Civil3D 在重力式碼頭工程中的應(yīng)用

冀坷帆，李嬌嬌，崔冠辰

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，天津 300220）

引言

水運工程由于其行業(yè)特殊性，場地條件復(fù)雜，構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化程度低，使得BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）技術(shù)的推廣較為緩慢，由于BIM 技術(shù)先進(jìn)的理念滿足了水運行業(yè)專業(yè)化、自動化和集成化的發(fā)展要求，因此在水運工程領(lǐng)域大力推進(jìn)BIM 技術(shù)落地應(yīng)用成為大勢所趨。

在水運工程建設(shè)領(lǐng)域，工程規(guī)模往往較為浩大，在重力式碼頭結(jié)構(gòu)建設(shè)尤其是沉箱重力式碼頭建設(shè)時，會涉及到大型的基槽開挖和拋填工程，由此也會形成大量的挖填土石方量。目前工程設(shè)計人員在進(jìn)行基槽開挖設(shè)計時，一般都是根據(jù)開挖原則通過空間想象直接利用CAD 進(jìn)行二維圖紙設(shè)計，統(tǒng)計工程量也是根據(jù)二維設(shè)計圖紙進(jìn)行體積運算，這樣的方式往往導(dǎo)致設(shè)計人員的工作量巨大，計算結(jié)果也容易存在較大誤差。因此，如何采用便捷精確的方法進(jìn)行基槽開挖設(shè)計成為設(shè)計領(lǐng)域一個亟待解決的問題。

AutoCAD-Civil3D是Autodesk公司推出的一款面向基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)的建筑信息模型（BIM）解決方案，與AutoCAD 一脈相承，是BIM 技術(shù)領(lǐng)域的一個重要組成部分。主要應(yīng)用于城市規(guī)劃、交通工程等領(lǐng)域[2]，在水運工程領(lǐng)域Civil3D 的應(yīng)用較少，主要用于勘察工程以及陸域工程創(chuàng)建場地，用于航道工程設(shè)計開挖航道以及疏浚量統(tǒng)計，或是港口工程港池場地設(shè)計等。

本文基于茂名港某液體化工碼頭，研究當(dāng)基槽開挖情況較為復(fù)雜時如何運用Civil3D 解決此設(shè)計難題。本文基于實際工程項目總結(jié)了傳統(tǒng)方法在繪制二維圖紙和挖填方工程量計算中存在的問題，對利用Civil3D 進(jìn)行圖紙設(shè)計和挖填方工程量計算原理及操作流程進(jìn)行梳理和研究，并與傳統(tǒng)方法進(jìn)行對比分析，驗證了Civil3D 在圖紙設(shè)計和計算挖填方工程量方面的便捷性和準(zhǔn)確性，解決了傳統(tǒng)二維設(shè)計計算時的難題。

1 Civil3D 在重力式碼頭工程中的應(yīng)用

1.1 工程背景

茂名港某液體化工碼頭擬新建3 個油品化工泊位及配套設(shè)施，碼頭設(shè)計年吞吐量為510 萬t，呈L型布置，包括兩個5 萬t 級泊位（E10 和E12 泊位）和一個1 萬t 級泊位（E11 泊位）。水工建筑物主要為碼頭及碼頭后方管廊橋。

擬建碼頭區(qū)域地質(zhì)條件的特點是巖面較淺，參照相鄰工程碼頭的結(jié)構(gòu)型式，本工程碼頭首選的結(jié)構(gòu)型式為重力式結(jié)構(gòu)，持力層為強(qiáng)風(fēng)化巖。為了最大限度減小對水動力條件的影響，增加水體交換，采用重力墩式結(jié)構(gòu)。

E10 泊位為5 萬t 級油品化工泊位，由工作平臺和系纜墩組成。工作平臺長度100 m，兩側(cè)各布置有三個系纜墩，工作平臺由斷面方向4 排9 個沉箱組成。E11 和E12 泊位等級分別為1 萬t 級和5萬t 級，墩式布置，由工作平臺和系纜墩組成，E11泊位工作平臺長59.0 m，由兩排共5 個沉箱組成，E12 泊位工作平臺長193.0 m，由兩排共16 個沉箱組成。E11 和E12 泊位共用位于兩個泊位之間的三個系纜墩，E11 泊位東側(cè)和E12 泊位西側(cè)各布置有兩個系纜墩，系纜墩沉箱與E10 泊位相同。

本工程項目的基槽設(shè)計較為復(fù)雜，一是碼頭結(jié)構(gòu)持力層為最下層的強(qiáng)風(fēng)化巖層，基槽開挖要分土層設(shè)計放坡規(guī)則并統(tǒng)計開挖量，二是由于結(jié)構(gòu)透空性的要求，所以部分沉箱間距較大，為盡可能減少工程開挖量，間距較大的沉箱墩設(shè)計為一墩一槽，避免成片開挖，這就導(dǎo)致相鄰沉箱基槽的邊界存在相互交錯的部分。這些都給工程設(shè)計人員帶來很大的困難。

圖1 沉箱排列圖

1.2 應(yīng)用Civil3D 進(jìn)行基槽設(shè)計

基槽設(shè)計是本工程的設(shè)計難點之一，基于本工程，筆者總結(jié)出應(yīng)用Civil3D 進(jìn)行基槽開挖的技術(shù)路線，如圖2 所示：

圖2 基槽開挖技術(shù)路線

下面筆者將詳細(xì)闡述運用Civil3D 進(jìn)行基槽設(shè)計的步驟。

第一步創(chuàng)建原始地形曲面，可以利用外部點文件或是dwg 文件中的有效數(shù)據(jù)創(chuàng)建，本工程地形文件數(shù)據(jù)為帶有三維坐標(biāo)的塊參照，在Civil3D 中可以直接利用，生成的原始地形曲面如圖3。

圖3 原始地形曲面

第二步創(chuàng)建地質(zhì)曲面。對于水工結(jié)構(gòu)而言，不同的地質(zhì)采用的放坡規(guī)則是不同的，開挖的工程造價也不相同。因此我們需要根據(jù)鉆孔的地質(zhì)分層，建立不同地層的坐標(biāo)信息文件，然后通過識別外部點文件的方法分別創(chuàng)建不同地質(zhì)的地質(zhì)曲面。

第三步，創(chuàng)建設(shè)計地形曲面。這個曲面的創(chuàng)建是運用Civil3D 的要素線功能繪制一個曲線圍成的輪廓，然后確定放坡規(guī)則之后進(jìn)行放坡操作并生成放坡曲面，最后將繪制的曲線輪廓與放坡曲面相結(jié)合進(jìn)行填充生成最終的完工曲面。生成的挖泥輪廓和拋石輪廓由圖4 和圖5 所示。

圖4 基槽開挖輪廓圖

圖5 基床拋石輪廓圖

Civil3D 理論上可以對放坡相交的部分進(jìn)行自動處理，但有的部分自動處理的結(jié)果不能滿足我們的要求，這時我們可以采用分段放坡并插入過渡段的方法進(jìn)行手動處理使其滿足我們的要求。有了曲面相交產(chǎn)生的輪廓，只需要把這個輪廓提取出來，然后依據(jù)行業(yè)制圖標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行標(biāo)注出圖就可以了。圖6 展示了基槽挖泥圖的局部詳情，可以看出由Civil3D 生成的開挖輪廓更加接近真實情況。

圖6 基槽挖泥圖（局部）

在傳統(tǒng)設(shè)計中，設(shè)計基槽挖泥圖和基床拋石圖的難點主要在于不同放坡相交之后的不規(guī)則邊界部分的繪制，運用傳統(tǒng)方法要繪制出相交邊界需要消耗設(shè)計人員極大的精力和時間，而且準(zhǔn)確性也不能保證，這為工程設(shè)計人員帶來很大的困難，靈活運用Civil3D 可以避免傳統(tǒng)設(shè)計中繪制相交部分輪廓的困難，大大提高了工作效率準(zhǔn)確性。

1.3 應(yīng)用Civil3D 進(jìn)行工程量計算

1）傳統(tǒng)計算方法

挖填方工程量計算的本質(zhì)是體積計算。傳統(tǒng)的挖填方工程量計算方法是根據(jù)地形信息基于微分思想將要計算的區(qū)域進(jìn)行近似簡化，然后運用簡單的幾何體積計算直接計算結(jié)果。傳統(tǒng)方法的弊端主要在于：①對地形的適用性較低，當(dāng)?shù)匦屋^為復(fù)雜時，若要保證精確度則計算難度較大且計算效率低下，若簡化成易于計算的相近體積，則精確度大大降低。②由于涉及到微分思想，通常要將計算區(qū)域分成多個部分進(jìn)行分別計算然后匯總，計算過程較為繁瑣，且不可避免的會出現(xiàn)差錯。③目前行業(yè)中已有一些用于土方量計算的軟件，如HTCAD 軟件，CASS 軟件[3]，飛時達(dá)土石方計算插件[4]等，但這些軟件都存在各自的局限性，不能很好的滿足重力式碼頭工程對于挖填方工程量的計算需求。

2）Civil3D 計算方法

Civil3D 中計算土方體積的方法有兩種。第一種是放坡體積法，當(dāng)使用放坡工具創(chuàng)建了放坡時，可以調(diào)出放坡體積工具，計算放坡組體積。該工具計算的放坡體積是整個放坡組中所有放坡的體積，若需分別計算，則要把放坡放在不同的放坡組中。第二種方法比放坡體積工具更為精確和便捷，稱為曲面體積法。簡單而言就是求設(shè)計曲面在原地面基礎(chǔ)上的填方量和挖方量，基本邏輯是：

放坡曲面+曲面A=挖方A+填方A （1）

放坡曲面+曲面B=挖方A+挖方B （2）

挖方B=（2）式-（1）式

圖7 曲面體積法計算圖式

曲面A 和曲面B 代表兩個地質(zhì)曲面，綠色的線代表放坡曲面，第一步將放坡曲面與曲面A 進(jìn)行曲面體積運算得到的結(jié)果是挖方量A+填方量A（在Civil3D 中挖方量和填方量用不同的顏色進(jìn)行區(qū)分，其中填方量A 是我們不關(guān)心的數(shù)據(jù)），第二步將放坡曲面與曲面B進(jìn)行曲面體積運算得到的結(jié)果是挖方量A+挖方量B，第三步用第二步的結(jié)果減去第一步的結(jié)果即得到挖方量B 的結(jié)果，同理，若果還有第三層地質(zhì)曲面C，則用A+B+C 的結(jié)果減去A+B的結(jié)果即可得到挖方量C 的計算結(jié)果。更多土層則以此類推。

采用此法計算體積時，軟件會基于基準(zhǔn)曲面和對照曲面生成一個體積曲面參與運算，通過該曲面中提供的基準(zhǔn)曲面和對照曲面之間的精確差值來實現(xiàn)，運用曲面體積法計算時的計算精度與劃分曲面的網(wǎng)格大小有關(guān)系，網(wǎng)格越小則計算精度越高。

1.4 工程量結(jié)果對比

下面將Civil3D 計算的E10 泊位基槽開挖量與傳統(tǒng)方法計算的基槽開挖量結(jié)果進(jìn)行對比：

表1 計算結(jié)果對比

根據(jù)計算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)二者相差不是很大，理論上而言，Civil3D 的計算結(jié)果更為準(zhǔn)確可靠。

2 結(jié)語

對于較為復(fù)雜的基槽開挖，通過傳統(tǒng)的二維設(shè)計工具來繪制基槽挖泥圖、基床拋石圖和計算挖填方工程量是很費時費力的。通過人工計算來分地質(zhì)統(tǒng)計開挖工程量，既不夠準(zhǔn)確又需要耗費很長的時間，生產(chǎn)效率很低。重力式碼頭結(jié)構(gòu)尤其是沉箱結(jié)構(gòu)往往涉及到較為復(fù)雜的基槽開挖，因此，本文結(jié)合茂名港某液體化工碼頭的實際設(shè)計經(jīng)驗，詳細(xì)闡述了如何利用Civil3D 軟件進(jìn)行基槽開挖的相關(guān)設(shè)計，總結(jié)了Civil3D 在重力式碼頭工程應(yīng)用中所體現(xiàn)出來的優(yōu)勢。主要有以下幾點：

1）利用Civil3D 進(jìn)行實際地形的三維設(shè)計，適用性強(qiáng)，準(zhǔn)確度高。

2）基于Civil3D 可以自動處理邊界相交的特性[6]，可以更為準(zhǔn)確地繪制開挖以及拋填后的邊界輪廓，基于此可以方便地繪制基槽挖泥圖和基床拋石圖，不僅避免了傳統(tǒng)設(shè)計中繪制相交部分輪廓的困難，而且大大提高了工作效率和準(zhǔn)確性。

3）利用Civil3D 的體積計算工具，可以根據(jù)放坡完成后的曲面直接提取不同地質(zhì)的土方工程量，解決了傳統(tǒng)方法計算土方工程量的困難，大大提高了工作效率和準(zhǔn)確性。

綜上所述，本文的研究在一定程度上填補(bǔ)了Civil3D 在水運工程尤其是港口工程設(shè)計領(lǐng)域應(yīng)用中的空白，拓展了Civil3D 的應(yīng)用廣度，為廣大水運工程設(shè)計人員提供了一種新的設(shè)計工具和設(shè)計理念。Civil3D 做為BIM 技術(shù)解決方案具有很強(qiáng)大的功能，可以應(yīng)用的場景還有很多，例如在防波堤工程中的應(yīng)用等，筆者后續(xù)將進(jìn)一步結(jié)合實際工程背景深挖 Civil3D 的功能實用性，進(jìn)一步拓展Civil3D 在水運工程領(lǐng)域中的應(yīng)用。