摘要 近年來，隨著高等級航道不斷建設，航道養(yǎng)護管理任務隨之增加，給內河航道養(yǎng)護和管理工作帶來不少的困難和問題。文章探索運用BIM技術進行航道養(yǎng)護信息化深度應用，通過應用思路整理、航道案例分析，闡述BIM技術在航道養(yǎng)護分析中的具體實施步驟。結果表明BIM分析思路及方法具有效率和效果上的優(yōu)越性，可提升航道管理工作中的數(shù)字化和智能化水平，為類似工程分析提供參考。

關鍵詞 BIM技術；航道養(yǎng)護；數(shù)字化；智能化

中圖分類號 U617 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）07-0027-03

0 引言

內河航道是我國交通運輸領域基礎設施重要的組成部分。水路運輸方式運量大、環(huán)保、運費低，適于運輸大宗長距離的貨物，使得水路運輸總發(fā)送量逐年提高。隨著我國市場經濟不斷發(fā)展，運量不斷增長的需求促使水路運輸船舶的發(fā)展呈現(xiàn)標準化、大型化的趨勢，這對航道的建設、管理和養(yǎng)護也提出了更高的要求[1]。

航道維護是改善航道通航條件，保證航道暢通和航行安全的必要環(huán)節(jié)。由于受資金及投入限制，目前各地內河航道維護及管理水平和信息化程度還較低。隨著內河航道網絡的不斷建設和完善，養(yǎng)護里程逐年增加，內河航道養(yǎng)護工作將面臨嚴峻挑戰(zhàn)，航道管理與養(yǎng)護任務將更加艱巨[2]。

航道工程的特點是覆蓋的空間范圍較大，工程所涉區(qū)域呈條帶狀分布，且航道航行條件與水下地形地貌、水文氣象等信息緊密相關[3]。而BIM技術因其具有可視化、信息互通性強等特點，已經應用于航道工程項目的前期決策、勘察設計和施工階段，在提升項目生產效率、提高工程質量、縮短工期、降低建造成本等方面發(fā)揮了重要作用[4]。該文以巢湖湖區(qū)某口門航道為例，研究基于BIM技術的數(shù)據(jù)集成、模型構建和航道現(xiàn)狀分析的方法，以期為航道養(yǎng)護決策提供參考，為建設暢通、高效、綠色、平安的航道體系提供保障。

1 航道概況

1.1 地理位置

巢湖位于長江水系的下游，南淝河、派河、杭埠河等主要入湖河流呈向心狀匯入，湖水主要靠地面徑流補給，裕溪河是巢湖通往長江的唯一水上通道。巢湖各支流源近流短，汛期水流挾泥沙而下，至入湖口門處由于地勢低平，流速減緩，泥沙淤積導致枯水期通航水深不足，易導致船舶擱淺等事故。為保障通航安全，需定期對口門航段進行觀測。該文觀測航段位于巢湖各支流入湖口門區(qū)，觀測各航段建設情況見表1。

1.2 水文條件

巢湖水域面積大約為770 km2，湖岸約以1/1 200的緩坡傾向湖底，湖底平坦、水淺、流速慢。該次研究將巢湖中廟水文站作為特征水位分析的基本站，中廟站近年來實測逐月平均水位見圖1。水文資料統(tǒng)計顯示，巢湖多年平均水位為7.1 m，水文年內正常蓄水位為6.5～7.1 m，平均水深約3.3 m?，F(xiàn)場底沙取樣分析研究表明，巢湖湖區(qū)底沙粒徑較細，其底質以粉粒為主，細砂、黏粒次之。底沙中值粒徑約0.01～0.03 mm，平均中值粒徑約0.02 mm[5]。

1.3 氣象條件

根據(jù)巢湖附近廬江氣象站資料，統(tǒng)計巢湖湖區(qū)全年風向，見圖2。該地區(qū)地面平均風速為2.6 m/s，基本上呈現(xiàn)為東春風速較大，夏秋風速較小。從風向上看，偏西風至偏北風（SSW向和NNW向）風向風區(qū)長、平均風速較大，年平均風速在3.2 m/s以上。南南東（SSE）風向最小，年平均風速為2.2 m/s。

2 BIM技術應用思路

Civil3D是Autodesk公司為土木與基礎設施行業(yè)提供的三維設計BIM軟件，其提供強大的地形數(shù)據(jù)處理功能和參數(shù)化設計功能，能夠快速生成原始地形曲面和道路設計曲面，且具有對曲面進行高程、坡度等主題分析的功能。利用Civil3D的三維建模和地形處理功能，可以實現(xiàn)航道養(yǎng)護的BIM應用，BIM應用思路見圖3。首先，分析年度各階段出現(xiàn)的特征水位，并利用水下地形測量技術對航道航槽地形進行測量；根據(jù)水下地形測量數(shù)據(jù)生成對應的航槽地形曲面模型；結合特征水位和航道養(yǎng)護標準創(chuàng)建參數(shù)化航槽模型；整合地形模型和參數(shù)化航槽模型，進行航道現(xiàn)狀分析，包括沖淤部位分析、沖淤量分析、疏浚量分析及斷面分析；最后輸出設計成果，包括施工圖紙、工程量、三維實體模型等。

3 BIM航道分析方法

3.1 創(chuàng)建航槽曲面模型

根據(jù)水運工程相關測量規(guī)范，在巢湖湖區(qū)各口門段觀測區(qū)布設E級平面控制網和四等高程控制網，測量點間距不大于4 m，測量斷面間距不大于20 m，地形基本等高距為1 m，生成各觀測區(qū)的水下床底高程測量圖。對于需要表現(xiàn)局部地區(qū)細節(jié)特征而地形較為復雜的重點觀測區(qū)域，需進一步對測量數(shù)據(jù)進行精化，生成局部等高線、特征點、特征線等數(shù)據(jù)，從而更好地反映航槽形態(tài)和地形起伏特征。

測量數(shù)據(jù)導入Civil3D軟件后，利用曲面處理功能可快速生成觀測區(qū)域的航槽地形曲面，利用曲面檢查功能，可快速對測量數(shù)據(jù)中的異常點進行處理。同時，曲面的高程分析、等高線著色等功能可以直觀地顯示各觀測段的地形特征，增強地形模型的可視化效果，使河床特征的顯示更加直觀。

3.2 創(chuàng)建航道模型

根據(jù)航道的原始設計資料對航道的航槽斷面形狀進行參數(shù)化平縱建模。平面上使用路線編輯工具生成航道走向路線；通過使用Civil3D附帶的部件編輯器模塊，采用可視化的控制流程生成標準航槽斷面，同時將長度、坡度等控制參數(shù)賦予部件的各點、連接組件，最終生成各口門段航槽的參數(shù)化斷面裝配模型。

由巢湖湖區(qū)的水文資料分析巢湖湖區(qū)口門航道維護的控制水位，根據(jù)航道維護水深確定航道維護的底高程，生成航道走向的縱斷面控制模型。通過Civil3D的道路創(chuàng)建功能，將航道走向、斷面裝配模型和縱斷面模型組合成道路組件，并設置道路的邏輯目標，如目標高程、目標曲面等參數(shù)，形成航道航槽的BIM模型，并生成航槽的地形曲面。

3.3 航道沖淤分析

數(shù)字高程模型是一種表示地形的空間數(shù)據(jù)模型，它把表示地形的三維坐標按一定結構規(guī)則組織起來，用來描述地形的高程分布和地形起伏的特征。Civil3D的曲面功能除實現(xiàn)數(shù)字高程模型外，還附加了高級的曲面分析功能，如等高線、高程、坡度坡向、坡面箭頭、流域匯水、跌水路徑和視距分析等。此外，Civil3D的體積曲面還可以基于兩個曲面中的點的組合，通過從復合三角網直線創(chuàng)建棱（柱）體線段的方法，將二維曲面轉換為三維體積，從而實現(xiàn)三維建模與分析。

根據(jù)該觀測年度的航槽曲面模型，在Civil3D曲面分析模塊中利用該年度內兩次觀測的航槽曲面組合為體積曲面；通過體積曲面的高程分析功能進行曲面交叉計算，利用高程差分析計算出兩次觀測的航槽曲面差異的厚度分布，根據(jù)厚度值的范圍及顯示間隔可配置相應的調色板，使得航槽的淤積位置和淤積量可以直觀地通過分析區(qū)域著色顯示，如圖4所示。巢湖某口門航段該觀測年度大部為淺淤狀態(tài)，淤積量在0.2 m以下。

3.4 生成疏浚施工圖

利用Civil 3D軟件道路采樣功能可以在沿航道走向的任意位置快速生成航道現(xiàn)狀及疏浚斷面圖，如圖5所示。由于采樣線具有與道路模型的動態(tài)關聯(lián)特性，采樣線可對航槽現(xiàn)狀地形和以特征水位為參數(shù)的航道維護模型進行動態(tài)采樣，通過調整特征水位參數(shù)，可實現(xiàn)一套養(yǎng)護模型生成多套養(yǎng)護方案斷面，顯著提高了工作效率。

根據(jù)Civil3D強大的模板化功能，可編制定制化的施工圖出圖模板，提高了BIM軟件的實用性和出圖效率。通過編制標準化橫斷面圖樣式模板，可配置圖形顯示的水平、垂直比例、圖樣柵格裁剪風格、標題內容和樣式和橫縱軸等信息，并可對土方挖方區(qū)域填充圖案進行設定。另外，將圖形模板與標簽模板進行整合，可實現(xiàn)斷面線條的靈活標注，如斷面上點的高程、位置等。

3.5 計算維護疏浚量

應用Civil3D的采樣挖填方功能，結合疏浚土類型信息，可對維護疏浚量進行精確計算?；诤讲鄣牡缆贩艠幽Ｐ秃秃讲鄣匦文Ｐ停ㄟ^設定一定的采樣線間距，利用軟件的材質功能定義原地形面及施工曲面，可以使用平均端面積法計算出疏浚土的疏浚量。

此外，通過將航槽地形模型及道路放樣模型進行疊加，形成體積曲面三維實體。利用體積曲面的高程分析功能并設定零高程等分，可以方便地生成待疏浚區(qū)域的三維實體模型；通過體積曲面的查詢功能可直接得到工程的挖方疏浚量。三維實體使重點疏浚區(qū)域具有更好的可視化效果，可為維護性疏浚工程施工模擬提供模型基礎。

4 結語

（1）通過研究模型建立、信息整合、參數(shù)化分析，形成了一套針對航道養(yǎng)護BIM應用的整體技術路線和方法。經過實踐，該路線可行，方法可靠，可對航道的各項現(xiàn)狀指標進行分析評估，促進BIM信息模型應用的深化。

（2）通過BIM軟件在航道養(yǎng)護分析中的應用，航道現(xiàn)狀通過三維展示，更加直觀，提高了生產效率，使傳統(tǒng)的分析流程簡單化、流程化，把更多的時間從繁雜的二維分析中解放出來，用于優(yōu)化養(yǎng)護方案，提高了航道養(yǎng)護和管理的品質。

（3）BIM技術的深化應用推進了航道養(yǎng)護分析技術從二維向三維的轉換，完善了航道BIM信息全生命周期的循環(huán)過程，為航道信息在整個生命周期中的傳遞提供了應用支持。

參考文獻

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