基于Civil3D的航道疏浚工程量计算与分析

张一博 中铁建港航局集团勘察设计院有限公司

1.前言

建筑信息模型（buil ding information modeling，BIM），是以工程项目信息数据为基础，建立包含项目所有相关信息的三维模型，为项目策划、设计、施工和运维的全生命周期过程提供全面有效的决策依据，其核心为信息的模型化和信息在不同阶段、不同主体间的共享与传递。

近年来，许多工程技术人员开始逐步探索BIM技术在航道工程设计中的应用。袁立莎采用Civil 3D软件创建丁坝模型、统计工程量、进行河道冲淤分析并初步尝试了出图。刘擎波等人采用Civil 3D软件协助出图、计算工程量和进行冲淤分析。王飞等通过Civil 3DNET二次开发，定制了自定义部件，实现了超深超宽工程量的计算。陈懿强等人对Civil 3D部分模块进行二次开发和改进，取得了较好的出图效果，提高了设计效率。王鹏探索了基于Revit和Civil 3D的航道整治工程三维协同设计，实现了航道工程三维可视化协同设计，优化了设计流程。

本文梳理了基于Civil 3D的航道疏浚工程量计算方法和计算流程，针对航道部件及疏浚量计算进行了二次开发定制。依托多个项目，对比分析了传统疏浚计算软件和Civil 3D在计算航道疏浚工程量的差异，给出了Civil 3D计算方法的适用条件。

2.工程量计算思路与方法

2.1 传统计算方法

疏浚工程量计算通常采用断面面积法、平均水深法或网格法。对于航道工程，由于其具有横向带状式特点，疏浚工程量计算时常采用断面面积法。根据《疏浚与吹填工程设计规范》，断面工程量按下式计算：

式中：V——挖槽断面工程量；

A0、A1…An——分别为各计算断面上的疏浚面积（m2）；

L1、L 2…L n——分别为A0 与A1、A1与A2…An-1与An计算断面间的间距（m2）。

2.2 传统计算流程

传统软件在进行航道疏浚工程量计算时多采用断面法，其计算流程为：1）导入地形测量图；2）绘制航道中心线和设计底边线，确定疏浚区域；3）确定疏浚底高程、航道边坡、计算超宽、计算超深等设计参数；4）建立疏浚断面，生成自然泥面线、设计开挖线、超宽超深线；5）计算疏浚工程量。传统软件存在的问题是各流程之间缺乏有效的信息传递，一旦需要修改设计方案和设计参数，则需要重新进行4）、5）步的工作，效率较低。

图1 航道疏浚部件生成的断面图

图2 航道疏浚二次开发模块功能区界面

图3 Civil 3D航道疏浚工程量计算流程图

图4 航道疏浚定制部件参数设置界面

2.3 Civil 3D计算方法

Civil 3D中土方量计算通常采用三种方法：曲面体积法、放坡体积法和横断面法。曲面体积计算法是通过建立两个或多个曲面，比较曲面之间的体积差，从而得出土方量。放坡体积计算法是利用放坡体积工具，可以通过快速升高或降低曲面以便于土方量平衡调整。横断面法与传统断面面积法原理一致，适用于道路、航道等横向带状式工程。本文采用放坡体积法和横断面法。

2.4 Civil 3D二次开发

Autodesk Civil 3D是一款面向土木工程设计与文档编制的建筑信息模型（BIM）解决方案，广泛应用于勘察测绘、地形地貌、岩土工程、道路交通、水利水电、地下管网、土地规划等领域。

航道疏浚工程设计与道路工程设计思维相近，因此可采用Civil 3D中的道路设计相关模块来进行航道疏浚设计。但在实际应用过程中发现，仍需进行一定的二次开发才能满足使用要求。本文基于.NET对Civil 3D 2018进行了如下开发：1）定制开发了符合相关规范要求的航道疏浚部件，实现了设计断面工程量、超宽超深工程量、计算断面工程量的计算与统计，见图 1；2）为符合航道疏浚设计习惯、简化软件使用操作、提高设计效率，对相关模块进行了二次开发，见图2。

2.5 Civil 3D计算流程

基于Civil 3D的航道疏浚工程量计算流程为：1）导入地形测量图，创建地形曲面；2）利用路线功能绘制航道中心线和设计底边线；3）确定疏浚底高程，创建设计纵断面；4）加载通过二次开发得到的航道疏浚部件，在部件中输入航道边坡、计算超宽、计算超深等设计参数；5）生成三维航道疏浚模型；6）从模型中一键导出疏浚工程量。基于Civil 3D的航道疏浚工程量计算流程见图3。航道疏浚部件参数设置界面见图4。

基于Civil 3D的航道疏浚设计和工程量计算体现了参数化设计和动态关联的特性，将设计工作的重心转移到创建航道模型上，将建立疏浚横断面及计算工程量交由软件自动从模型中提取，当设计方案调整时，通过修改相关设计参数即可实现模型和疏浚工程量的实时、自动更新，消除了传统设计软件中大量人工重复性操作，实现了疏浚工程量的快速计算，提高了设计效率。

3.工程实例分析

本文采用了某沿海航道1、某沿海航道2、某沿海航道3、某内河航道1、某内河航道2共计五条航道中的部分航段开展研究工作。分别采用放坡体积法和断面法创建航道疏浚模型，从模型中提取疏浚工程量，与传统软件所得疏浚工程量进行了对比分析。值得一提的是，放坡体积法是基于三角网曲面的，而Civil3D中的三角网曲面是通过实测高程点采用Delauney三角剖分法建立的，其计算精度高，因此将放坡体积法引入进行计算和对比分析。

创建的航道疏浚模型见图5、图 6，从模型中导出的疏浚工程量见表 1。

从表1中可以得出：

（1）Civil 3D断面法计算断面工程量与传统软件计算断面工程量的差值百分比分别为-0.66%、-0.29%、-0.45%、-1.27%、1.08%，均在2%以内，符合相关规范要求。其中设计断面工程量差值在0.50%以内，超宽超深工程量差值在3.00%以内；

（2）Civil 3D体积法设计断面工程量与传统软件设计断面工程量的差值百分比分别为0.02%、0.12%、-1.46%、0.79%、0.34%，均在2%以内，即体积法计算的设计断面工程量符合相关规范要求；对于基建性疏浚工程，其开挖深度相对较大，计算断面工程量差值较小，分别为0.19%和0.12%，体积法适用；对于维护性疏浚工程，其开挖深度相对较小，计算断面工程量差值较大，分别为13.24%、13.27%和11.57%，可见体积法并不适用该种情况，分析原因，主要是由于体积法对于超挖工程量的计算方法与规范存在差异所导致；

（3）对于需要准确计算设计断面工程量而不关注超宽深工程量的情况，Civil 3D断面法和Civil 3D体积法均体现出良好的适用性，可采用其中任一种方法计算，另一种方法复核；

图5 某沿海航道1疏浚模型

图6 某内河航道1疏浚模型

表1 疏浚工程量统计表

（4）对于基建性航道疏浚工程，计算断面工程量可采用Civil 3D断面法计算，Civil 3D体积法复核；对于维护性航道疏浚工程，计算断面工程量仅可采用Civil 3D断面法。

4.结论

（1）基于.NET二次开发的Civil 3D断面法能够建立航道疏浚模型和导出疏浚工程量，计算工程量与传统疏浚软件的计算误差在2%以内，符合相关规范要求。

（2）对于需要准确计算设计断面工程量而不关注超宽深工程量的情况，Civil 3D断面法和Civil 3D体积法均体现出良好的适用性，可采用其中任一种方法计算，另一种方法复核。

（3）基建性航道疏浚工程，挖深较大，Civil 3D断面法和Civil 3D体积法均适用。

（4）维护性航道疏浚工程，浅点较多，开挖较浅，Civil 3D断面法适用，Civil 3D体积法不适用。