Civil 3D在多級(jí)邊坡場地設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

葉曉文

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510230）

引 言

Civil 3D是基礎(chǔ)設(shè)施工程BIM建模分析的軟件平臺(tái)，功能日益完善，越來越多被用于土木水利工程設(shè)計(jì)，包括大壩設(shè)計(jì)（郝永志[1]、蘭立偉等[2]、于佳[3]和李晶等[4]）、渠道工程設(shè)計(jì)（李晶[5]）、隧道工程設(shè)計(jì)（陶海波等[6]）、機(jī)場地勢(shì)設(shè)計(jì)（王振殿等[7]）、道路設(shè)計(jì)（王雯鈺[8]、李俊超等[9]）、航道工程設(shè)計(jì)（劉擎波等[10]、葉雪雷[11]等）、滑坡災(zāi)害預(yù)警及防治工程設(shè)計(jì)與施工（張建忠等[12]）、土方量計(jì)算中的應(yīng)用（余劍[13]）、場地平整設(shè)計(jì)（郭陽洋[14]）等方面。

以上將Civil 3D用于工程設(shè)計(jì)中，涉及到放坡問題時(shí)，沒有對(duì)多級(jí)臺(tái)階邊坡進(jìn)行詳細(xì)介紹或討論。在實(shí)際工程中，涉及到大開挖，坡底和坡頂高程差較大，通常需要設(shè)置多級(jí)邊坡。由于Civil 3D的放坡創(chuàng)建工具，如圖1所示，放坡規(guī)則沒有多級(jí)邊坡放坡的選項(xiàng)，因此需要利用放坡到距離和放坡到相對(duì)高程，并結(jié)合使用Civil 3D的其他功能來實(shí)現(xiàn)多級(jí)邊坡開挖設(shè)計(jì)。本文將以某項(xiàng)目為例，探討在Civil 3D中如何實(shí)現(xiàn)多級(jí)邊坡場地的設(shè)計(jì)。

圖1 放坡創(chuàng)建工具

1 設(shè)計(jì)范圍概況

本項(xiàng)目是一個(gè)干港，主要貨物集裝箱通過火車運(yùn)輸進(jìn)港，項(xiàng)目設(shè)計(jì)范圍內(nèi)原始地形的高程大約在2 266 m和2 299 m之間，考慮到進(jìn)港鐵路的高程要求及土方量盡可能挖填平衡，場地平整設(shè)計(jì)高程為2 279 m。由于設(shè)計(jì)高程與原地形部分區(qū)域的高程相差較大，需要分級(jí)挖填，以1：2的坡度分級(jí)放坡，每級(jí)高程差8 m，臺(tái)階寬度3 m，最后一級(jí)放坡至原始地形曲面。在不影響多級(jí)邊坡場地設(shè)計(jì)討論的前提下，設(shè)計(jì)范圍作了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，本文的設(shè)計(jì)范圍如圖2所示。

圖2 設(shè)計(jì)挖填范圍

2 多級(jí)邊坡模型建立

在Civil 3D曲面的功能中有豐富的曲面創(chuàng)建選項(xiàng)，可以通過添加等高線、DEM 文件、圖形對(duì)象（點(diǎn)、塊、文本等）、點(diǎn)文件等方式創(chuàng)建曲面。在項(xiàng)目前期階段，缺少地形測圖的情況下，可以通過Civil 3D與Google earth的接口導(dǎo)入三維地形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為原始地形曲面。本項(xiàng)目已有地形數(shù)據(jù)，因此可以直接利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)生成原始地形曲面。先新建曲面，將高程數(shù)據(jù)添加到曲面中，并通過編輯曲面，修改或刪除Z坐標(biāo)不合理高程點(diǎn)，得到原始地形曲面，如圖3所示。

圖3 原始地形曲面

放坡是以要素線為基礎(chǔ)進(jìn)行的，有多種方式創(chuàng)建要素線，可以直接繪制要素線，也可以從對(duì)象、路線、道路、臺(tái)階式偏移等方式創(chuàng)建要素線。從對(duì)象創(chuàng)建要素線，對(duì)象可以是二維或三維多段線、直線或圓弧等?？梢栽趧?chuàng)建要素線之前設(shè)置多段線的高程為設(shè)計(jì)高程，這樣生成要素線的高程即為設(shè)計(jì)高程，也可以在生成要素線后編輯其高程。首先新建場地和放坡組，修改放坡標(biāo)準(zhǔn)中的放坡到相對(duì)高程，將相對(duì)高程設(shè)置為8 m，坡度設(shè)置為1：2；然后修改放坡到距離，將距離設(shè)置為3 m，坡度設(shè)置為水平。設(shè)置好放坡標(biāo)準(zhǔn)后，交替利用這兩個(gè)放坡標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行階梯放坡，直到放坡高程超過原始地形高程后停止，對(duì)設(shè)計(jì)范圍要素線進(jìn)行創(chuàng)建填充，利用放坡組特性即可生成一個(gè)開挖放坡曲面，如圖4所示。

圖4 開挖放坡曲面

開挖放坡曲面并不是實(shí)際所需的設(shè)計(jì)開挖曲面，需要對(duì)其進(jìn)行裁剪。利用曲面分析功能，求曲面之間的最小距離，分別選中原始地形曲面與開挖放坡曲面運(yùn)算，即可求得兩曲面的交線，此交線是三維多段線。將交線作為邊界添加到圖4開挖放坡曲面，可以得到設(shè)計(jì)開挖曲面，如圖5所示。

圖5 設(shè)計(jì)開挖曲面

創(chuàng)建一個(gè)新的曲面，將圖4原始地形曲面與圖5設(shè)計(jì)開挖曲面粘貼到新的曲面，形成開挖組合曲面，如圖6所示。

圖6 開挖組合曲面

多級(jí)邊坡開挖建模已完成，對(duì)于回填區(qū)域多級(jí)邊坡設(shè)計(jì)也是類似進(jìn)行。需要新建場地和放坡組，并重新設(shè)計(jì)回填放坡的要素線?？梢酝ㄟ^復(fù)制開挖放坡曲面與原始地形曲面的交線，與設(shè)計(jì)范圍的多段線構(gòu)成回填區(qū)域，通過截?cái)鄤h除多余線段然后合成新的多段線，以此多段線生成回填放坡設(shè)計(jì)的要素線?；靥罘牌碌牟僮髋c上述開挖放坡的操作基本一致，區(qū)別在于放坡到相對(duì)高程時(shí)，相對(duì)高程應(yīng)設(shè)置為-8 m。通過放坡生成放坡曲面、求交線、添加邊界等操作，可得設(shè)計(jì)回填曲面，如圖7所示。

圖7 設(shè)計(jì)回填曲面

新建曲面，將圖6開挖組合曲面和圖7設(shè)計(jì)回填曲面，或者將圖3原始地形曲面、圖5設(shè)計(jì)開挖曲面和圖7設(shè)計(jì)回填曲面，粘貼到新曲面，得到最終的設(shè)計(jì)曲面，如圖8所示。

圖8 設(shè)計(jì)曲面

3 設(shè)計(jì)應(yīng)用

3.1 土方量統(tǒng)計(jì)

通過體積面板工具，創(chuàng)建三角網(wǎng)體積曲面，三角網(wǎng)體積曲面是基準(zhǔn)曲面和對(duì)照曲面中的點(diǎn)的組合，提供了基準(zhǔn)曲面和對(duì)照曲面之間的精確差異。將圖3原始地形曲面作為基準(zhǔn)曲面，圖8設(shè)計(jì)曲面作為對(duì)照曲面，可以求得土方量。

3.2 土方施工圖

如項(xiàng)目需要，可以通過將原始地形曲面和設(shè)計(jì)曲面進(jìn)行計(jì)算來創(chuàng)建土方施工圖，如圖9所示。其中網(wǎng)格的間距和方向、組件可見性、算法和相關(guān)的顯示都可以根據(jù)需要選擇設(shè)置。網(wǎng)格包含了挖方或填方體積、網(wǎng)格各角點(diǎn)包含設(shè)計(jì)地形和原始地形在角點(diǎn)的標(biāo)高和高程差等信息。

圖9 土方施工圖平面及局部

3.3 創(chuàng)建設(shè)計(jì)斷面

通過設(shè)計(jì)路線和采樣線，可以方便的生成橫斷面圖，可根據(jù)實(shí)際工程需要在不同的位置，設(shè)置采樣線，批量生產(chǎn)成斷面。為了表示的方便，本文只設(shè)置了一個(gè)斷面位置，如圖10所示。

圖10 斷面1-1位置示意

生成斷面后，可以利用斷面圖的標(biāo)簽功能，通過設(shè)置標(biāo)簽樣式，非常方便的標(biāo)注斷面的高程和坡度，然后根據(jù)出圖需要在布局中創(chuàng)建不同的視口形成圖紙。斷面1-1的填方邊坡與挖方邊坡如圖11所示。

圖11 斷面1-1填方邊坡與挖方邊坡

4 結(jié) 語

本文討論了利用Civil 3D已有的放坡到相對(duì)高程和放坡到距離的規(guī)則，結(jié)合求解兩曲面交線的功能，通過將曲面交線作為邊界添加到放坡曲面，并利用曲面粘貼，實(shí)現(xiàn)了多級(jí)放坡。從原始地形曲面的建立，到設(shè)計(jì)曲面建立，以及土方量的統(tǒng)計(jì)，土方平面施工圖和斷面圖的生成等方面討論了如何應(yīng)用Civil 3D完成多級(jí)邊坡場地設(shè)計(jì)。

Civil 3D功能強(qiáng)大，三維數(shù)字地形模型非常直觀且方便查看，在完成建模的基礎(chǔ)上可快速準(zhǔn)確地計(jì)算土方量和批量繪制圖紙。Civil 3D各設(shè)計(jì)要素之間動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)，土方量和圖紙可以實(shí)時(shí)更新，可以顯著提高設(shè)計(jì)效率和精度，降低設(shè)計(jì)調(diào)整的勞動(dòng)強(qiáng)度，讓工程師有更多的時(shí)間投入到設(shè)計(jì)的優(yōu)化。