基于OpenRoads Designer的河道整治設計應用

白崇宇

(遼寧省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110007)

江河水系統(tǒng)稱為河道，在灌溉供水、城市防洪、生態(tài)環(huán)境等方面發(fā)揮著重要作用?，F(xiàn)如今我國社會經(jīng)濟快速發(fā)展，河道生態(tài)退化、環(huán)境惡化狀況日趨嚴峻，在天然河流中經(jīng)常發(fā)生沖刷和淤塞現(xiàn)象，容易引發(fā)水害，妨礙水利發(fā)展。為提高防洪能力、提升供水保障以及改善生態(tài)環(huán)境，必須采取適當措施對河道進行整治。傳統(tǒng)河道整治采用二維扁平化設計，手工繪圖工作量大、直觀性差、效率低、工程量計算精度低，尤其當出現(xiàn)斷面修改、軸線調(diào)整等變更時，項目幾乎需要重做，極大地浪費了時間與精力。

隨著BIM技術在工程設計領域的不斷拓展，三維設計已逐漸成為一種趨勢，其設計成果準確、直觀，更好地表達了設計者的意圖，更加有利于指導施工。本文旨在應用BIM技術完成河道整治項目的設計，實現(xiàn)三維模型的建立、工程量計算、二維出圖等功能。OpenRoads Designer(簡稱“ORD”)是本特利公司推出的一款主要應用于道路設計的BIM軟件，對長距離線性工程具有較好的通用性和拓展性。基于此特點，可將ORD應用于河道整治工程的設計。本文即結(jié)合某工程實例，應用ORD軟件進行正向設計，對BIM技術在水利工程中的應用與推廣具有重要的參考意義。

1 工程概況

某河道整治工程新建護岸6段，長度10.4km。護岸形式分為固濱籠墻式護岸和綠濱墊坡式護岸。固濱籠墻式護岸總高度為4.0m，分4個單元，每單元較其上層單元外伸0.5m，石籠墻背水側(cè)及底部設置規(guī)格為400g/m2的土工布。綠濱墊坡式護岸從設計護腳頂高程護砌至河岸頂高程后水平鋪設1.0m，石籠厚0.4m，其下為厚0.15m碎石墊層和400g/m2的土工布。護岸坡比為1∶2.0。2種護岸典型斷面如圖1所示。

圖1 典型斷面(單位：mm)

2 傳統(tǒng)二維設計問題與分析

現(xiàn)如今河道整治項目護岸工程基本都采用AutoCAD制圖軟件結(jié)合Office辦公軟件的數(shù)據(jù)處理功能進行二維設計和計算工作，主要包括護岸工程的平面設計、縱斷面設計、橫斷面設計、工程量的計算等。設計工作中常會出現(xiàn)如下問題。

(1)制圖工作量大。GB 0707—2011《河道整治設計規(guī)范》要求，初設階段橫斷面間距為50～100m。長度為10.4km的護岸就需要繪制至少104個斷面，每個斷面都需要手工標注、制圖，到施工圖階段還需要加密，手工繪制圖紙工作量巨大且容易出現(xiàn)錯誤。

(2)直觀性差。傳統(tǒng)二維設計成果均以CAD圖紙的形式呈現(xiàn)，由于斷面尺寸多變造成圖紙多達上百張，想要全面理解項目就需要前后對應的看圖，花費大量的時間，效率低下。

(3)工程量計算精度低。傳統(tǒng)設計中計算工程量用典型斷面工程量乘以斷面所代表的距離，累加得到最終工程量。其準確程度往往取決于橫斷面間距選取的大小。斷面間距選取越小，工程量計算相對越準確，但消耗的人力和時間成幾何增長。實際工程中河道走向蜿蜒、地形復雜，在河道彎曲處及斷面過渡段，工程量計算容易出現(xiàn)偏差。

(4)方案調(diào)整、變更等較多。河道整治工程不同于其他場地類項目，地域廣且地形交界復雜，涉及移民占地、產(chǎn)權(quán)地權(quán)、施工條件、工程造價、生態(tài)環(huán)境等諸多問題，經(jīng)常出現(xiàn)斷面型式修改、軸線位置改變等方案調(diào)整、變更。每次進行方案調(diào)整、變更時，項目制圖、工程量計算等工作都需要重新進行，消耗了項目設計成倍的時間與人力。

針對河道整治項目二維設計中存在的問題，應用ORD軟件進行更加精細、更加高效、更加整體化的護岸模型三維設計。

3 基于ORD的護岸模型設計

3.1 三維地形的創(chuàng)建

三維地形是土木工程三維設計的基礎，創(chuàng)建準確的三維地形模型對項目設計起著至關重要的作用。在ORD中創(chuàng)建地形有兩種方式，即“從文件”和“從圖形過濾器”。當沒有可供導入的.txt，.dat，.tin，.dtm等格式地形數(shù)據(jù)文件時，可通過圖形過濾器創(chuàng)建三維數(shù)字地形。具體操作步驟為：CAD測量圖保存為dgn文件→新建高程點過濾器和等高線過濾器→編輯過濾器設置篩選條件→建立過濾器組并生成三維地形→用“導出地形模型”選擇GEOPAK TIN格式文件→完成。創(chuàng)建的三維地形如圖2所示。

圖2 三維地形

3.2 控制線的設計

護岸控制線是護岸橫斷面模型控制點的連線，其設計包括平曲線的設計和縱曲線的設計。平曲線的設計應根據(jù)河道規(guī)劃統(tǒng)籌安排、合理布置，與河勢的流向相適應，各段平順連接，不能出現(xiàn)急彎和折線；縱曲線的設計應兼顧上下游、左右岸的關系，視護岸段實際情況合理確定。當現(xiàn)狀岸坎頂高程低于設計水位時，防護至現(xiàn)狀岸坎頂高程，確保不抬高地形以及縮窄河道行洪寬度；當現(xiàn)狀岸坎頂高程高于設計水位時，設計護岸頂高程為設計水位以上0.5m。

三維地形創(chuàng)建后，需要將其設置為激活的地形，才能進行控制線的設計。首先通過“幾何圖形”菜單下的“直線”“弧”等命令繪制平面線，利用“復雜幾何圖形”下的“按元素復合”命令將直線、圓弧連成一條線，對其進行土木特征定義后即完成平曲線的設計。然后通過視圖聯(lián)動打開縱斷面設計窗口，用“元素縱斷面”命令繪制縱曲線，為平曲線添加Z向高程信息?？v曲線可以繪制多條，但應將其中的一條設置為激活的對象。

3.3 護岸橫斷面模板設計

運用ORD軟件創(chuàng)建護岸橫斷面模板是進行護岸模型設計的關鍵步驟。合理的使用組件約束條件，詳細、精確的組件尺寸直接決定了模型的生成質(zhì)量。

項目的護岸斷面包括綠濱墊護坡、固濱籠護角、砂礫墊層、土工布等結(jié)構(gòu)，利用“廊道”菜單下的“模板”命令，根據(jù)Simple組件(簡單的幾何圖形)、Constrained組件(約束條件)、Unconstrained組件(無約束末端條件)、Null Point組件(空點)、End Condition組件(末端條件)、Overlay/Stripping組件(清基/覆蓋)等建立。其中Unconstrained組件可用于處理護坡與地形的交接，如開挖放坡至地面且不確定點位。組件約束是橫斷面模板設計的重點與難點，合理的使用組件約束可以使護岸與實際地形緊密貼合。橫斷面模板如圖3所示。

圖3 橫斷面模板

在前期設計橫斷面模板時，通過特征定義添加各個組件的材質(zhì)(如開挖回填、格賓石籠、土工布等)，護岸模型建好后可應用“廊道報表”功能統(tǒng)計工程量并計算工程造價。

3.4 護岸模型的創(chuàng)建

護岸模型的創(chuàng)建需要在2D-model中應用“廊道”菜單進行，根據(jù)已設計的護岸控制線和護岸橫斷面模板，模型具體創(chuàng)建步驟：打開護岸縱斷面視圖→點擊“新建廊道”命令→定位護岸平面控制線→定位激活的設計護岸縱曲線→定義護岸名稱→選擇護岸橫斷面模板→確定防護起止點→完成。護岸模型建好后應用“View Control”菜單，可以通過二三維聯(lián)動查看模型中護岸護坡與地形的融合效果。護岸模型如圖4所示。

圖4 護岸模型

4 護岸模型的應用

4.1 護岸模型的展示

在3D-model模式下，通過軟件的cell功能可對景觀模型進行處理，如放置人物、樹木、房屋、船只等，使三維護岸模型可以實景展示，為方案比選、移民征地等工作提供依據(jù)。三維護岸模型在項目設計過程中可以避免人為觀察產(chǎn)生的錯誤，及時發(fā)現(xiàn)問題，并制定有效的應對策略，減少了設計變更，避免造成時間的浪費，極大提高了效率。三維模型能夠更好地展示工程全貌，方便他人更直觀地了解項目，可以更好地用于匯報和展示，宣傳效果良好。

4.2 工程量統(tǒng)計研究

工程量的計算是工程設計的重要部分。傳統(tǒng)的二維設計中，往往需要通過大量的斷面進行工程量的統(tǒng)計，計算的精度取決于所取斷面的數(shù)量，工作量繁雜的同時計算結(jié)果也不夠精確。在ORD中，可利用“廊道報表”功能自動計算模型工程量，包括開挖方量、回填方量、石籠方量、碎石墊層、土工布等，并輸出.xls格式的工程量表單。添加各材料單價后能一鍵生成工程造價。工程量統(tǒng)計如圖5所示。

圖5 工程量統(tǒng)計

4.3 出圖研究

利用ORD自帶的出圖模塊可以實現(xiàn)護岸的平面出圖與橫斷面出圖。通過“繪圖制作”菜單下的組件標注命令，可以對樁號、高程、線形等進行自動批注。利用“放置土木平面圖”命令完成護岸的平面布置圖，利用“放置土木橫斷面”命令完成護岸的橫斷圖。需要注意的是，橫斷出圖過程中須打開三維視圖。最后可通過“圍柵”功能打印生成PDF文件。如圖6所示。

圖6 ORD出圖

4.4 技術難點及解決方案

(1)護岸斷面型式、尺寸多樣，二維繪圖工作量巨大。此河道整治項目為6段10.4km護岸工程，牽涉工程距離長，地形復雜多變，致使護岸設計斷面型式、尺寸多樣，常規(guī)的二維設計軟件，必須大量繪制剖面，手工標注尺寸、高程等信息，任務量較大。

運用ORD軟件的“模板”命令建立護岸典型斷面，可以快速創(chuàng)建三維模型。利用軟件自帶的“放置土木橫斷面”命令，根據(jù)設計階段和實際需求的不同選取需要的斷面間距，自動生成模型橫斷面圖。由于模型創(chuàng)建時所有結(jié)構(gòu)尺寸均為實際尺寸，所以可利用軟件自動標注石籠尺寸、護岸頂高程、護角頂高程等信息。

運用ORD軟件省去了二維傳統(tǒng)設計斷面繪制的重復工作，避免了繪圖、標注產(chǎn)生的錯誤。之前需要花費數(shù)天的出圖任務只需幾個小時即可完成，在提高效率的同時也提升了質(zhì)量。

(2)工程項目的全壽命周期都會出現(xiàn)頻繁的方案調(diào)整、設計變更等情況，涉及斷面修改、軸線調(diào)整等工作。

當出現(xiàn)斷面修改導致的方案調(diào)整時，可以應用ORD軟件中“廊道”菜單下的“模板”命令，根據(jù)變更的要求重新制作護岸橫斷面模板，通過“廊道更新”命令，自動完成修改護岸模型；當出現(xiàn)軸線調(diào)整導致的設計變更時，無需修改橫斷面模板，只需要重新設計控制線，然后應用之前的橫斷面模板創(chuàng)建護岸模型即可。

傳統(tǒng)二維設計出現(xiàn)此類變更后，項目幾乎需要重做。運用ORD進行變更設計的高效性更為顯著，軟件可以使斷面模板、護岸模型、工程量同步更改。節(jié)省了大量的時間和精力，真正做到了事半功倍。

(3)在河道項目護岸范圍內(nèi)，地形復雜多變，護岸放坡需要與地形完全融合。慣用的二維設計，需要根據(jù)地形剖面，逐個繪制橫剖面圖。

應用ORD軟件中“廊道”菜單下的“模板”命令，在模板創(chuàng)建界面通過點擊Add New Component添加Unconstrained組件(無約束末端條件)，自動生成護岸與地形的交線，使得護岸橫斷面沿控制線自動調(diào)整，自動放坡至三維地形，保證護岸銜接順暢、提高護岸與實際地形的擬合程度，提高了設計質(zhì)量。

5 結(jié)語

本文依托于某河道整治工程，實例詳細說明了護岸模型的設計及其實現(xiàn)效果。對于不同的水利線性工程(堤防工程、長距離輸水管道工程、隧道工程等)使用不同的參數(shù)及模型進行設計具有借鑒意義。但仍有如下不足需要優(yōu)化。

(1)軟件自帶的縱斷模塊，無法滿足河道項目多條縱斷線(設計水位線、護岸頂線、護腳底線、原始地面線等)的出圖要求，只能借助于其他輔助軟件(如zdm等)完成?？v剖面出圖需做優(yōu)化。

(2)水文、水力計算是河道整治項目設計中的關鍵部分，如何將ORD與其他計算軟件(如Flood等)更好地結(jié)合使用，現(xiàn)缺少有效的技術手段，需做進一步研究。