黃 智， 楊 彪

(1. 中國(guó)港灣工程有限責(zé)任公司， 北京100027；2. 中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司， 廣東 廣州510230)

隨著“一帶一路” 倡議的不斷推進(jìn)， 海外工程項(xiàng)目的競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈， 如何精細(xì)化地進(jìn)行工程設(shè)計(jì)很大程度上決定了項(xiàng)目的競(jìng)爭(zhēng)力。 應(yīng)用BIM 技術(shù)可以提高工程設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率， 有效控制成本和工期， 輔助項(xiàng)目管理和運(yùn)維， 在工程建設(shè)的全生命周期內(nèi)發(fā)揮關(guān)鍵作用[1]。

目前， 國(guó)內(nèi)外BIM 發(fā)展水平不平衡， 歐美國(guó)家BIM 技術(shù)應(yīng)用水平相對(duì)較高， 在2010 年前后，歐洲就有近半數(shù)的建筑師使用過(guò)BIM， 甚至達(dá)到專家水平[2]。 近年來(lái)， BIM 技術(shù)在中國(guó)制造業(yè)與建筑業(yè)的應(yīng)用較為廣泛且成熟， 而在水運(yùn)交通行業(yè)的應(yīng)用相對(duì)落后， 但近幾年也得到了迅猛發(fā)展[3]。 隨著B(niǎo)IM 技術(shù)在水運(yùn)行業(yè)應(yīng)用的日漸普及，港口工程設(shè)計(jì)的精細(xì)化程度越來(lái)越高， 設(shè)計(jì)方案更加優(yōu)化， 相關(guān)的工程量報(bào)價(jià)也更加準(zhǔn)確， 大大提高了項(xiàng)目的競(jìng)爭(zhēng)力。

港口疏浚工程屬于大型土方類工程項(xiàng)目，Civil 3D 軟件是Autodesk 公司推出的一款針對(duì)土木工程道路和土石方的BIM 解決方案[4-5]， 利用該軟件可以創(chuàng)建港口疏浚模型， 并快速生成施工圖紙，精確計(jì)算疏浚工程量[6]。 同時(shí)， 利用該軟件的地質(zhì)模塊創(chuàng)建三維地質(zhì)模型， 可以實(shí)現(xiàn)疏浚量按照土質(zhì)分類進(jìn)行精細(xì)化計(jì)算， 為施工設(shè)備選型和工程造價(jià)估算提供依據(jù)。 此外， 通過(guò)軟件圖形樣板的制定， 可以保證圖紙成果的標(biāo)準(zhǔn)化， 大大提高了出圖效率和圖紙表達(dá)的準(zhǔn)確性。

1 項(xiàng)目概況

工程位于非洲某區(qū)域， 主要建設(shè)1 個(gè)7 萬(wàn)噸級(jí)和1 個(gè)10 萬(wàn)噸級(jí)集裝箱泊位， 碼頭總長(zhǎng)715.5 m，采用重力式沉箱結(jié)構(gòu)。 碼頭前沿設(shè)計(jì)底高程為-16.0 m， 港池和航道的設(shè)計(jì)高程為-15.5 m，回旋水域半徑為692 m， 航道寬度為200 m。 疏浚工程范圍主要包括停泊水域、 港池、 航道及碼頭基槽。 工程位置地質(zhì)大致分為3 層， 自上而下依次為標(biāo)貫0 ～15 擊的砂型黏土、 標(biāo)貫15 ～50 擊的礫質(zhì)黏土、 標(biāo)貫50 ～300 擊的高風(fēng)化片麻巖。圖1、 2分別為工程平面圖和碼頭典型斷面。

圖1 工程平面圖

圖2 碼頭典型斷面(高程: m； 尺寸: mm)

2 BIM 應(yīng)用思路

Civil 3D 軟件強(qiáng)大的三維建模和地形處理功能可以實(shí)現(xiàn)疏浚工程的BIM 應(yīng)用， 進(jìn)而達(dá)到精細(xì)化設(shè)計(jì)的目的， 基于Civil 3D 的疏浚工程BIM 應(yīng)用思路見(jiàn)圖3。 首先， 基于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)生成地形模型， 基于地勘鉆孔數(shù)據(jù)生成三維地質(zhì)模型； 然后，基于地形模型和地質(zhì)模型， 根據(jù)設(shè)計(jì)方案創(chuàng)建三維精細(xì)化疏浚模型； 最后， 由疏浚模型輸出設(shè)計(jì)成果， 包括施工圖紙、 工程量、 三維實(shí)體模型等。

圖3 基于Civil 3D 的疏浚工程BIM 應(yīng)用思路

3 BIM 疏浚設(shè)計(jì)方法

3.1 創(chuàng)建三維地質(zhì)模型

本工程疏浚區(qū)域包含28 個(gè)地勘鉆孔， 鉆孔平面分布范圍未能包含整體疏浚區(qū)域， 假設(shè)將鉆孔土層水平向外拓展生成虛擬鉆孔(15 個(gè))， 以保證疏浚區(qū)域地質(zhì)模型的完整性。 疏浚范圍土層分布連續(xù)， 結(jié)合各鉆孔的土層高程信息， 疏浚土體包含砂型黏土和礫質(zhì)黏土2 類。

利用軟件地質(zhì)模塊(geotechnical module)新建本工程地質(zhì)模型數(shù)據(jù)庫(kù)， 導(dǎo)入地質(zhì)鉆孔信息數(shù)據(jù)， 分別是Location Details 和Field Geological Descriptions 2 個(gè)csv 格式文件， 其中Location Details 文件中包含鉆孔編號(hào)、 類型、 坐標(biāo)、 孔口高程及鉆孔深度，F(xiàn)ield Geological Descriptions 文件中包含每個(gè)鉆孔的土層名稱及厚度信息[7]。

地勘數(shù)據(jù)導(dǎo)入后， 利用地層(strata)功能可快速生成每種土體的頂部和底部地層曲面， 檢查地層曲面間是否有交叉現(xiàn)象， 若有則須進(jìn)一步處理。同時(shí)， 利用曲面間提取實(shí)體功能可以將每層土體提取三維實(shí)體模型， 增強(qiáng)地質(zhì)模型的可視化效果，使顯示更加直觀， 見(jiàn)圖4。

圖4 三維地質(zhì)模型

3.2 創(chuàng)建疏浚模型

本工程測(cè)量數(shù)據(jù)保存為包含坐標(biāo)和高程信息的點(diǎn)文本格式， 在Civil 3D 軟件中新建三角網(wǎng)曲面， 導(dǎo)入測(cè)量點(diǎn)文件生成原始地形曲面模型。 精準(zhǔn)的地形曲面是疏浚建模的基礎(chǔ)， 也是快速出圖和精確算量的基本保障， 故應(yīng)仔細(xì)檢查曲面的準(zhǔn)確性， 刪除測(cè)量數(shù)據(jù)中的錯(cuò)誤高程點(diǎn)， 從而提高建模精度。 同時(shí)， 由于鉆孔間距較大， 三維地質(zhì)模型頂部曲面精度遠(yuǎn)小于由測(cè)量數(shù)據(jù)生成的地形曲面， 所以在疏浚建模時(shí)， 應(yīng)使用地形曲面替代地質(zhì)模型的頂面， 即砂型黏土層的頂部曲面。

根據(jù)設(shè)計(jì)方案確定疏浚邊界及高程， 并分析不同高程之間的過(guò)渡關(guān)系。 設(shè)計(jì)中的水域疏浚邊界通常是直線連接， 而考慮到實(shí)際地形的高程變化， 如原始地形低于設(shè)計(jì)高程， 則該位置并不需要進(jìn)行疏浚， 此時(shí)應(yīng)從地形曲面提取相應(yīng)高程的等高線， 作為該處的設(shè)計(jì)邊界， 從而保證疏浚邊界的準(zhǔn)確性。 從具有高程信息的疏浚邊界創(chuàng)建要素線， 利用軟件的放坡功能， 根據(jù)設(shè)計(jì)坡度向地形曲面作開(kāi)挖放坡， 同時(shí)生成疏浚邊坡曲面。 對(duì)于要素線閉合范圍內(nèi)的區(qū)域， 可以通過(guò)創(chuàng)建放坡填充功能直接生成放坡曲面。 疏浚曲面創(chuàng)建完成后， 可以與原始地形進(jìn)行組合， 生成疏浚后的地形曲面， 同時(shí)可以對(duì)曲面進(jìn)行高程分析， 增強(qiáng)可視化效果， 見(jiàn)圖5。

圖5 疏浚模型

3.3 生成疏浚施工圖

利用Civil 3D 軟件快速生成滿足施工標(biāo)準(zhǔn)的疏浚圖紙， 包括平面圖和斷面圖(圖6)。 通過(guò)疏浚模型快速獲取疏浚邊坡與原始地形的交線， 將該交線作為疏浚平面圖邊界范圍線。 與傳統(tǒng)方法繪制的平面圖相比， 具有更加真實(shí)準(zhǔn)確的特點(diǎn)。 同時(shí)可以通過(guò)制定放坡樣式自動(dòng)生成示坡線， 提高作圖效率。

圖6 疏浚斷面

基于疏浚模型可以在任意位置快速生成疏浚斷面圖， 且斷面圖與模型具有動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)的特點(diǎn)，模型更新則斷面圖自動(dòng)更新。 在擬生成斷面圖的位置創(chuàng)建路線， 利用軟件的創(chuàng)建曲面縱斷面功能生成縱斷面圖， 并結(jié)合三維地質(zhì)模型， 將地形曲面、 地層曲面及疏浚曲面同時(shí)反映在一個(gè)斷面圖中， 使斷面圖信息更加完整。

根據(jù)本項(xiàng)目出圖標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)建定制化的圖形樣板，使設(shè)計(jì)成果輸出格式標(biāo)準(zhǔn)化， 并大大提高了出圖效率。 通過(guò)制定縱斷面圖樣式可以自動(dòng)生成圖名、橫縱軸信息以及地層斷面和開(kāi)挖范圍的填充等，并可通過(guò)調(diào)整橫縱比例使斷面圖顯示更加美觀。同時(shí)， 可以利用標(biāo)準(zhǔn)化的縱斷面標(biāo)簽對(duì)圖紙進(jìn)行標(biāo)注， 如坡度、 高程等信息。

3.4 計(jì)算疏浚工程量

根據(jù)疏浚土的類型， 應(yīng)用BIM 技術(shù)進(jìn)行精細(xì)化的工程量計(jì)算。 基于疏浚模型和三維地質(zhì)模型，通過(guò)軟件的體積面板工具， 利用疏浚曲面和礫質(zhì)黏土頂面計(jì)算出礫質(zhì)黏土的疏浚量， 利用疏浚曲面和地形曲面計(jì)算出疏浚總量， 二者之差便是表層砂型黏土的疏浚量。

通過(guò)模型計(jì)算可知， 表層砂型黏土的疏浚量為165.80 萬(wàn)m3， 礫質(zhì)黏土的疏浚量為190.40 萬(wàn)m3，總疏浚量為356.20 萬(wàn)m3。 根據(jù)土體特性及疏浚工程量， 采用水下松動(dòng)爆破和小抓斗清淤相結(jié)合的疏浚方式， 并合理編排施工工序及調(diào)遣施工設(shè)備，大大節(jié)省了工程造價(jià)。

此外， 利用曲面間提取實(shí)體的功能， 可以將疏浚土體按土質(zhì)分別提取三維實(shí)體模型， 通過(guò)查詢實(shí)體體積也可得到精確的疏浚工程量， 同時(shí)三維實(shí)體使疏浚模型具有更好的可視化效果， 且可為疏浚工程施工模擬提供模型基礎(chǔ)。

對(duì)于超深超寬工程量， Civil 3D 軟件自帶功能無(wú)法通過(guò)設(shè)計(jì)方案模型直接計(jì)算， 須根據(jù)超深超寬設(shè)計(jì)值偏移疏浚設(shè)計(jì)邊界線， 采用本文的建模方法重新創(chuàng)建超深超寬疏浚模型， 再根據(jù)模型統(tǒng)計(jì)超深超寬工程量。

4 結(jié)語(yǔ)

1)通過(guò)創(chuàng)建三維地質(zhì)模型， 使不同土質(zhì)的分布情況顯示更加直觀， 利于輔助方案設(shè)計(jì)。

2)通過(guò)創(chuàng)建三維疏浚模型， 使疏浚設(shè)計(jì)更加精細(xì)化， 設(shè)計(jì)成果更加精準(zhǔn)合理， 降低施工風(fēng)險(xiǎn)。

3)基于本項(xiàng)目自主定制的圖形樣板文件， 利用三維模型直接輸出疏浚施工圖， 保證了圖紙成果的標(biāo)準(zhǔn)化， 大大提高出圖效率和圖紙表達(dá)的準(zhǔn)確性， 為疏浚施工提供準(zhǔn)確依據(jù)。

4)基于三維地質(zhì)和三維疏浚模型， 實(shí)現(xiàn)按土體種類精確計(jì)算疏浚工程量， 為施工設(shè)備選型和工程造價(jià)估算提供了有利支撐， 提高競(jìng)爭(zhēng)力。