生態(tài)河道正向三維設(shè)計及自動成圖計量研究與應(yīng)用

孟 明，蘇 丹

(1.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，河南 鄭州 450003；2.水利部黃河流域水治理與水安全重點實驗室(籌)，河南 鄭州 450003；3.河南省城市水資源環(huán)境工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450003)

1 概述

生態(tài)河道大多為天然河道，河道蜿蜒曲折，斷面復(fù)雜多變，毫無規(guī)律性，如果用傳統(tǒng)人工二維CAD制圖[1]，在斷面要求較密集河道工程中，多達上百斷面的工作量需要耗費大量的人力資源和設(shè)計時間，設(shè)計單位將要花費巨大的成本，才能艱難地完成這樣的項目。而且，現(xiàn)在河道治理隨著工程在設(shè)計周期上的時間越來越短，節(jié)奏上越來越快，業(yè)主和建設(shè)方在要求上越來越高，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，單純依靠傳統(tǒng)二維CAD人工制圖的技術(shù)手段已經(jīng)不能滿足行業(yè)發(fā)展需求[2]。后期如果再遇到設(shè)計變更，牽扯到全河段，對于設(shè)計單位和設(shè)計人員都將產(chǎn)生巨大的工作量。

近年來，天然復(fù)雜生態(tài)河道工程設(shè)計手段主要是基于CAD人工制圖的二維扁平化設(shè)計，隨著BIM技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)各大設(shè)計院都在不斷探索適合自己的河道高效設(shè)計方法，但是目前BIM技術(shù)在河道整治設(shè)計中的應(yīng)用僅停留在平面形態(tài)規(guī)整、斷面形式單一的渠道和航道的簡單粗淺階段[3- 7]，對于平面形態(tài)復(fù)雜、斷面形式多變的生態(tài)河道無法適用，國外亦無相關(guān)技術(shù)研發(fā)。落后的生態(tài)河道設(shè)計技術(shù)與日益發(fā)展的水利建設(shè)速度嚴重不匹配，行業(yè)內(nèi)亟需一種新的技術(shù)來改變傳統(tǒng)設(shè)計工期長、效率低的局面，從而保證設(shè)計質(zhì)量、提升設(shè)計品質(zhì)、提高工作效率?；诖?，本文針對生態(tài)河道工程本身的特點與工程需要，基于Civil 3D研究一種生態(tài)河道正向三維設(shè)計、自動批量成圖計量的方法，以解決復(fù)雜生態(tài)河道出圖量大、統(tǒng)計工程量繁瑣以及變更后需全部重做的痛點。

2 研發(fā)思路和方法

生態(tài)河道工程在成圖計量前期主要工作是獲取現(xiàn)狀地形并進行編輯處理與平縱橫設(shè)計，之后便是工程量統(tǒng)計和平縱橫圖紙出圖?；谠撍悸吩谌S環(huán)境下研究生態(tài)河道工程正向三維設(shè)計技術(shù)手段和自動成圖計量技術(shù)。

(1)在生態(tài)河道工程設(shè)計過程中，三維地形處理的優(yōu)劣會直接影響后期出施工圖以及計算工程量時的精度。獲得測量專業(yè)提供的二維測量平面圖，將測量圖中各種帶有高程信息的要素圖元分類提取到CIVIL 3D中，建立起高精度的三維地形模型，并進行地形的檢查、編輯和處理。

(2)在生態(tài)河道工程設(shè)計過程中，平縱橫的設(shè)計是核心工作，而自動成圖計量是基于完整的帶有信息的河道三維模型實現(xiàn)的，對生成的三維地形，按照高程間隔，劃定范圍，并賦予不同范圍以不同渲染顏色，以數(shù)字化云圖的形式直觀反映工程區(qū)地勢高低分布情況，為河道護岸的選線做出初步判斷。

(3)基于曲面和選線創(chuàng)建縱斷面及縱斷面圖，所創(chuàng)建的縱斷面及縱斷面圖與平面布置選線是實時動態(tài)關(guān)聯(lián)的?？紤]到生態(tài)河道橫斷面的復(fù)雜性，采用部件編輯器Autodesk Subassenbly Composer(以下簡稱ASC)利用可視化編程技術(shù)手段創(chuàng)建河道橫斷面部件。以此實現(xiàn)橫斷面設(shè)計的參數(shù)化，通過調(diào)整裝配部件參數(shù)，來生成新的標準橫斷面，告別CAD手工繪圖時經(jīng)常出現(xiàn)的重復(fù)勞動。

(4)將正向三維設(shè)計前期的平、縱、橫有機結(jié)合成一個整體，創(chuàng)建出包含有所有設(shè)計信息的生態(tài)河道BIM模型。創(chuàng)建的可視化河道BIM模型具備出色的可視化效果，讓相關(guān)人員能夠超前體驗項目，直接從模型創(chuàng)建可視化效果，獲得多種設(shè)計方案，以便更好地了解設(shè)計對于項目和周圍環(huán)境的影響。

(5)研發(fā)制定自動計量規(guī)則，選擇提取算量元素，通過研發(fā)的計算分析功能，自動統(tǒng)計工程量，并與整個河道工程模型進行實時聯(lián)動。平縱橫設(shè)計方案調(diào)整或模型變更，工程量可實現(xiàn)自動更新。

(6)在實現(xiàn)生態(tài)河道工程設(shè)計一體化基礎(chǔ)上，通過采樣提取成圖計量所需數(shù)據(jù)。研發(fā)定制標準圖框、圖簽、創(chuàng)建圖幅，加載BIM模型數(shù)據(jù)，自動出平面圖、縱斷面圖和橫斷面圖，并與整個河道工程模型進行實時聯(lián)動，平縱橫設(shè)計方案調(diào)整或模型變更，所有圖紙自動更新。

2.1 三維地形曲面創(chuàng)建、編輯及處理

三維地形曲面是三維設(shè)計的基礎(chǔ)，為眾多設(shè)計工作提供了原始數(shù)據(jù)來源。通過點文件、多段線、AutoCAD塊、DEM文件、GIS數(shù)據(jù)等快速創(chuàng)建任意大小的三維地形，并對三維地形進行管理[8]。利用生成的三維地形，結(jié)合不同高程不同渲染云圖，進行曲面分析，以數(shù)字化的形式直觀反映工程區(qū)地勢高低分布情況，為河道護岸的選線、景觀節(jié)點的布置、市政管網(wǎng)布置做出初步判斷。

在創(chuàng)建曲面之前需事先創(chuàng)建空曲面，并設(shè)置好符合項目標準的曲面樣式，使最終得到的圖形符合項目要求。生成三維地形之后，對利用原始數(shù)據(jù)生成的新曲面進行檢查，如果曲面存在問題，可通過曲面對象編輯，對曲面進行編輯和處理[9]。

測量地形數(shù)據(jù)是所有后續(xù)設(shè)計的基礎(chǔ)，對于正向三維設(shè)計，三維地形曲面更是重中之重，關(guān)系到后續(xù)所有的設(shè)計、算量與出圖[10]。將傳統(tǒng)二維地形測量數(shù)據(jù)處理手段提升到直接在三維地形模型中進行檢查、編輯與修正，直接在可視化的環(huán)境下處理地形，節(jié)約了設(shè)計人員的三維空間想象時間、數(shù)據(jù)逐項核對時間以及規(guī)避了后期設(shè)計、算量過程中可能出現(xiàn)的因地形誤差可能出現(xiàn)返工的風(fēng)險，為后續(xù)所有設(shè)計做好充分準備工作。故在三維環(huán)境下創(chuàng)建、編輯與修正三維地形曲面是需提前做好的最重要的準備工作。

2.2 平縱橫動態(tài)實時聯(lián)動正向三維設(shè)計

利用CIVIL 3D平臺將平、縱、橫結(jié)合成一個有機整體，實現(xiàn)實時聯(lián)動的正向三維設(shè)計。調(diào)整平面控制線后，在縱斷面圖和橫斷面圖中地形縱斷面和橫斷面會自動動態(tài)更新，實時觀察地形的起伏，有利于多方案的對比分析。同樣，在縱斷面圖中依據(jù)地形縱斷面進行設(shè)計時，也可動態(tài)實時的查看橫斷面。

平面設(shè)計最重要的就是在平面上進行平曲線的設(shè)計，于河道就是進行河道控制線、岸頂控制線以及水邊線等的設(shè)計。在Civil 3D中平曲線的設(shè)計就是路線的設(shè)計，創(chuàng)建和定義平面路線是平面設(shè)計的初始步驟之一。創(chuàng)建河道中心線時，通過路線樣式來控制路線部件和標簽的視覺外觀，如圖1所示，并可創(chuàng)建特定的樣式，以用于項目的不同階段。

圖1 創(chuàng)建及創(chuàng)建完成的河道中心線

縱斷面的主要用途是沿平面路線顯示曲面高程，使用縱斷面可以將沿目標路線或跨越特定區(qū)域的地形可視化?？v斷面以圖形化直線的形式顯示在稱為縱斷面圖的柵格中，然后在同一個柵格上繪制布局設(shè)計縱斷面。每個縱斷面圖僅顯示一條平面路線的縱斷面，創(chuàng)建完成縱斷面和縱斷面圖之后，可以對縱斷面的名稱、縱斷面數(shù)據(jù)以及設(shè)計規(guī)范和對縱斷面圖的名稱、樁號范圍以及高程等相關(guān)特性進行更改調(diào)整。

曲面縱斷面可從曲面上的平面路線中創(chuàng)建，創(chuàng)建完曲面縱斷面之后，便可創(chuàng)建縱斷面圖。然后以曲面縱斷面作為參照進行設(shè)計縱斷面的設(shè)計，在縱斷面圖的柵格上繪制設(shè)計縱斷面，通過手繪草圖或通過輸入數(shù)字值創(chuàng)建曲線和切線，創(chuàng)建具有切線的設(shè)計縱斷面，然后在變坡點(PVI)處添加曲線。

根據(jù)生態(tài)河道天然斷面的復(fù)雜多變，研究出利用可視化編程技術(shù)手段，開發(fā)參數(shù)化橫斷面裝配部件，僅需調(diào)整所需參數(shù)就可得到各種復(fù)雜斷面。為了實現(xiàn)全河段的高效正向三維設(shè)計，斷面部件的參數(shù)化開發(fā)是核心，在開發(fā)斷面部件之前需要構(gòu)思好編程開發(fā)的思路，以及所需要設(shè)定的各類驅(qū)動參數(shù)。

在可視化編程環(huán)境中，依據(jù)開發(fā)思路逐步添加可視化的幾何對象、輔助函數(shù)、流程函數(shù)、各類判斷條件，將編程開發(fā)思路逐步以流程圖的形式可視化。在添加可視化幾何對象的同時，同步定義該幾何對象在程序中引用識別的點代碼和連接代碼，設(shè)定對象的幾何類型、對象與對象之間的幾何約束規(guī)則，配置驅(qū)動參數(shù)與邏輯目標參數(shù)，命名代碼識別描述。

部件開發(fā)完成之后，在預(yù)覽窗口中以可視化形式顯示出最終生成的可參數(shù)化斷面部件。通過預(yù)設(shè)值可檢測參數(shù)驅(qū)動和邏輯目標引用關(guān)系效果，對最初的開發(fā)思路有個直觀的可視檢測，最終將開發(fā)好的可參數(shù)化部件加載到橫斷面裝配上，形成河道可參數(shù)化橫斷面。

采用正向三維設(shè)計的思想，將平面設(shè)計與縱斷面設(shè)計實時聯(lián)動起來，同步設(shè)計，將傳統(tǒng)河道工程中最費時費力的平面規(guī)劃選線和縱斷面設(shè)計工作模式進行創(chuàng)新，提出平縱實時動態(tài)結(jié)合的工作模式。平面方案的調(diào)整可以實時同步反饋到現(xiàn)狀地形縱斷面中，以查看布線方案是否符合項目設(shè)計要求，并可為設(shè)計縱斷面的設(shè)計快速提供基礎(chǔ)依據(jù)，根據(jù)地形曲面的變化直接修改設(shè)計縱斷面參數(shù)，實現(xiàn)快速更新設(shè)計縱斷面方案，大大提高了平縱設(shè)計工作效率。

2.3 生態(tài)河道BIM模型創(chuàng)建

基于CIVIL 3D平臺以及ASC的可視化編程技術(shù)實現(xiàn)了河道橫斷面設(shè)計的參數(shù)化，將開發(fā)的可參數(shù)化的橫斷面部件裝配到平縱聯(lián)動設(shè)計成果上，然后通過研發(fā)出的自動尋找曲面、自動判斷挖填方、自定義邏輯目標、自定義代碼集等技術(shù)，如圖2—3所示，創(chuàng)建出含有所有設(shè)計信息的可參數(shù)化、可實時根據(jù)設(shè)計方案的調(diào)整而進行自動更新的整個河道三維模型，如圖4所示。

圖2 裝配創(chuàng)建河道三維模型的各類圖形參數(shù)以及添加自動生成河道模型的各類邏輯目標

圖3 定義添加可視化材質(zhì)和出圖所需的各類標注標簽代碼

圖4 含有設(shè)計信息可參數(shù)化實時聯(lián)動的生態(tài)河道BIM模型

2.4 自動統(tǒng)計工程量

河道模型創(chuàng)建完成之后，根據(jù)工程所需，利用采樣線，提取與統(tǒng)計工程量相關(guān)數(shù)據(jù)。同時，在計算工程量之前定制完成工程量計算規(guī)則，該規(guī)則是自動計算工程量的關(guān)鍵。在總體積和材質(zhì)體積自動計算統(tǒng)計中將定制完成的工程量標準和自動提取工程量的各對象添加完成，便可自動計算出本工程所有開挖回填工程量和河道護岸各材質(zhì)的工程量表，如圖5—6所示。

圖5 總開挖回填工程量自動計算和計算所得總開挖回填工程量表

圖6 河道各種護岸材質(zhì)工程量自動計算和計算所得護坡材質(zhì)工程量表

2.5 自動批量出圖

自動提取工程量之后，便可根據(jù)項目要求提取圖紙數(shù)據(jù)。提取圖紙數(shù)據(jù)前，需開發(fā)符合項目要求的可參數(shù)化標準出圖圖框圖簽，設(shè)定出圖范圍，高程范圍，添加事先定制好的各類智能標簽和標注欄，自動批量創(chuàng)建河道橫斷面施工圖。

平縱出圖有別于橫斷面出圖，需要根據(jù)平面出圖要求，先將總平面圖劃分成一個個圖幅，組成圖幅組進行批量出圖。

以上數(shù)據(jù)提取完成之后，便可根據(jù)工程項目需要在1min內(nèi)生成數(shù)以千計的整個生態(tài)河道項目的平面、縱斷面和橫斷面各階段圖紙。

通過平縱橫實時聯(lián)動設(shè)計，結(jié)合代碼分類對應(yīng)關(guān)系進行自動標注標簽鏈接引用，利用采樣線和圖幅進行圖紙數(shù)據(jù)提取，并將開發(fā)完成的可參數(shù)化標準圖框圖簽自動與圖紙數(shù)據(jù)進行嵌套匹配，實現(xiàn)項目圖紙的全自動化批量出圖，且各類圖紙中的所有圖形數(shù)據(jù)以及已經(jīng)創(chuàng)建完成的圖紙均是與設(shè)計方案實時聯(lián)動的，可實現(xiàn)一處變更，處處更新，大幅提高了工作效率和出手產(chǎn)品質(zhì)量，尤其是面對數(shù)量龐大的橫斷面圖及后期變更圖紙。

3 工程實例

本研究成果應(yīng)用項目為黃河一級支流沁河沁陽市城區(qū)段治理工程，該工程的縱向建設(shè)范圍為沁河安全河口至已拆除的老沁河大橋下游約0.6km，治理總長度5.5km，橫向設(shè)計范圍為左右岸大堤以內(nèi)，現(xiàn)狀如圖7所示。本次治理河段緊鄰城區(qū)，首先要強化河岸邊界，滿足行洪安全需求；同時兼顧工程的環(huán)境效應(yīng)和生態(tài)效應(yīng)，使其更好的滿足生態(tài)城市的要求，為實現(xiàn)工程與生態(tài)景觀的有機統(tǒng)一，充分發(fā)揮河灘的自然景觀和人文景觀功能創(chuàng)造條件。由于該河段河勢不穩(wěn)，主槽變化較大，為了控制河勢，穩(wěn)定流路，增加河道的行洪能力，考慮對安全河口至主河槽液壓升降壩下游0.5km段共5.5km河道進行疏浚。

圖7 沁河河道灘地現(xiàn)狀

本次設(shè)計的生態(tài)河道蜿蜒曲折、地形地貌復(fù)雜，結(jié)合現(xiàn)狀地形設(shè)計岸線，斷面形式不同，為了精確、高效率的完成設(shè)計任務(wù)，項目組利用無人機進行DEM數(shù)據(jù)采集，通過global mapper軟件對數(shù)據(jù)進行處理，如圖8所示，利用ASC對河道參數(shù)化橫斷面進行開發(fā)，以Civil 3D軟件為主要平臺，三位一體的進行生態(tài)河道正向三維設(shè)計。

圖8 利用GlobalMapper創(chuàng)建生成可視化三維地形并輸出成.dem數(shù)據(jù)

對于DEM地形高程數(shù)據(jù)量過于龐大的難題，本文給出具體解決方案：在工程關(guān)鍵部位采用高精度DEM地形數(shù)據(jù)，在其余關(guān)注度較低部位采用傳統(tǒng)二維測量高程數(shù)據(jù)，兩者結(jié)合使用，在滿足項目設(shè)計高質(zhì)量的基礎(chǔ)上又滿足高效率的要求。合理優(yōu)化數(shù)據(jù)量對于后續(xù)的正向三維設(shè)計和各專業(yè)間的協(xié)同設(shè)計，起著至關(guān)重要的作用。利用Civil 3D創(chuàng)建及處理地形，并對現(xiàn)狀地形進行曲面分析，為全專業(yè)后續(xù)的所有設(shè)計工作提供基礎(chǔ)依據(jù)。

對創(chuàng)建完成的三維地形曲面進行編輯優(yōu)化后，進行高程分析、坡度分析和坡向分析等，以數(shù)字化云圖的形式直觀反映工程區(qū)地勢高低分布情況，為河道岸線的選線做出初步判斷，同時結(jié)合水文資料設(shè)計出河道控制線，如圖9所示。

圖9 河道兩岸控制線設(shè)計

河道兩岸控制線設(shè)計完成之后，便可快速生成對應(yīng)縱斷面及縱斷面圖，結(jié)合水文及設(shè)計資料，將設(shè)計縱斷面布在縱斷面圖中。

根據(jù)本項目要求，利用ASC開發(fā)生態(tài)河道參數(shù)化橫斷面。橫斷面設(shè)計在整個設(shè)計工作中所用時間和精力最多，通過ASC中的參數(shù)、代碼以及邏輯關(guān)系等內(nèi)容可開發(fā)出任意復(fù)雜的具有邏輯關(guān)系的參數(shù)化橫斷面。將開發(fā)完成的河道橫斷面部件導(dǎo)入Civil 3D中，聯(lián)動平面河道控制線以及設(shè)計縱斷面，并賦予相應(yīng)的邏輯目標，最終生成整個河道的三維模型，如圖10所示。

圖10 包含所有設(shè)計信息的河道BIM模型

在Civil 3D中根據(jù)設(shè)計單位四體系標準要求，開發(fā)滿足要求的各類標注、圖框圖簽等，實現(xiàn)一鍵式自動批量出圖和自動統(tǒng)計各類工程量。圖紙和工程量與設(shè)計方案實時聯(lián)動，一旦設(shè)計方案修改，所有聯(lián)動數(shù)據(jù)自動更新，大大減少了后期修改圖紙和重新計算工程量的時間，提高了工作效率，節(jié)約了成本。

該項目屬于施工圖階段出圖，將研究成果應(yīng)用到本項目中，得到本項目的所有施工圖圖紙，出圖共計200張，從前期設(shè)計到后期出圖均使用本次所研究的生態(tài)河道正向三維設(shè)計技術(shù)、平縱橫自動批量出圖和自動統(tǒng)計工程量技術(shù)。通過先前類似項目對比可知，該項目若按照傳統(tǒng)設(shè)計和制圖手段來做的話，需要2名經(jīng)驗豐富的設(shè)計人員用2周時間才能夠完成，這還只是能夠順利設(shè)計出圖，不算有可能出現(xiàn)的方案變更后，后期所耗費的反復(fù)性時間。而此次利用所研發(fā)的新技術(shù)，在保證出手成果質(zhì)量一致的條件下，1名設(shè)計人員1周就完成了所有的設(shè)計和出圖任務(wù)，工作效率提高了75%，而這1周時間里有6天時間是項目專業(yè)對接、數(shù)據(jù)對接和出圖算量前的準備工作，用在出圖和算量上的時間僅為1天，后期如果出現(xiàn)設(shè)計變更，利用此次研究成果工作效率將會再次提升10倍。

4 結(jié)論

與傳統(tǒng)生態(tài)工程河道設(shè)計相比，基于Civil 3D平臺的可視化設(shè)計、平縱橫動態(tài)關(guān)聯(lián)機制研究出的生態(tài)河道正向三維設(shè)計、平縱橫自動批量出圖和自動統(tǒng)計工程量成果，大大提高了設(shè)計工作的生產(chǎn)效率，節(jié)約了人力、物力和成本，真正實現(xiàn)了“讓設(shè)計回歸創(chuàng)意，把其他交給科技”的理念。

(1)實現(xiàn)生態(tài)河道工程各階段全流程的正向三維設(shè)計。

(2)實現(xiàn)在可視化編程環(huán)境中開發(fā)出復(fù)雜河道橫斷面參數(shù)化裝配部件。在Civil 3D中通過開發(fā)的用戶界面輸入?yún)?shù)，可方便的修改橫斷面設(shè)計參數(shù)，以滿足橫斷面設(shè)計方案的修改需要，大幅提高了復(fù)雜河道橫斷面設(shè)計效率。

(3)將傳統(tǒng)人工手動逐項添加各類標注的工作模式進行創(chuàng)新，開發(fā)各類可聯(lián)動的標注標簽，實現(xiàn)圖紙自動添加標簽且可隨設(shè)計方案實時聯(lián)動更新調(diào)整。

(4)將傳統(tǒng)人工手動通過斷面法統(tǒng)計河道工程量的工作模式進行創(chuàng)新，研發(fā)出在全三維環(huán)境下自動統(tǒng)計工程量且可隨設(shè)計方案的調(diào)整實時聯(lián)動更新工程量的新型算量技術(shù)。

(5)將傳統(tǒng)人工手動制圖和出圖的大量重復(fù)性工作模式進行創(chuàng)新，研發(fā)出了一套自動批量制圖出圖且可隨設(shè)計方案的調(diào)整實時聯(lián)動更新的新型制圖出圖技術(shù)。