袁立莎（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222）

?

BIM技術在航道整治工程中的應用研究

袁立莎
（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222）

長江南京以下12.5m深水航道二期工程時間緊任務重，傳統(tǒng)的設計方法已不能滿足本工程的強度、精度要求了。為高效、快速、準確地提交每次的成果，設計團隊通過采用 BIM技術，在不同階段開展相應設計工作，高質高效地完成了設計任務，為今后航道整治工程及類似工程的應用拓展了思路。

航道整治；三維設計

引　言

長江南京以下 12.5m深水航道建設工程按照“整體規(guī)劃、分期實施、自下而上、先通后暢”的治理思路分期實施。其中一期工程于2014年7月建成。二期工程具有沿程長，礙航淺段較多的特點。其中，福姜沙水道上起江陰長江大橋下至九龍港，全長約40 km。長江主流自江陰以下經福姜沙分為左汊和右汊（福南水道），左汊主流經雙澗沙分為福北水道和福中水道，整個福姜沙水道在平面上呈現(xiàn)“兩級分汊、三汊并存”的格局，是幾個河道中整治難度最大的河道。而福姜沙因為牽扯到整體整治效果、沿岸經濟區(qū)的各方利益等多種復雜因素，平面布置方案主要就有福中+福北水道方案、福中水道方案、福南+福北水道方案這三大方向。

根據(jù)整體分流比的調整、沖淤變化的影響、保灘穩(wěn)槽的效果，平面方案多次調整。對于每一次的調整，結構設計都要提供相應推薦方案，并進行整個工程項目總投資、經濟效益等綜合比較。傳統(tǒng)的設計方法已不能滿足設計強度和精度要求。因此為了高效、快速、準確地提交每次的成果，應對項目后續(xù)階段大量的設計繪圖工作，促使設計團隊選擇了一種更好、更適合的工作方法—建筑模型信息化（BIM手段）。

圖1　長江南京以下深水航道二期工程

圖2　福姜沙河段平面示意

1　整治建筑物模型的建立

長江南京以下12.5m深水航道二期工程，整治建筑物為堤壩類結構，主要分為潛堤、丁壩、護灘帶三種。結合地質和水流特點分析，適合選擇對地基要求較低，對水流流態(tài)影響較小的斜坡式堤型（見圖 3）；但本河段堤段較長，全部為水上施工且石料運距較遠，為盡量減少對單一工程材料的依賴，影響工程的造價和工期，考慮在部分堤段采用混合式結構—齒形構件混合堤（見圖4）。

圖3　拋石斜坡堤斷面

圖4　齒形構件混合堤斷面

1.1軟件的選擇

根據(jù)本工程地形對工程影響較大、構件混合堤與拋石斜坡堤交叉布置等特點，針對性地選擇了適合的設計軟件，其使用功能如下：

1）Civil 3D（AUTODESK產品）

選擇該款軟件主要目的是為了完成工程地形的模擬分析；整治建筑物的模型設計及整合；區(qū)域沖淤分析及相應的程度；工程量的提取及設計圖紙（單項建筑物的平、剖、斷面圖）的初稿等。

2）AutoCAD（AUTODESK產品）

本軟件是最常見的工程類設計軟件，主要用于二維圖紙的設計，完善最終的圖紙成果。

3）Autodesk Inventor（AUTODESK產品）

Inventor主要適用于機械設計工程中，特別是模具的設計。本項目選用該軟件主要是應用于構件的模型設計，并對比整合能力的優(yōu)略性。

4）ALGOR

ALGOR軟件是有限元分析軟件，重點應用于本工程結構構件的整體受力情況及施工過程中構件吊運情況分析等。

5）2008地基計算系統(tǒng)

地基計算系統(tǒng)主要用于結構整體穩(wěn)定性計算及混合堤地基承載能力計算分析。在本項目中考慮基礎資料與計算系統(tǒng)的交付程度及可行性。

1.2構件的模型設計

依托工程的整治建筑物在部分堤段采用了齒形構件的混合堤作為設計斷面。從三維設計的角度，采用AutoCAD 3D、Inventor軟件分別進行了模型設計并進行了對比總結。

1）流暢性及屬性傳遞

從構件模型設計的便捷性來說，CAD和Inventor兩個軟件都能夠實現(xiàn)結構體的原型模擬，關鍵在于對軟件三維設計的熟練程度。齒形構件的復雜程度不高，且不需要組裝，故并不能體現(xiàn)出Inventor在精密機械零件的設計優(yōu)勢。除此以外AutoCAD 3D沒有Inventor的參數(shù)化設計，不能進行模型數(shù)據(jù)的屬性信息傳遞和應用。從項目全壽命周期的設計理念來看，Inventor所建模型更適合設計到施工流程的使用。

2）效果性

AutoCAD 3D的設計不能賦予結構以實際材質，而Inventor是可以的。故從軟件最終展示的視覺效果顯示，使用Inventor軟件完成的渲染后的構件（見圖6）比使用CAD完成的效果（見圖5）更加真實，在模型展示方面更優(yōu)。

圖5　構件模板（CAD 3D設計）

圖6　構件模板（Inventor設計）

3）整合性

AutoCAD 3D模型可以直接導入Civil 3D軟件進行整合。Inventor軟件沒法完成直接導入，但是可以選擇導出為 .dwg格式，再進行后續(xù)設計。但要注意的是，在CAD 3D和Inventor設計的時候，我們常規(guī)設計單位是毫米，在Civil 3D結合地形的設計軟件中，測量單位提供的都是世界坐標系的水深值，一般均以米作為設計單位，整合的時候需注意單位的統(tǒng)一。

1.3整治建筑物堤身模型的設計

Autodesk Civil 3D是專門用于土木工程道路與土石方解決的設計軟件。其三維工程模型有助于快速完成道路工程、場地、雨水/污水排放系統(tǒng)以及場地規(guī)劃設計工作。

1）工程地形的模擬

拿到地形數(shù)據(jù)之后，先要對所有的數(shù)據(jù)點進行檢查，剔除明顯錯誤的數(shù)據(jù)點。添加點文件，選擇使用三角網(wǎng)格建立曲面，完成工程區(qū)域的模擬。建立曲面還可以選擇應用特征線、等高線等多種方法。從地形特征圖上，明顯可以看到工程區(qū)范圍內等高線的布置范圍，以及已建工程的工程現(xiàn)狀。而在傳統(tǒng)的水深圖上，只能夠看到水深點，不能直觀判斷水下地形情況。見圖7～圖9。

圖7　高程顯示工程區(qū)域

圖8　等高線顯示工程區(qū)域

圖9　對象查看器下的工程區(qū)域

2）堤身結構模擬

應用Civil 3D軟件的設計模塊，依據(jù)平面布置方案，可以將整治建筑物的軸線精確定位，在完成堤頂設計寬度后放坡，與地形結合形成最終的堤腳邊線。潛堤與丁壩相交的坡面，可自動相交形成。見圖10、圖11。

圖10　工程設計工具欄

圖11　單根丁壩真實模擬

3）關于設計的校核

對于工程設計，并不是有了軟件就可以直接設計直接使用的，依然存在著校核的工作程序在里面。區(qū)別于傳統(tǒng)的設計方式，對于模型的校核，則可以有多種方法來進行。如：直觀的檢查模型，結構堤身高的坡腳邊線邊界大，結構堤身矮的坡腳邊線邊界小，見圖12；根據(jù)軸線上的縱剖面圖，逐段核對頂部高程值，見圖13；間隔打印出堤身斷面圖，核對坡面坡度的準確性，見圖14。模型階段設計成果是后續(xù)所有工作的依據(jù)，采用多種方法進行校核是非常必要的。

圖12　整治建筑物局部模型

圖13　剖面圖校核方法

圖14　斷面圖校核方法

2　成果交付應用

2.1沖淤變化影響分析

在長江南京以下整治工程中，維持航道水深、控制河道的變化、保證整治效果是工程的終極目標。在整治建筑物結構工程范圍內，動態(tài)河勢引起的沖淤變化對工程量的影響十分明顯。對此，工程范圍內的沖淤變化幅度分析就顯得至關重要了，特別是在項目工可和初步設計階段的概算，涉及到對總投資的控制。

沖淤幅度分析成果主要有2種形式：一種為實時設計階段與上一階段測量成果的數(shù)值模擬比對分析確定；另外一種則為物理模型局部沖刷試驗成果分析確定。結合不斷調整的試驗成果，我們可以應用Civil 3D軟件完成數(shù)值模擬對比分析。

沖淤變化分析可僅考慮堤身結構下的變化幅度，根據(jù)沖淤量確定堤身寬度范圍內的沖刷幅度大小。

圖15　沖淤變化地形分析

圖16　沖淤量分析

需要特別注意的是，結構設計中關于沖淤變化程度的分析僅是比對實時設計階段和上一階段的變化情況，只能代表已發(fā)生時間階段的沖刷程度，僅可以作為工可或者初設階段的預估量依據(jù)，并不是最具代表性的量值。在施工招標階段則需要依照物理模型試驗局部沖刷成果進行該部分的設計，物模試驗考慮的是各種水文年份、洪季、枯季、漲潮、落潮等綜合因素的影響。故在不同的設計階段，應合理用好數(shù)值模擬分析。

2.2結構工程量的交付

傳統(tǒng)的工程量計算方法即設計工程師根據(jù)水深和堤頂高程進行結構分段并確定堤身高度，完成標準斷面，確定工程量，一般情況下堤頂高程基本為定值或者分段定值；泥面高程在合適區(qū)段內取平均范圍值。但本工程的特點是堤壩單體多；頂高程根據(jù)試驗結果都是過渡分布，導致頂高程與泥面高程雙變量。在這樣復雜變化的堤身高度下，設計方案隨時調整、設計周期很短、人為設定略微偏大的泥面高程、無法考慮清楚的地形影響的情況，就有可能導致工程完工后較大的工程量結余。故我們采用Civil 3D軟件完成場地模擬建立結構模型，充分考慮斷面方向地形的影響，特別是堤頭部分地形的影響，精確把控工程量值的準確度。

為了對比模型直接量值的提取準確度，我們同時完成了手算工程量。手算結果與模型提取值相差在5%左右，因為手算成果不能顯示斷面方向的地形影響，所以模型提取量經過驗證是可直接使用的。

圖17　單體工程量

圖18　傳統(tǒng)算法示意

護底軟體排的計量是根據(jù)余排寬度范圍圈圍出來的面積確定，余排指的是堤腳邊線以外的護底排體的寬度，如果不能精確確定堤腳邊線，則余排面積會受很大的影響，特別是堤頭位置的排體范圍。因此依據(jù)實際地形建立模型確定的護底結構工程量比傳統(tǒng)設計考慮的更加詳實，避免了由于傳統(tǒng)算法考慮不周導致單項超概的風險。

圖19　傳統(tǒng)算法（未考慮堤身結構）

圖20　真實模擬算法（考慮堤身結構）

2.3設計圖紙的交付

內河航道類整治建筑物對于圖紙的要求不同于海港設計圖紙，根據(jù)河勢地形變化情況對斷面的一般要求為幾十米左右一個斷面，再加上平剖面圖，設計出圖的工作量是巨大的。但通過BIM技術完成模型設計后，圖紙的交付則會更加便捷，特別是平、剖、斷面充分考慮了地形確定的邊界線顯得更加真實，對于施工指導則十分有意義。圖紙所有的母圖都可以從模型提取出來，但最終成圖還需要經過人工添加地層信息、標注等，雖工作量仍然較大，但是較傳統(tǒng)工作方式精細化程度得到了很大的提升。

圖21　設計圖紙成果示意

3　結　語

本文基于正在進行的長江南京以下 12.5m深水航道二期工程，研究了BIM技術在航道整治工程中的應用，在有限的項目設計周期內快速高效地完成了設計任務。探索了BIM技術在各個設計階段，不同設計深度所需要的程度，并總結出了滿足工程進度、強度的工作流程和方法，為類似工程提供了可借鑒的經驗。

［1］李建成.BIM應用：導論［M］.2015.

［2］張建平.國內外BIM研究進展［M］.2015，9.

［3］任耀.AutoCAD Civil 3D 2013應用寶典［M］.2013.

Application of BIM technique in Channel Regulating Project

Yuan Lisha
（CCCC First Harbor Consultant Co.，Ltd.，Tianjin 300222，China）

Due to the short construction period and harder work for deepwater channel phase-2 project at the lower reach of the Yangtze River from Nanjing，traditional design methods can not satisfy the requirements for the intensity and precision of the project.To submit the design results quickly，accurately and efficiently，the design team carries out the corresponding work by using BIM technique at different design stages.High quality design results are completed in high efficiency，which develops ideas for the application of BIM techniques in future channel regulating project or similar projects.

channel regulating； 3D design

U617

A

1004-9592（2016）04-0020-05

10.16403/j.cnki.ggjs20160405

2015-11-26

袁立莎（1983-），女，工程師，注冊土木工程師（港口與航道工程）、水運工程造價工程師，主要從事港口航道結構設計工作。