Civil 3D建模解決方案在大連灣海底隧道工程中的應(yīng)用實(shí)踐

姜南岸

（中交一航局第三工程有限公司，遼寧 大連 116001）

0 引言

BIM技術(shù)已經(jīng)越來(lái)越多的應(yīng)用于建筑業(yè)施工生產(chǎn)管理過(guò)程中，其在三維可視化及建筑信息傳遞與保存方面有著很大優(yōu)勢(shì)。目前，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域BIM建模和應(yīng)用還處在探索階段，對(duì)基礎(chǔ)地質(zhì)部分的建模和應(yīng)用研究較少。對(duì)長(zhǎng)線工程建模也有一定的局限性。因此開(kāi)展結(jié)合地質(zhì)地形的線性工程建模及應(yīng)用研究是很有必要的。

Civil 3D作為一款面向基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)的建筑信息模型的BIM解決方案，其軟件架構(gòu)在AutoCAD之上，具備三維動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，通過(guò)強(qiáng)大的曲面編輯、道路、放坡等功能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的工程建模，可以使設(shè)計(jì)者通過(guò)三維視圖直觀地看到設(shè)計(jì)效果，加快設(shè)計(jì)理念的實(shí)現(xiàn)。

1 工程概況

大連灣海底隧道建設(shè)工程全長(zhǎng)5.1 km，隧道為雙向六車(chē)道。主要包括：沉管段隧道3.0 km，南北岸暗埋段、敞開(kāi)段1.7 km，接線道路0.4 km。隧道沉管段由1節(jié)135 m、12節(jié)180 m直線管節(jié)和5節(jié)148 m曲線管節(jié)組成。

隧道主線土層自上而下為淤泥層、淤泥質(zhì)土層、含礫石粉質(zhì)黏土，礫石層不均勻分布；巖層以白云巖和板巖為主，局部夾雜灰綠巖，管節(jié)基礎(chǔ)以巖基為主。沉管段隧道地基較復(fù)雜，大部分沉管坐落在巖基上，部分沉管落在黏土層中。基槽開(kāi)挖最大厚度20.7 m，距海平面最大深度31.7 m。

2 主線暗埋段結(jié)構(gòu)建模解決方案

由于主線暗埋段為弧線登陸結(jié)構(gòu)，在線路上呈現(xiàn)空間三維曲線形式，使用Revit無(wú)法快速準(zhǔn)確地創(chuàng)建暗埋段結(jié)構(gòu)模型。利用部件編輯器創(chuàng)建具有自適應(yīng)性的結(jié)構(gòu)斷面部件裝配，按照創(chuàng)建“道路”的方式來(lái)生成主線暗埋段結(jié)構(gòu)模型[1]。

1）整理數(shù)據(jù)創(chuàng)建路線和路線縱斷面

使用Civil 3D“繪制路線”功能創(chuàng)建路線水平基準(zhǔn)線。在完成水平基準(zhǔn)線繪制后還應(yīng)創(chuàng)建整個(gè)暗埋段結(jié)構(gòu)的邊線和隔墻位置線，為后續(xù)操作確定偏移目標(biāo)。在完成路線創(chuàng)建后，使用“縱斷面創(chuàng)建工具”創(chuàng)建縱斷面設(shè)計(jì)線[2]，在縱斷面格柵視圖中依次繪制結(jié)構(gòu)底部輪廓線、頂部輪廓線、道路鋪裝設(shè)計(jì)線等結(jié)構(gòu)輪廓縱斷面線。注意編輯格柵表中參數(shù)使其與設(shè)計(jì)的豎曲線要素一致。

2）創(chuàng)建暗埋段橫斷面裝配生成道路模型

創(chuàng)建暗埋段結(jié)構(gòu)斷面裝配可以采用Civil 3D部件編輯器進(jìn)行部件編輯。提前按照豎直和水平方向分別設(shè)置好“Elevation”和“Offset”目標(biāo)參照，用來(lái)限制整個(gè)截面在頂、底部高程和側(cè)、隔墻邊界位置的偏移。并以此為基準(zhǔn)創(chuàng)建自適應(yīng)的結(jié)構(gòu)橫斷面裝配。

3）生成暗埋段模型

使用“創(chuàng)建道路”命令，依次選擇路線水平基準(zhǔn)線、結(jié)構(gòu)底部輪廓線縱斷面以及自適應(yīng)道路裝配生成道路模型。修改道路模型的目標(biāo)參數(shù)設(shè)置，按照不同裝配形式將道路劃分為多個(gè)區(qū)域分別賦予相應(yīng)的裝配類型。修改裝配的步長(zhǎng)設(shè)定條件，注意應(yīng)在垂直基線高/低點(diǎn)以及偏移目標(biāo)曲線點(diǎn)處設(shè)置特殊步長(zhǎng)控制，以保證拐點(diǎn)和起伏點(diǎn)的特征控制。最后還需要為道路設(shè)定偏移目標(biāo)，將裝配中偏移目標(biāo)依次對(duì)應(yīng)暗埋段結(jié)構(gòu)的外側(cè)邊線或中隔墻位置線，高程目標(biāo)依次對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)輪廓縱斷線，重新生成道路。選擇道路使用“提取道路實(shí)體”工具將道路模型作為三維實(shí)體導(dǎo)出至新建的dwg文件即可用于后續(xù)BIM應(yīng)用的開(kāi)展，使用此方法創(chuàng)建結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)圖1。

圖1 主線暗埋段路線、裝配、道路以及生成的三維實(shí)體示意圖Fig.1 Schematic diagram of main line route,assembly,road and generated 3D solid

3 基于地質(zhì)層的沉管基槽建模研究

借助Civil 3D軟件的創(chuàng)建曲面功能生成三維地形曲面，將相鄰地質(zhì)層曲面合圍生成三維地質(zhì)層實(shí)體以便后續(xù)模型應(yīng)用的開(kāi)展。借助部件編輯器創(chuàng)建參數(shù)化的基槽斷面裝配生成沉管基槽開(kāi)挖結(jié)構(gòu)。

1）整理地勘數(shù)據(jù)

設(shè)計(jì)提供的地勘信息是創(chuàng)建三維地質(zhì)模型的根本，整理地勘點(diǎn)平面位置圖得到全部地勘點(diǎn)的二維平面坐標(biāo)，利用Civil 3D創(chuàng)建二維坐標(biāo)點(diǎn)，提取數(shù)據(jù)形成二維坐標(biāo)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)表。統(tǒng)計(jì)地勘鉆孔柱狀圖上地層標(biāo)高信息將各個(gè)地層的頂部和底部高程提取出來(lái)，結(jié)合平面點(diǎn)坐標(biāo)最終形成三維坐標(biāo)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)表[3-4]，見(jiàn)表1。

表1 通過(guò)地勘資料整理的部分地質(zhì)層坐標(biāo)點(diǎn)Table 1 Part of geological layer coordinates sorted out by geological exploration data

2）創(chuàng)建地質(zhì)層曲面和實(shí)體

在完成地勘數(shù)據(jù)整理后，將得到的三維坐標(biāo)點(diǎn)按照不同地層分別導(dǎo)入至Civil 3D軟件中，為方便區(qū)分可對(duì)不同地層進(jìn)行圖層劃分。導(dǎo)入點(diǎn)文件后使用創(chuàng)建曲面功能創(chuàng)建三角網(wǎng)曲面，考慮到沉管基槽線路上的部分區(qū)域礫石層不均勻分布，地層局部夾雜特殊巖質(zhì)對(duì)清淤、炸礁方量的計(jì)算有影響需要單獨(dú)統(tǒng)計(jì)，因此部分地質(zhì)夾層曲面需要重新定義生成，需要在夾層曲面邊緣位置補(bǔ)充坐標(biāo)點(diǎn)，使重新生成的曲面與下層曲面包覆成閉合的體積曲面。以此來(lái)近似地模擬出夾層的區(qū)域和方量，最后使用“從曲面提取實(shí)體”功能得到地質(zhì)層實(shí)體。

3）創(chuàng)建沉管基槽開(kāi)挖模型

對(duì)沉管隧道基槽開(kāi)挖斷面進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)橫斷面變化復(fù)雜放坡形式多樣，使用Civil 3D軟件自帶部件無(wú)法滿足要求，需要使用部件編輯器來(lái)創(chuàng)建部件裝配。提前設(shè)定各地質(zhì)層開(kāi)挖放坡原則，將10多種地層分為淤泥、黏土、全風(fēng)化巖、強(qiáng)風(fēng)化巖、中風(fēng)化巖5類并設(shè)定各自的放坡坡比。在部件編輯器中為每個(gè)地層設(shè)置對(duì)應(yīng)的目標(biāo)參數(shù)（曲面），從基槽坡腳開(kāi)始依次向上一層目標(biāo)參數(shù)（曲面）放坡，并通過(guò)設(shè)置條件判斷邊坡所處的地層，自動(dòng)調(diào)整放坡坡比確定基槽開(kāi)挖斷面。在完成自建部件后將其導(dǎo)入Civil 3D軟件中，繪制沉管基槽開(kāi)挖路線，設(shè)置好路線縱斷面，創(chuàng)建結(jié)構(gòu)裝配，為每個(gè)目標(biāo)參數(shù)（曲面）指定地層曲面，生成最終沉管基槽開(kāi)挖結(jié)構(gòu)模型，見(jiàn)圖2。

圖2 利用Civil 3D創(chuàng)建的海底隧道基槽結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Tunnel foundation trench structure model created by Civil 3D

4 Civil 3D建模應(yīng)用與總結(jié)

4.1 Civil 3D建模及應(yīng)用

1）快速精確建模提取工程量

對(duì)于基槽開(kāi)挖和主線暗埋段的建模，傳統(tǒng)方式是使用Revit進(jìn)行放樣融合創(chuàng)建模型，需要手動(dòng)繪制路線并為每段路線繪制斷面輪廓完成放樣融合，在變坡點(diǎn)或拐點(diǎn)位置還需進(jìn)行特殊斷面輪廓繪制，不同的結(jié)構(gòu)層往往需要分多次創(chuàng)建。這就需要技術(shù)人員詳細(xì)計(jì)算并繪制精確的斷面圖。造成大工作量高度重復(fù)性操作。且Revit本身建模機(jī)制無(wú)法解決空間曲線建模曲率控制等問(wèn)題，極易造成模型量偏差。所建模型與地質(zhì)地層幾乎沒(méi)有關(guān)聯(lián)，在實(shí)際施工生產(chǎn)中不同地質(zhì)層開(kāi)挖、爆破所產(chǎn)生的分包單價(jià)是不同的，傳統(tǒng)方式幾乎無(wú)法區(qū)分計(jì)算。使用Civil 3D解決方案不僅可以高精度地進(jìn)行模型搭建，同時(shí)深度結(jié)合地質(zhì)信息，大幅提升了模型的應(yīng)用價(jià)值。以主線暗埋段建模和計(jì)量為例，在本工程前期由于技術(shù)水平限制直接采用了Revit建模方案，整個(gè)建模過(guò)程歷時(shí)近5周時(shí)間投入技術(shù)人員4名，在研究采用Civil 3D建模方案后共歷時(shí)1周投入技術(shù)人員2名。大大提高了建模效率，按工時(shí)計(jì)算提升效率10倍以上。對(duì)比計(jì)算得到的工程方量偏差達(dá)2 000余m3，計(jì)量偏差見(jiàn)表2。

表2 暗埋段主體結(jié)構(gòu)工程量統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistical table of quantities of main structure in buried section m3

2）整平船插樁斷面研究

地質(zhì)地形模型的搭建在沉管隧道施工過(guò)程技術(shù)管理中起著重要的輔助決策作用，若無(wú)法準(zhǔn)確地得到沉管基槽地質(zhì)信息就難以提前做出符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的技術(shù)方案和有針對(duì)性的安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)案，方案的合理性也就無(wú)從談起[5]。

隧道施工區(qū)域內(nèi)地質(zhì)復(fù)雜，通過(guò)BIM技術(shù)對(duì)施工區(qū)域內(nèi)地質(zhì)層結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，對(duì)基槽地質(zhì)模型采樣生成斷面圖。批量輸出整平船插樁斷面圖施工工況圖，較原本單一斷面查詢、技術(shù)人員手繪出圖的方式，效率和精度大大提高。利用精確的斷面地質(zhì)圖進(jìn)行分析，見(jiàn)圖3。解剖地層，分析插樁風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)方案進(jìn)行細(xì)化，更好地了解工程區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)分布情況，為施工方案、工藝流程及規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)提供最直接的技術(shù)支持。

圖3 隧道基槽某處開(kāi)挖斷面圖Fig.3 Cross section of tunnel foundation trench excavation

3）Civil 3D建模的后續(xù)應(yīng)用

由于采用Revit作為基礎(chǔ)建模平臺(tái)，通過(guò)Civil 3D創(chuàng)建的模型，如果不能與Revit模型進(jìn)行整合用于后續(xù)的BIM應(yīng)用，其實(shí)用價(jià)值將大大降低。將Civil 3D生成的三維實(shí)體直接導(dǎo)入Revit中即可作為Revit族文件使用，后續(xù)的材質(zhì)定義、模型劃分、參數(shù)添加等操作都可以通過(guò)Revit進(jìn)行操作，模型兼容性很強(qiáng)，通過(guò)Revit可將模型整合應(yīng)用于施工布置、進(jìn)度推演、工藝模擬等BIM應(yīng)用中大大增強(qiáng)模型適用性，應(yīng)用效果見(jiàn)圖4。

圖4 Civil 3D創(chuàng)建模型的整合與應(yīng)用Fig.4 Integration and application of Civil 3D creation model

4.2 Civil 3D解決方案應(yīng)用價(jià)值

線性工程使用Civil 3D建模及應(yīng)用具有很大優(yōu)勢(shì)，將傳統(tǒng)方式與Civil 3D解決方案分析比對(duì)，發(fā)現(xiàn)項(xiàng)目Civil 3D解決方案在BIM工作效率、模型精準(zhǔn)度、斷面查詢/出圖等功能都有明顯提升[6]?；贑ivil 3D建模應(yīng)用價(jià)值對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 Civil 3D建模應(yīng)用價(jià)值對(duì)比Table 3 Application value comparison of Civil 3D modeling

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)應(yīng)用Civil 3D以及ASC部件編輯器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)基于三維地質(zhì)地層模型、基槽開(kāi)挖及插裝平臺(tái)模型、主線暗埋段主體結(jié)構(gòu)模型等大體量模型的搭建，解決了很多傳統(tǒng)方案難以解決的實(shí)際問(wèn)題[7-8]。但在沉管隧道建設(shè)工程實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，后續(xù)的橋梁段、道路段建模及邊坡開(kāi)挖防護(hù)的分析與計(jì)算，止水結(jié)構(gòu)咬合樁、帷幕灌漿模型搭建與止水效果分析等建模及應(yīng)用都需要技術(shù)人員不斷探索，豐富Civil 3D解決方案的應(yīng)用范圍。本文以創(chuàng)建沉管隧道相關(guān)模型搭建和應(yīng)用為契機(jī)，初步探索和總結(jié)了Civil 3D建模解決方案在海底隧道工程中的應(yīng)用效果與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為本工程和類似工程的BIM技術(shù)深化提供實(shí)踐依據(jù)。