Autodesk Civil 3D 在大型棄渣場規(guī)劃設(shè)計中的模擬研究

常 勝

（新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

Autodesk Civil 3D 是業(yè)界認可的土木工程應(yīng)用軟件，在道路工程、場地、雨水/污水排放系統(tǒng)以及場地規(guī)劃設(shè)計中通過建立三維動態(tài)工程模型，可以準確實現(xiàn)設(shè)計理念。 三維模型中曲面、平縱橫斷面、標注等均以動態(tài)方式鏈接，可快速調(diào)整設(shè)計方案、更有助于評估和決策工作。

水利水電工程開發(fā)建設(shè)項目不可避免的產(chǎn)生了大量土石方棄渣， 盡管在前期施工組織設(shè)計中通過土石方平衡計算， 可最大限度地合理利用工程建筑物土石方開挖料用于填筑建筑物的回填區(qū)域，如施工道路填筑、施工場地平整等；但仍有部分渣料需運至棄渣場以解決臨時性或永久性堆存問題。 棄渣量多少及運距遠近將直接影響工程造價；另外這些棄渣是主要的水土流失源。 因此棄渣場規(guī)劃設(shè)計成為水利設(shè)計項目中重要環(huán)節(jié)之一。新疆某水利工程位于山區(qū)河谷地形， 河谷兩岸山高坡陡，存在場地緊缺的問題；通過運用Autodesk Civil 3D 軟件構(gòu)建BIM 模型，快速準確地模擬堆渣方案和并計算堆渣量， 以實現(xiàn)大型棄渣場的規(guī)劃設(shè)計。

1 工程概況

新疆某水利工程等別為I 等工程，工程規(guī)模為大（1）型工程。 工程渣料來源為石方洞挖料和進場道路開挖料，渣料總量約1 062 萬m3。 工程區(qū)地形地貌基本為高山陡坡，海拔高，地面起伏很大，河道兩側(cè)山體雄厚，河谷呈“V”型，谷底狹窄深切，可用場地相當緊缺且面積較小。 工程區(qū)10km 范圍內(nèi)，除有一較大沖洪溝外，其余零星分布洪溝及階地，單片面積不超過3 萬m2，總面積不超過10 萬m2。該處溝道長約1 510m，平均寬約200m，綜合縱坡17.7%，現(xiàn)為3 類草地。綜合分析，棄渣場擬選址于此處沖洪溝內(nèi)。

根據(jù)堆渣量、 堆渣最大高度以及棄渣場失事后對主體工程或環(huán)境造成的危害程度， 結(jié)合表1確定渣場級別。 本工程渣料總量約1 062 萬m3介于1 000 萬m3≤V≤2 000 萬m3之間屬于1 級棄渣場。

表1 棄渣場級別 [1]

2 建模思路

棄渣場堆置要素包括容量、堆渣總高度、臺階高度、平臺高度、綜合坡度和占地面積等。 常規(guī)溝道型棄渣場堆渣型式為堆渣體將溝道全部或部分填埋；溝道內(nèi)棄渣形成與渣頂?shù)雀呔€齊平的平臺，溝口位置按照一定坡度放坡至地面， 高差每隔10m—20m 設(shè)置一道寬度約2m—5m 臺階于坡面。考慮到渣場所處沖溝地形高差大，縱坡長的特點；如果采用常規(guī)溝道型棄渣場堆渣型式， 單一坡面高差大， 不利于堆渣體整體穩(wěn)定且坡面交通布置較為困難。

本工程堆渣型式設(shè)計理念：（1）棄渣前應(yīng)先施工周邊攔擋措施， 同時根據(jù)復(fù)墾要求對棄渣場頂部進行平整碾壓。 按水土保持有關(guān)要求進行表土剝離、后期返還、排水及植被措施等。 （2）計劃渣場內(nèi)部采用梯級堆置方式， 具體表現(xiàn)形式為長度300m，寬200m，高程為2 100m 的渣頂平臺，自渣頂平臺以坡比1/2.5，每15m 設(shè)一級臺階，共設(shè)14級臺階，每級臺階寬度40m，然后按照上述放坡組合型式沿溝道縱坡方向逐級向下放坡至溝口位置。 （3） 為滿足堆棄石渣及后續(xù)牧民轉(zhuǎn)場運輸需要，每級坡面設(shè)置“之”字形道路，道路平均縱坡8%，路面寬7.5m，路基寬8.5m，自溝口可直達溝頭。 （4）為解決沖溝排水需要，后續(xù)隨著設(shè)計過程的深入視情況配套攔洪（壩）及排水（渠、涵等）措施。

結(jié)合設(shè)計理念，利用Autodesk Civil 3D 原有曲面和放坡功能創(chuàng)建三維動態(tài)堆渣體模型及道路。建模主要步驟如下：（1）創(chuàng)建地形曲面；（2）放坡渣體曲面；（3）設(shè)計坡面之字路；（4）創(chuàng)建渣體+道路組合曲面。

3 設(shè)計步驟

（1）創(chuàng)建地形曲面

利用本工程棄渣場初步選址處洪溝1/10 000地形圖。 地形圖范圍以洪溝為中心線，左右圖幅寬度各700—1 000m， 沖溝上下游各500m 左右長度；地形圖高程介于1 780—2 495m 之間；地形圖包含等高線（間隔高程5m）高程點，高程塊等圖形對象。 利用地形圖等高線創(chuàng)建地形曲面，具體操作步驟： 工具空間創(chuàng)建曲面—定義中 “等高線”功能—添加區(qū)域范圍內(nèi)等高線； 定義中 “邊界”功能—添加曲面外部邊界。 利用“對象查看器”可動態(tài)查看棄渣場場址地形檢查準確性。 圖1 為棄渣場場址地形三維效果圖。

圖1 棄渣場場址地形三維效果圖

（2）放坡渣體曲面

1）溝頭處設(shè)置放坡要素線，長度宜長，足以覆蓋溝底寬度；要素線指定高程。

2）由于后續(xù)坡面放坡（坡比1/2.5，高差-15m）+40m 臺階組合型式需逐級實現(xiàn)，數(shù)目多且操作步驟重復(fù)。 因此在工具空間中可預(yù)先設(shè)定放坡規(guī)則：a.新建放坡標準集1—“放坡方法目標”選擇“相對高程”， 初始賦值為-15m—“斜坡投影格式” 選擇“斜率”，初始賦值1/2.5。b.新建放坡標準集2—“放坡方法目標”選擇“距離”，初始賦值為40m—“斜坡投影格式”選擇“斜率”，初始賦值1/99 999，系統(tǒng)默認為“水平”，見圖2。

圖2 放坡規(guī)則設(shè)定

3）開始放坡：首先選中要素線，采用“距離-斜率”的規(guī)則進行放坡，可放置渣頂平臺。 然后交替使用“放坡標準集1”和“放坡標準集2”，逐級放置坡比1/2.5， 高差-15m 的坡面和寬度40m 水平臺階。 至最后一級臺階，選擇要素線采用“曲面-填方坡度” 規(guī)則放坡至地形曲面。 渣體骨架已搭建成功， 創(chuàng)建渣體曲面； 由于要素線范圍超出溝道寬度，需對渣體曲面予以修飾，利用“曲面之間的最小距離” 功能提取地形曲面和渣體曲面三維相交線， 相交線轉(zhuǎn)換成二維多段線作為渣體曲面邊界添加，可以得到完整的渣體曲面。 通過放坡體積工具中基準曲面選擇地形曲面， 放坡曲面選擇渣體曲面，可以查看堆渣體積；初步判斷棄渣場容積是否滿足設(shè)計要求。 若容積不能滿足，需調(diào)整堆渣型式和坡比。

（3）設(shè)計坡面之字路

1）首先渣場各坡面初步擬定路線，通過“從對象創(chuàng)建路線”功能新建道路平面線。

2）道路縱斷面創(chuàng)建過程中，“從曲面創(chuàng)建縱斷面”中選擇渣體曲面，作為路線地形縱斷面；“按布局創(chuàng)建縱斷面”中選擇已創(chuàng)建縱斷面圖，設(shè)計合理的道路縱坡。

3）通過“創(chuàng)建裝配”，確定道路標準橫斷面，設(shè)置行車道、 路肩寬度， 厚度和邊坡開挖填筑型式等。

4）創(chuàng)建道路，依次選擇上述步驟中道路平縱橫，完成道路“骨架”搭建；根據(jù)道路“骨架”新建道路曲面，目標曲面選擇渣體曲面。

（4）創(chuàng)建渣體+道路組合曲面

為了不損壞上述步驟得到的渣體曲面和道路曲面原文件，需新建一個新的曲面，采用“粘貼曲面”的編輯功能，將渣體曲面和道路曲面組合形成最終堆渣曲面。 通過創(chuàng)建體積曲面—“基準曲面”選擇地形曲面，“對照曲面” 選擇組合曲面，“體積面板”即可計算堆渣量；設(shè)計者據(jù)此可判斷該渣場容積是否滿足堆渣需要。

4 建模結(jié)果

利用“對象查看器”可動態(tài)查看各個視角下棄渣場布置情況。 圖3 為棄渣場三維效果圖，圖4 為棄渣場平面效果圖。如圖3，圖4 所示，棄渣場呈梯級分層堆置，每級臺階寬度40m，高差15m，共計14 級；臺階之間以斜坡銜接，斜坡綜合坡度1/2.5，渣頂高程2 100m，最大堆高270m。 坡面上布設(shè)之字道路，除溝口處坡面上道路平面線形由直線，圓曲線要素組合方式， 其余道路均為直線； 道路縱坡≤8%，路基寬度8.5m，路面寬度7.5m。 經(jīng)Autodesk Civil 3D 復(fù)核， 該渣場容積1 078 萬m3，該值大于工程棄渣量1 062 萬m3， 表明該渣場能夠滿足堆渣需求。

圖3 棄渣場三維效果圖

圖4 棄渣場平面效果圖

5 結(jié)論

針對新疆某水利工程棄渣場地緊張問題，結(jié)合棄渣場場址地形和堆存料的性狀特點， 確定渣場內(nèi)部梯級堆置方案，采用Autodesk Civil 3D 軟件建立了完整的渣場模型，結(jié)果表明：

（1） Autodesk Civil 3D 創(chuàng)建BIM 模型能夠快速準確實現(xiàn)設(shè)計理念； 基于三維可視化模型可以直觀認識理解分析地形和堆渣型式， 能夠滿足棄渣場方案設(shè)計的要求。

（2） 運用Autodesk Civil 3D 軟件對棄渣量計算，較二維平面布置和剖面結(jié)合的方法，在時效性和精確度具有較明顯的優(yōu)勢。 □