PowerCivil在水運(yùn)工程挖填方計算中的應(yīng)用

曹迪凡，高 正

（中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

BIM是在信息化背景下提出來的一種創(chuàng)新工具與生產(chǎn)方式，已在歐美等發(fā)達(dá)國家引發(fā)建設(shè)行業(yè)的變革。BIM在建設(shè)工程行業(yè)中的應(yīng)用服務(wù)于建設(shè)項(xiàng)目的設(shè)計、建造、運(yùn)營維護(hù)整個生命周期[1]。

PowerCivil是Bentley公司開發(fā)的一款面向道路、鐵路、橋隧、場地、雨水道等基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計的專業(yè)軟件，已逐漸應(yīng)用于道路、橋梁、隧道的三維設(shè)計。如中鐵第四勘察設(shè)計院結(jié)合滬通鐵路試點(diǎn)項(xiàng)目，詳細(xì)闡述PowerCivil的三維地形建模模塊、線路選線模塊和選線設(shè)計流程[2]；劉彥明基于Bentley PowerCivil的鐵路橋梁構(gòu)建三維參數(shù)化設(shè)計，以通橋（2009）4301/4201系列圓端形實(shí)體墩自動加載PCL文件為例，創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)圖進(jìn)而得出銀西線實(shí)體橋墩參考圖，合理確定橋墩高度，完成構(gòu)建的參數(shù)化設(shè)計[3]；沈照慶、魏鵬飛、董朝輝等人從幾何線形設(shè)計和廊道設(shè)計方面對比PowerCivil和Civil 3D的異同[4]。

然而，Powercivil在水運(yùn)工程中還沒有得到廣泛應(yīng)用。本文利用PowerCivil，在水運(yùn)工程挖填計算部分，給出一套較為實(shí)用的解決方案。

1 場地挖填方量計算方法比較

1.1 傳統(tǒng)工程量計算方法

開挖回填量的傳統(tǒng)計算方法，是在CAD橫斷面圖中，計算開挖橫斷面面積及回填橫斷面面積，再乘以該橫斷面縱向長度，依次累加，得到總的挖方量和填方量。公式可表示為。式中:V為挖方或填方總量（m3）；Si為第i個橫斷面開挖或回填面積（m2）；li為第i個橫斷面的縱向長度（m）。該種方法可在Excel中實(shí)現(xiàn)批量操作，方便快捷，已成為最基礎(chǔ)的挖填方量計算方法。缺點(diǎn)是可視化程度低，僅能通過ZDM軟件形成開口線，無法直觀地觀察到開挖體。

1.2 Powercivil計算方法

Powercivil對開挖回填的計算邏輯為，首先建立三維地形模型，其次依據(jù)開挖邊線或廊道中心線建立三維挖填模型，最后統(tǒng)計三維挖填模型的體積?？梢灾庇^地觀察到挖填體，判斷何處挖填量較大，且能自動生成挖填方量。難點(diǎn)在于建立三維挖填模型，缺點(diǎn)是該軟件只適用于線狀工程的挖填計算，如河道、海堤及簡單場地平整，不適用于復(fù)雜開挖。

1.3 2種方法對比

與傳統(tǒng)方法相比，利用PowerCivil建立地形模型后進(jìn)行挖填計算，雖然增加建立地形模型的過程，但是后續(xù)挖填方計算可通過程序自動計算，較為快捷，且能生成開挖后的地形，較為直觀。該方法主要使用Powercivil中的平面幾何、縱面幾何、地形模型、廊道模型、三維幾何5個模塊。

2 PowerCivil在實(shí)際開挖工程中的應(yīng)用

2.1 在靈江船閘開挖計算中的應(yīng)用

本次計算內(nèi)容為靈江船閘水工主體結(jié)構(gòu)的放坡開挖量，疏浚內(nèi)容為沿著新的航道中心線開挖1條新的航道。對于船閘水工結(jié)構(gòu)的邊坡開挖量計算，在現(xiàn)狀地形模型上繪制結(jié)構(gòu)底邊線，利用三維幾何模塊中的“應(yīng)用線性模板”功能，選擇起點(diǎn)樁號、終點(diǎn)樁號、各坡度的邊坡模板，即可生成船閘結(jié)構(gòu)開挖模型（見圖1）。

圖1 靈江船閘主體結(jié)構(gòu)三維開挖模型圖

接著應(yīng)用地形模型中“從元素創(chuàng)建”功能，選中生成的開挖模型，形成開挖地形cut。最后用地形模型模塊中“分析土方量”功能，選擇來源地形模型及終點(diǎn)地形模型cut，2個三維地形模型相減，即可計算出開挖量。

疏浚量的計算，首先根據(jù)CAD平面圖繪制人工開挖河道中心線，再在平面幾何模塊中使用“積木法則創(chuàng)建路線”，生成河道中心路線。在縱面幾何模塊中對河道中心路線使用“打開縱斷面模型”功能，即可在另一窗口中得到河道中心線對應(yīng)的縱斷面。在縱斷面窗口中，使用“直線坡”功能，在上游河道中心線起點(diǎn)和終點(diǎn)之間添加1條直線坡，設(shè)置該直線坡高程為-5.50 m，坡度為0，作為上游河道中心線的縱斷面。同理，對下游河道中心線進(jìn)行相同操作，高程設(shè)置為-6.50 m。然后在廊道模型模塊中，使用“創(chuàng)建橫斷面模板”功能，在Templates目錄下創(chuàng)建河道橫斷面模板。

需要注意的是，坡頂2個點(diǎn)的屬性為“末端約束”，末端條件特性中要勾選“末端條件為無限”，坡底2個點(diǎn)為固定的“約束”，邊坡分左右兩邊，左邊坡在標(biāo)簽中定義為邊坡1，右邊坡定義為邊坡2，方便后續(xù)修改坡度。最后，利用廊道模型中的“創(chuàng)建廊道”，按照提示即可完成廊道的創(chuàng)建，在“廊道對象”功能中，點(diǎn)擊“參數(shù)約束”，再點(diǎn)擊“新增”，即可對不同樁號段設(shè)置不同開挖坡比的邊坡。廊道模型工程量計算，可利用廊道模型中的“組件工程量”功能，直接自動生成挖填方量，十分快捷（見圖2）。疏浚計算所得填方量表示該航道部分區(qū)域天然底高程低于疏浚底高程，故所得填方量無需計入工程量。本文建立航道開挖三維建模流程見圖3。

圖2 靈江船閘航道疏浚橫斷面模板圖

圖3 基于PowerCivil的航道開挖三維建模流程圖

2.2 在東羅盤島碼頭疏浚工程中的應(yīng)用

東羅盤島碼頭工程的疏浚范圍為停泊水域、回旋水域及航道，疏浚量的計算與靈江船閘水工結(jié)構(gòu)的邊坡開挖計算較為相似。該工程航道與水域布置見圖4，疏浚邊坡為1:3。首先在已建的原地形模型上，繪制開挖邊線。然后應(yīng)用縱面幾何模塊中“固定高程縱斷面”功能，激活開挖邊線的縱斷面并設(shè)置高程為-5.30 m。接著按照靈江船閘的操作步驟中“應(yīng)用線性模板”這一步驟之后的內(nèi)容進(jìn)行操作，即可得到開挖模型及工程量計算結(jié)果（見圖 5 ～ 6）。ZDM土地平整功能得出的挖方量為35 625.85 m3（見圖7），與本次PowerCivil計算所得的結(jié)果相差0.46%。相互驗(yàn)證2種方法的準(zhǔn)確性。

圖4 東羅盤島碼頭航道與水域布置示意圖

圖5 東羅盤島碼頭工程疏浚三維地形模型圖

圖6 Powercivil計算所得東羅盤島碼頭工程疏浚量圖

圖7 ZDM計算所得東羅盤島碼頭工程疏浚量圖

3 結(jié) 語

PowerCivil對簡單場地開挖、線狀開挖的工程量計算邏輯較為清晰，綜合運(yùn)用平面幾何、縱面幾何、地形模型、廊道模型、三維幾何5個模塊可解決較多線狀開挖、簡單場平問題，且計算結(jié)果與ZDM計算成果差別不大，較為精確，可生成可見的開挖體。