ORD在斜坡式碼頭設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

鄂俁錕，葉成華，竇亞軍，高 正

（中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

引 言

BIM技術(shù)即通過(guò)數(shù)字化技術(shù)，向使用者提供可視化的工程內(nèi)容，達(dá)到動(dòng)態(tài)的三維設(shè)計(jì)目的。目前常用的 BIM 建模軟件有 Revit、Bentley等。其中Bentley系列軟件涵蓋領(lǐng)域廣，針對(duì)各類工程提供了相應(yīng)的產(chǎn)品軟件。本文采用 Bentley公司開(kāi)發(fā)的專業(yè)線性建模軟件Open Roads Designer（簡(jiǎn)稱ORD），應(yīng)用于斜坡式碼頭工程，進(jìn)行斜坡式碼頭的可視化設(shè)計(jì)。

斜坡式碼頭按結(jié)構(gòu)形式可分為實(shí)體、架空、實(shí)體結(jié)合架空三種形式，布置型式為線性布置。相較于其他碼頭類型，斜坡式碼頭具有投資少、建設(shè)工期短、結(jié)構(gòu)型式簡(jiǎn)潔、便于施工、對(duì)大水位差適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，適合在水位差較大、規(guī)模較少、地質(zhì)條件適宜的地區(qū)采用[1]。目前國(guó)內(nèi)山區(qū)河流及水電站庫(kù)區(qū)內(nèi)渡口碼頭較多采用實(shí)體斜坡式碼頭型式，碼頭功能主要為車渡或客渡。這些區(qū)域往往水位變動(dòng)大，而吞吐量較小，斜坡式碼頭可以很好地滿足渡口功能，同時(shí)降低了工程投資。根據(jù)規(guī)范[2]，斜坡道碼頭坡度根據(jù)性質(zhì)的不同有不同的限值，踏步斜坡式碼頭的坡度在 1:2～1:7之間；坡道斜坡式碼頭，客渡碼頭的坡度不陡于 1:7，車渡碼頭的坡度不陡于1:10，小型汽車道縱坡在困難條件下不陡于1:9。

對(duì)于實(shí)體斜坡式碼頭而言，斜坡道線型布置是影響工程投資的最主要因素。尤其是當(dāng)選址位于地形陡峭的區(qū)域時(shí)，斜坡道的線型布置需考慮斜坡道的坡度與現(xiàn)狀地形的貼合程度、斜坡道背水側(cè)的開(kāi)挖量以及臨水側(cè)的回填高度[3]。傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)在斜坡道線型布置時(shí)通過(guò)人工方式進(jìn)行布線及試算，不僅工作量大，同時(shí)容易產(chǎn)生誤差。而采用 ORD對(duì)斜坡道工程進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，根據(jù)不同的線型布置方案可以快速完成縱斷面圖的預(yù)覽，供設(shè)計(jì)人員對(duì)比與地形線的貼合程度；同時(shí)，確定了線型后，在ORD軟件內(nèi)置的模板庫(kù)中根據(jù)碼頭橫斷面圖定義好斷面屬性后，可以快速建立完整的斜坡道模型，并輸出工程量表，極大地提高了設(shè)計(jì)工作效率。本文以金沙江白鶴灘水電站庫(kù)區(qū)內(nèi)的一個(gè)坡道斜坡式客渡碼頭為例，采用 ORD進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)成果，以期對(duì)類似斜坡道工程的設(shè)計(jì)工作具有一定的參考意義。

1 項(xiàng)目背景

1.1 工程概況

白鶴灘水電站位于金沙江下游四川省寧南縣和云南省巧家縣境內(nèi)，為金沙江下游河段梯級(jí)開(kāi)發(fā)的第二級(jí)電站，上接烏東德水電站、下鄰溪洛渡水電站；控制流域面積43.03萬(wàn)km2，占金沙江流域面積的 91.0 %。白鶴灘水電站距離巧家縣城約45 km、寧南縣城約66 km。白鶴灘水電站正常蓄水位825 m（1985國(guó)家高程基準(zhǔn)，下同），防洪限制水位785 m，死水位765 m，調(diào)節(jié)庫(kù)容104.36億m3，水庫(kù)具有年調(diào)節(jié)性能。水庫(kù)防洪庫(kù)容75億m3。[4]

本工程位于庫(kù)區(qū)內(nèi)會(huì)東縣境內(nèi)，距白鶴灘水電站壩址直線約 56.2 km。場(chǎng)地處交通較為便利，有既有道路與碼頭相連接。碼頭結(jié)構(gòu)形式采用實(shí)體坡道斜坡式結(jié)構(gòu)，為客渡碼頭。根據(jù)白鶴灘庫(kù)區(qū)內(nèi)沿程回水曲線確定碼頭選址處的設(shè)計(jì)高水位825.12 m，設(shè)計(jì)低水位765.12 m。碼頭設(shè)計(jì)頂高程825.62 m，碼頭前沿底高程764.22 m，縱向坡度采用1:7，斜坡道平面長(zhǎng)度420 m，沿線設(shè)一個(gè)回頭彎，碼頭位置處由于全年斷面流速均較小，平面布置時(shí)可不考慮水流方向?qū)Υ巴？康挠绊?。水工結(jié)構(gòu)按照2個(gè)50 t級(jí)客渡船舶丁靠靠泊標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，斜坡道總寬度10 m，斷面迎水側(cè)設(shè)重力式擋墻，背水側(cè)根據(jù)地形選擇合適坡比放坡或開(kāi)挖。碼頭頂高程處設(shè)置面積約 750 m2陸域平臺(tái)，平臺(tái)上設(shè)置候船房一座，供乘客上下船歇息，陸域平臺(tái)連接碼頭與后方道路。碼頭總平面布置如圖1。

圖1 斜坡式碼頭總平面布置

1.2 設(shè)計(jì)荷載

本工程主要考慮以下幾項(xiàng)荷載：

1）結(jié)構(gòu)自重；

2）人群荷載：均布荷載3 kPa；

3）水流力：水庫(kù)蓄水后港址處全年流速較小，水流力忽略不計(jì)，具體流速計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1；

表1 港址流速統(tǒng)計(jì)

4）地震力：工程區(qū)動(dòng)峰值加速度為0.20g，基本抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度，反應(yīng)譜特征周期0.45 s。

1.3 地質(zhì)條件

場(chǎng)地為斜坡地形，局部存在陡坡，覆蓋層厚，場(chǎng)地北測(cè)高程785～822 m陡坎范圍在白鶴灘水電站蓄水后存在表層坍岸問(wèn)題，但距離碼頭斜坡道有一定距離，對(duì)碼頭斜坡道影響小，不良地質(zhì)作用不發(fā)育。總體分析所選碼頭場(chǎng)地適宜。

斜坡道碼頭區(qū)分布礫石土及碎石土，土體工程特性分述如下：

礫石土：力學(xué)性質(zhì)一般，承載力特征值fak=200 kPa，可作為一般建筑物天然地基持力層。

碎石土：力學(xué)性質(zhì)一般，承載力特征值fak=250 kPa，可作為一般建筑物天然地基持力層。

2 ORD建模

采用 ORD建立斜坡道碼頭三維模型的過(guò)程，可以歸納為地形模型建立、斷面模型建立、縱斷面導(dǎo)入、三維模型建立四部分。

2.1 地形模型建立

將工程區(qū)范圍內(nèi)1:500地形圖導(dǎo)入到ORD中，通過(guò)讀取 CAD地形圖中等高線及高程點(diǎn)上的高程數(shù)據(jù)，生成地形的三維模型。地形三維模型如圖 2所示。

圖2 地形三維模型

生成的三維地形模型可以直觀反映工程區(qū)內(nèi)沖溝與陡坎等不利地形的位置，在工程設(shè)計(jì)前期進(jìn)行選址布置時(shí)可以有效避免。

2.2 斷面模型建立

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，斜坡道斷面寬度10 m，迎水側(cè)設(shè)置重力式擋墻，背水側(cè)設(shè)排水溝。背水側(cè)根據(jù)地形進(jìn)行放坡或開(kāi)挖，放坡段坡度1:2.5，漿砌塊石護(hù)面；開(kāi)挖段坡度1:1.75，開(kāi)挖邊坡高度＞5 m時(shí)，分級(jí)開(kāi)挖，每5 m高差設(shè)1.5 m寬水平肩臺(tái)。根據(jù)擋墻穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果，碼頭典型橫斷面如圖 3、圖 4所示，圖3適用于背水側(cè)放坡的區(qū)域，圖4適用于背水側(cè)開(kāi)挖的區(qū)域。

圖3 碼頭典型面1

圖4 碼頭典型面2

在ORD橫斷面模板模塊中創(chuàng)建斷面模型，并賦予不同的構(gòu)件相應(yīng)的材料屬性，在背水側(cè)的處理上，將放坡及開(kāi)挖同時(shí)在一個(gè)斷面模型中創(chuàng)建，可以根據(jù)地形條件自動(dòng)判別，從而提高了放坡的工作效率，端部擋墻及陸域平臺(tái)按照同樣方法創(chuàng)建。

2.3 縱斷面建立

在創(chuàng)立的三維地形圖中繪制多條斜坡道碼頭軸線用來(lái)進(jìn)行方案比選，在 ORD的縱斷面模型中對(duì)每條軸線的縱斷面進(jìn)行設(shè)置，坡道頂?shù)赘叱贪凑找筚x值，可以同時(shí)得到每條軸線的縱斷面圖，對(duì)比地形圖即可得到最優(yōu)方案，該方法使得方案對(duì)比過(guò)程變得十分簡(jiǎn)單，最終確定的斜坡道軸線縱剖面如圖5所示。

圖5 碼頭縱斷面示意

2.4 三維模型建立

建立好橫斷面模型及縱斷面線后，在廊道模塊中建立斜坡道的廊道模型，再采用相應(yīng)的橫斷面模型對(duì)廊道模型進(jìn)行三維路面定義，即可得到斜坡道的三維模型，包含了實(shí)體結(jié)構(gòu)及開(kāi)挖、放坡線內(nèi)容。端部擋墻和陸域平臺(tái)利用同樣方法實(shí)施，碼頭三維模型如圖6所示。

圖6 斜坡式碼頭三維模型

3 成果應(yīng)用

采用 ORD建立的斜坡式碼頭三維模型，支持動(dòng)態(tài)截面功能，可以查詢?nèi)我馄拭嫖恢玫臄嗝鎴D，通過(guò)此功能復(fù)核設(shè)計(jì)成果，可以簡(jiǎn)單快速的查找各種不利情況下的斷面位置，如擋墻最高處、開(kāi)挖邊線最遠(yuǎn)處等，對(duì)于提高工作效率及保證設(shè)計(jì)成果質(zhì)量起到了良好效果。

圖7 斜坡式碼頭典型動(dòng)態(tài)斷面示意

同時(shí)，ORD支持工程量統(tǒng)計(jì)功能，根據(jù)斷面模塊中相應(yīng)部位定義的材質(zhì)信息，可生成三維模型的工程量表。本工程碼頭部分的工程量統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖8所示。

圖8 斜坡式碼頭主要工程量

4 結(jié) 語(yǔ)

應(yīng)用 ORD軟件進(jìn)行斜坡式碼頭的三維設(shè)計(jì)因具有以下優(yōu)點(diǎn)，可大大提高設(shè)計(jì)工作效率：

1）在斜坡式碼頭線型布置階段，可以在布線的同時(shí)進(jìn)行方案比選，縮短了線型選擇的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了交互式設(shè)計(jì)。

2）模型建立后可以快速查詢?nèi)我馕恢锰帞嗝嫘螤睿梢钥焖僬业阶畈焕麛嗝嫠谖恢眉爸苓叺匦巫兓畔?，保證設(shè)計(jì)成果的準(zhǔn)確性及合理性。

3）ORD基于 Bentley平臺(tái)開(kāi)發(fā)，模型可以與其他專業(yè)工程之間相互參考，各專業(yè)設(shè)計(jì)成果實(shí)現(xiàn)了有效傳遞和交互式溝通。

此外，在復(fù)核設(shè)計(jì)成果后需要指出，采用ORD設(shè)計(jì)仍存在以下一些問(wèn)題，需要在未來(lái)加以解決：

1）軟件自動(dòng)輸出工程量與實(shí)際計(jì)算量有差異，主要體現(xiàn)在開(kāi)挖量及回填量中，這是因?yàn)閷?shí)際工程中存在局部處理及地基換填等情況，三維軟件中對(duì)這些工程措施較難建立模型，因此輸出的工程量只能作為參考，不能直接作為工程實(shí)施的依據(jù)。

2）ORD建模原理為通過(guò)放樣建立線性模型，因此結(jié)構(gòu)與地形的銜接均為平滑過(guò)渡，實(shí)際工程中擋墻間存在結(jié)構(gòu)縫，相鄰結(jié)構(gòu)段之間擋墻存在一定高程，軟件中無(wú)法模擬該情況，因此擋墻工程量與實(shí)際存在一定偏差。

3）軟件可以模擬開(kāi)挖與多級(jí)放坡的效果，但無(wú)法直接建立護(hù)面模型，只能根據(jù)開(kāi)挖及放坡線的表面積計(jì)算護(hù)面結(jié)構(gòu)的工程量。