Civil 3D在水系綜合治理工程中的應用分析

趙 麗，孔 莊

（中交上海航道勘察設計研究院有限公司，上海 200120）

引 言

Civil 3D目前已應用在了港口、航道、水利等多個工程領域的設計階段，部分行業(yè)已開始基于業(yè)務范疇對Civil 3D進行深化及二次開發(fā)，以滿足各工程階段不同的設計要求。梁慶、周智鵬等[1]利用Civil 3D設計港口陸域高程，為港口陸域高程的設計提供了新思路。袁曉洲、宋宗旋[2]探討了Civil 3D軟件在海港疏浚工程中的應用并結合工程案例介紹了土方計算與總結出圖。王利超、王福增[3]等簡要介紹了Civil 3D在水利工程中渠道的設計及工程量計算的應用。劉擎波、劉晗晗[4]通過Civil 3D對航道中的潛堤進行建模并對工程量進行了計算，并介紹了Civil 3D軟件在長江深水航道整治工程中的應用。此外，黃曄卉，歐陽龍山等[5]為解決模型中泥面線與實際地形存在偏差的問題，采用Net語言對Civil 3D進行二次開發(fā)，對測量所得數(shù)據(jù)源進行處理，得到更為準確的工程量。

目前，隨著工程領域對環(huán)境保護、生態(tài)可持續(xù)性發(fā)展等方面的不斷重視，越來越多的水系及水環(huán)境綜合治理項目正在開展。一般水系綜合治理項目，須通過開挖形成湖泊以及周邊與湖泊相聯(lián)通的水系，并以湖泊為核心元素，為后續(xù)的綠化、生態(tài)以及景觀等工程的實施創(chuàng)造條件。因此，湖泊與周邊水系的形態(tài)具有一定的復雜性和多變性，設計過程中土方計算與挖填平衡需能較好的反映工程實際。

鑒于此，本文結合臺州東部新區(qū)某水系綜合整治工程實例，利用Civil 3D建立地形曲面與湖泊設計曲面，并計算工程挖填方量，為工程投資提供科學依據(jù)。

1 實例分析

“臺州東部新區(qū)某水系綜合整治工程”是臺州灣循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)水環(huán)境系統(tǒng)中的重要一環(huán)，是實現(xiàn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)、湖區(qū)及其周邊水環(huán)境穩(wěn)定純凈的重要保障工程。項目實施后，將形成面積約1.52 km2的湖區(qū)，平均水深為3.3 m，蓄水容積約495萬m3。

湖區(qū)現(xiàn)狀為經(jīng)吹填形成的陸地，吹填高程約4.0 m（85國家高程基面），部分位置現(xiàn)狀為灘面，高程約0.0 m。設計中湖區(qū)分為湖濱帶與湖底兩部分，湖濱帶在不同的水深條件下種植各類植物，對湖水進行生態(tài)修復，底高程在1.5～0.2 m；湖底呈“雙碟形”，底高程在0.2～-2.0 m，利用底床高程變化，沿水流方向布置有深有淺的湖底形態(tài)，營造出適合野生動物和水生植物棲息的多樣化生境，進而形成穩(wěn)定的湖泊生態(tài)系統(tǒng)。此外，湖區(qū)周邊新開挖七條河道，以供湖區(qū)引水與排澇。

圖1 湖區(qū)疏浚平面

2 建模步驟及重難點

2.1 建模步驟

1）對湖區(qū)原始測圖與設計地形進行處理，以滿足Civil 3D的導入要求。

2）在Civil 3D中創(chuàng)建湖區(qū)原始地形，利用“點文件”定義原始地形曲面，利用“對象查看器”可直觀的檢查地形曲面并可在“曲面特性”中進行調整，使地形曲面盡可能貼合實際；同時，添加湖區(qū)工程的邊界線并轉換成要素線。放坡及填充形成地形曲面并創(chuàng)建放坡組，將曲面導出為LandXML格式文件。

3）在Civil 3D中創(chuàng)建湖區(qū)設計地形，利用“等高線”將“雙碟形”湖底造型導入Civil 3D并轉換成要素線，同時添加湖區(qū)工程邊界線并轉換成要素線。利用“高程編輯器”對要素線上的點進行高程控制，利用“放坡工具”填充要素線并創(chuàng)建放坡組，將曲面導出為LandXML格式文件。

4）在Civil 3D中利用“體積面板工具”生成挖填報告。

圖2 湖區(qū)設計地形曲面示意

圖3 湖區(qū)現(xiàn)狀地形曲面示意

2.2 建模重難點

本工程湖區(qū)現(xiàn)狀為吹填后形成的陸地，地形邊界及高程均不規(guī)則；湖濱帶，湖底為“雙碟形”，較為復雜，傳統(tǒng)的裝配式場地設計法并不適用。

本工程建模過程中，重難點主要集中在要素線的轉換以及放坡形式的確定。由于原始地形與設計地形均復雜多變，因此均選用按曲面的放坡形式。

3 Civil 3D與傳統(tǒng)設計的對比分析

3.1 與傳統(tǒng)斷面法的對比分析

根據(jù)《疏浚與吹填工程設計規(guī)范》（JTS 181-5-2012），疏浚工程傳統(tǒng)的計算方法包括斷面面積法、平均水深法以及網(wǎng)格法，其中斷面面積法應用較為廣泛。設計過程中需明確每一個計算斷面的疏浚面積與斷面的間距，利用公式計算得到相應的工程量。盡管規(guī)范要求應在挖槽起點、轉折點、終點以及不同類別土質的界面處均應布設計算斷面，但計算斷面之間的地形起伏信息卻被忽略。若計算斷面之間地形起伏較大或地形轉折劇烈，那么利用斷面面積法求得的工程量將會存在很大的誤差。

具體到水系綜合治理項目，大部分項目須新開挖形成湖泊與水系；為滿足水動力要求以及生態(tài)景觀要求，湖泊與水系形態(tài)通常復雜多變，湖底形態(tài)起伏不定，因此斷面面積法應用到此類項目中具有較大的局限性。

相比傳統(tǒng)的斷面面積法，Civil 3D考慮了所有的地形起伏，沒有丟失任何地形信息，將“設計曲面”與“地形曲面”直接進行曲面間的計算，最終得到相對精確的挖填工程量。此外，Civil 3D還可通過曲面的升高與降低，計算各分層開挖的工程量，以滿足水系綜合治理項目中對污染土、干土以及濕土工程量的需求，具有較大的應用前景。

3.2 與CASS軟件的對比分析

CASS軟件是基于 CAD平臺開發(fā)的一套集地形、地籍、空間數(shù)據(jù)建庫、工程應用、土石方算量等功能為一體的軟件系統(tǒng)。在土方計算方面，CASS軟件提供了方格網(wǎng)法、DTM 法、等高線法以及斷面法等計算方法。針對水系綜合整治項目，通?？刹捎肈TM法與等高線法相結合的方式，形成現(xiàn)狀地形與設計地形三角網(wǎng)并利用兩期間土方計算得到工程量。

對比Civil 3D與CASS可發(fā)現(xiàn)，CASS中的三角網(wǎng)由地形測點直接相連形成，而Civil 3D中的等高距可以隨意設置，要素線之間的填充放坡也可根據(jù)不同的目標進行調整，不斷優(yōu)化以形成較為貼合實際的曲面。同時，Civil 3D還可將曲面實體化，對曲面進行直觀的檢查以提高計算的準確度。

表1 兩期間土方工程量（CASS）

本文同樣利用CASS軟件結合實例進行工程量計算，通過對比可發(fā)現(xiàn)，與CASS軟件的計算成果相比，Civil 3D建模所得的挖填方量相差在合理范圍內，符合工程實際要求。

表2 Civil 3D與CASS所得工程量對比

4 結 語

1）在水系綜合治理項目中，Civil 3D在解決土方計算方面，相較于傳統(tǒng)的斷面面積法以及CASS軟件，在建模原理與建模流程等方面均具有明顯的優(yōu)勢。

2）在建模過程中，Civil 3D利用三角網(wǎng)形成地形曲面且等高距以及要素線之間的放坡填充均可調整，可不斷優(yōu)化最終形成較為貼合實際的曲面模型；同時，模型可視化能夠直觀反映實際情況，以提高工程量計算精度。此外，模型可重復使用，設計調整只需更新模型數(shù)據(jù)，相應成果即可同步更新，大大提高設計效率。

3）在工程量計算成果方面，Civil 3D計算成果與CASS軟件相差在合理范圍內，可滿足實際工程需要。