黃曄卉，歐陽(yáng)龍山，陳懿強(qiáng)

（1.中交上海航道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200120；2.上海市航務(wù)管理處，上海 200001）

1 背 景

建筑信息模型，即 Building Information Modeling，簡(jiǎn)稱(chēng)為BIM。BIM最初主要應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，通過(guò)在原本三維模型的基礎(chǔ)上增加其他數(shù)字信息，比如材質(zhì)，屬性等，且進(jìn)行相應(yīng)的施工模擬和碰撞檢測(cè)，從而達(dá)到在項(xiàng)目初期階段即可發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)問(wèn)題的目的，繼而進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，把控進(jìn)度。由于其在建筑行業(yè)中帶來(lái)的效果顯著，各行各業(yè)也逐漸開(kāi)始接納 BIM 技術(shù)。其中，Autodesk公司為交通運(yùn)輸、土地開(kāi)發(fā)和水利項(xiàng)目的土木工程專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域所開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的軟件CIVIL 3D，也得到了上述領(lǐng)域設(shè)計(jì)人員的積極推廣與應(yīng)用。

早期，陳光宇[1]簡(jiǎn)要介紹了CIVIL 3D軟件，并依據(jù)測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)創(chuàng)建了數(shù)字地形模型。于佳[2]以CIVIL 3D在水利工程中拱壩主體的應(yīng)用為例，展示了其在水利工程中的應(yīng)用前景。昂龍[3]等人利用CIVIL 3D創(chuàng)建的三維模型，可快速進(jìn)行復(fù)雜地形的土石方施工規(guī)劃，準(zhǔn)確計(jì)算土石方量，從而達(dá)到挖填平衡的效果。趙立鵬[4]采用BIM技術(shù)能很好的完成航道疏浚模型的建立、工程量的計(jì)算以及施工質(zhì)量的控制。

然而，在采用傳統(tǒng)方法與CIVIL 3D方法進(jìn)行工程量計(jì)算時(shí)，最終所得數(shù)據(jù)往往存在誤差。產(chǎn)生誤差的原因有很多，數(shù)據(jù)源就是其中一種，之前的學(xué)者對(duì)其都沒(méi)有很好的研究和解決。因此，本文基于visual studio平臺(tái)，采用 .Net語(yǔ)言進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，將傳統(tǒng)測(cè)量所得的數(shù)據(jù)源進(jìn)行處理，最終得到統(tǒng)一的數(shù)據(jù)源，并基于新的數(shù)據(jù)源進(jìn)行CIVIL 3D方法和傳統(tǒng)方法的比較與分析。

2 建模思路和建模流程

2.1 傳統(tǒng)與CIVIL 3D的斷面法建模思路

2.1.1 傳統(tǒng)內(nèi)河航道土方計(jì)算思路

實(shí)測(cè)水深點(diǎn)導(dǎo)入→泥面線(xiàn)生成→航道中心線(xiàn)、航道底邊線(xiàn)和斷面線(xiàn)導(dǎo)入→疏浚斷面建立→與泥面線(xiàn)相交，斷面疏浚量生成→在所需斷面手動(dòng)添加二級(jí)邊坡→斷面法產(chǎn)生疏?？偭俊?/p>

2.1.2 CIVIL 3D的建模思路

實(shí)測(cè)水深點(diǎn)導(dǎo)入→地形曲面生成→航道中心線(xiàn)、航道底邊線(xiàn)導(dǎo)入→轉(zhuǎn)化航道中心線(xiàn)與底邊線(xiàn)為路線(xiàn)→裝配模型（即設(shè)計(jì)疏浚模型）設(shè)定，并按路線(xiàn)進(jìn)行裝配→與地形曲面相交，生成工程量。

2.1.3 BIM計(jì)算方法

CIVIL 3D計(jì)算時(shí)采用的體積計(jì)算方法主要有以下三種：組合體積算法、平均端面積算法以及棱體算法。

組合體積算法采用實(shí)際曲面數(shù)據(jù)，而不使用公式在采樣線(xiàn)之間內(nèi)插體積。如果曲面三角形的任意邊小于采樣線(xiàn)間隔，則此方法較為有用。

若位于兩個(gè)連續(xù)樁號(hào)之間的挖方或填方區(qū)域具有相似的造型，則可以使用平均端面積的方法。

若樁號(hào)之間的地形變化較大，那么使用棱體算法會(huì)更為精確。

這三種算法中最常用的就是平均端面積算法，其原理為：將一個(gè)樁號(hào)處的材質(zhì)類(lèi)型面積與下一個(gè)樁號(hào)處的材質(zhì)類(lèi)型面積相加，再將兩者之和除以二，然后將結(jié)果與橫斷面之間的距離（L）相乘來(lái)計(jì)算體積。即：

3 二次開(kāi)發(fā)

縱觀兩者的建模思路和方法可以看出兩者所得數(shù)據(jù)應(yīng)該是相同的，因?yàn)椴捎昧送瑯拥臏y(cè)線(xiàn)和同樣的測(cè)點(diǎn)。以上海市內(nèi)河航道 A部分航段進(jìn)行研究，航道A流經(jīng)松江區(qū)南部和金山區(qū)東部，為閘控航道，里程約7.72 km。

根據(jù)某測(cè)量單位測(cè)得的航道A的水深測(cè)點(diǎn)，間隔50 m取一個(gè)斷面，通過(guò)CIVIL 3D軟件建立航道A部分航段的三維原始地形曲面模型，如圖1。

圖1 某航道A地形曲面模型

按照設(shè)計(jì)要求，建立航道A該航段的設(shè)計(jì)疏浚模型，以-1.5m作為底高程，采用1:2.5的坡比，采用0.3 m和0.75 m分別作為其超深、超寬。運(yùn)用CIVIL 3D建立該航道模型，用測(cè)線(xiàn)進(jìn)行采樣得到的泥面線(xiàn)如圖2所示。采用傳統(tǒng)方法得到相同位置的泥面線(xiàn)，如圖3所示。將圖2和圖3的泥面線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比如圖4所示。

圖2 CIVIL 3D所得某航道A某斷面a、b泥面線(xiàn)示意

圖3 傳統(tǒng)方法所得某航道A某斷面a、b泥面線(xiàn)示意

圖4 CIVIL 3D與傳統(tǒng)方法所得泥面線(xiàn)對(duì)比示意

從圖4中可以看到通過(guò)CIVIL 3D與傳統(tǒng)方法所得到的開(kāi)挖泥面線(xiàn)并不完全吻合，兩者泥面線(xiàn)存在微差。由于在計(jì)算土方量時(shí)，兩種軟件均采用斷面法，其開(kāi)挖方量為斷面面積與斷面代表長(zhǎng)度乘積之和，因此兩者的總體工程量存在誤差。

因此，為了解決兩者數(shù)據(jù)源不統(tǒng)一這個(gè)問(wèn)題，采用.Net語(yǔ)言進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，使所有測(cè)點(diǎn)在導(dǎo)入兩種不同數(shù)據(jù)源前，先進(jìn)行處理，步驟主要為以測(cè)線(xiàn)為基準(zhǔn)，將測(cè)線(xiàn)兩邊一定范圍內(nèi)的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行投影得到全新的數(shù)據(jù)源，并以此數(shù)據(jù)源進(jìn)行后續(xù)的研究和分析。

同樣采用上述內(nèi)河航道A部分航段進(jìn)行研究，將寫(xiě)好的代碼載入CIVIL 3D，選中測(cè)線(xiàn)，需要添加投影范圍，選擇地形測(cè)量點(diǎn)，進(jìn)行運(yùn)算，得到新的數(shù)據(jù)源和圖層?；诮y(tǒng)一的數(shù)據(jù)源導(dǎo)入傳統(tǒng)軟件和CIVIL 3D進(jìn)行工程量的計(jì)算，可得如下某斷面的泥面線(xiàn)如圖5和圖6。將圖5和圖6的泥面線(xiàn)置于同一個(gè)坐標(biāo)系中可得圖7。

圖5 萬(wàn)點(diǎn)歸一后傳統(tǒng)方法所得斷面

圖6 萬(wàn)點(diǎn)歸一后CIVIL 3D所得斷面

圖7 萬(wàn)點(diǎn)歸一后傳統(tǒng)方法與CIVIL 3D所得斷面對(duì)比

從圖7可知，兩種不同的計(jì)算軟件導(dǎo)出的泥面線(xiàn)是完全一致的。從而說(shuō)明了當(dāng)采用統(tǒng)一數(shù)據(jù)源時(shí)，兩種方法均可行。此外，采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)源可以得到兩種不同軟件在某航段 A上所得的工程量如表1所示。

表1 萬(wàn)點(diǎn)歸一后傳統(tǒng)方法與CIVIL 3D所得工程量對(duì)比

從表1中可以看出，采用統(tǒng)一數(shù)據(jù)源導(dǎo)入傳統(tǒng)軟件和CIVIL 3D分析計(jì)算工程量，所得數(shù)據(jù)誤差相差約0.4 %，兩者有很好的一致性。這些微小的誤差可能是由于兩種軟件在生成設(shè)計(jì)曲面過(guò)程中，邊坡工程量的處理上存在偏差導(dǎo)致的。

4 結(jié) 論

本文基于visual studio平臺(tái)，進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，解決了因數(shù)據(jù)源差異導(dǎo)致的不同軟件產(chǎn)生的誤差，同時(shí)采用處理分析后的數(shù)據(jù)源導(dǎo)入傳統(tǒng)軟件和CIVIL 3D，得到完全一致的泥面線(xiàn)，為后期CIVIL 3D在疏浚航道整治中的運(yùn)用提供了可靠的依據(jù)。