、地形数据、沿线基本农田、桥梁、涵闸等关键信息导入Infraworks 可视化平台，建立航道工程的电子沙盘，形象地展示了航道整治与周围环境相对位置关系，提高设计表达和沟通效率。