BIM技術(shù)在港口建設(shè)中的創(chuàng)新應(yīng)用

摘要 為提高BIM技術(shù)在港口建設(shè)中的完善性，提出研究BIM技術(shù)在港口建設(shè)中的創(chuàng)新應(yīng)用。文章以五條航道疏浚工程為研究對(duì)象，使用BIM軟件設(shè)計(jì)3D模型，并使用Autodesk Civil 3D軟件協(xié)助設(shè)計(jì)，利用Civil 3D的對(duì)象功能實(shí)現(xiàn)智能化的參數(shù)化設(shè)計(jì)；首先介紹了Civil 3D計(jì)算流程，包括建立地形曲面、航道線(xiàn)布置、縱斷面設(shè)計(jì)、橫斷面設(shè)計(jì)以及建立模型導(dǎo)出工程量及圖紙；然后結(jié)合案例對(duì)比分析Civil 3D斷面法和傳統(tǒng)斷面法對(duì)開(kāi)挖工程量的計(jì)算，結(jié)果差值百分比均低于2%，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。研究表明，應(yīng)用Civil 3D斷面法計(jì)算航道疏浚中的開(kāi)挖工程量，不僅準(zhǔn)確性高、計(jì)算快速，還可根據(jù)方案的調(diào)整立即更改設(shè)計(jì)并導(dǎo)出工程量的計(jì)算結(jié)果。

關(guān)鍵詞 BIM技術(shù)；Civil 3D；港口建設(shè)；航道疏浚；工程量計(jì)算

中圖分類(lèi)號(hào) U616 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）17-0186-03

0 引言

BIM全稱(chēng)為building information modeling，即建筑信息模型。它是一種三維模型，創(chuàng)建的基礎(chǔ)信息是工程項(xiàng)目所包含的相關(guān)信息數(shù)據(jù)。該模型的核心是將數(shù)據(jù)模型化，并在不同階段和不同主體之間進(jìn)行相互傳遞[1]。通過(guò)所建的建筑信息模型為項(xiàng)目策劃、設(shè)計(jì)、施工以及運(yùn)維的全生命周期過(guò)程提供有效參考，為項(xiàng)目工程各階段的順利進(jìn)行提供數(shù)據(jù)支撐。Autodesk Civil 3D作為一款專(zhuān)注于土木工程設(shè)計(jì)與文檔制作的建筑信息模型（BIM）工具，是Autodesk公司在基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)提供的一款功能強(qiáng)大的多領(lǐng)域一體化3D設(shè)計(jì)軟件[2]。它在多個(gè)領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，包括勘測(cè)測(cè)繪、地下管網(wǎng)布局以及土地規(guī)劃等。這款軟件能夠?qū)y(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)的分析與記錄，幫助用戶(hù)創(chuàng)建精細(xì)的三維地形模型，并能夠?qū)Ω鞣N道路和航道進(jìn)行線(xiàn)路設(shè)計(jì)，從而大幅提升土木工程的設(shè)計(jì)效率與質(zhì)量。

該文以港口建設(shè)中的航道疏浚項(xiàng)目為研究對(duì)象，對(duì)疏浚工程的開(kāi)挖土方量進(jìn)行計(jì)算。在港口建設(shè)的航道疏浚工程中，運(yùn)用BIM設(shè)計(jì)軟件以創(chuàng)建精確的3D設(shè)計(jì)模型，同時(shí)輔以Autodesk Civil 3D軟件輔助設(shè)計(jì)過(guò)程。鑒于航道疏浚工程特有的線(xiàn)性特點(diǎn)，設(shè)計(jì)方案往往需經(jīng)歷多次的調(diào)整與優(yōu)化。傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)方法在處理這類(lèi)變更時(shí)，不僅計(jì)算過(guò)程煩瑣、易錯(cuò)，而且耗時(shí)較長(zhǎng)。因此，引入Autodesk系列BIM軟件，可以顯著提升航道疏浚設(shè)計(jì)流程的完善度。通過(guò)充分利用Civil 3D的對(duì)象功能，實(shí)現(xiàn)智能化和參數(shù)化的設(shè)計(jì)，從而大大提高設(shè)計(jì)效率與準(zhǔn)確性。

1 Civil 3D計(jì)算流程

在Civil 3D軟件中，土方量的計(jì)算通常運(yùn)用三種主要方法：曲面體積法、放坡體積法以及斷面面積法。其中，曲面體積計(jì)算法是通過(guò)構(gòu)建至少兩個(gè)曲面，然后比較這些曲面之間的體積差異，從而得出土方量[3]。而放坡體積計(jì)算法則是一種靈活調(diào)整土方量的手段，利用專(zhuān)門(mén)的放坡體積工具，可以迅速調(diào)整曲面的高度，以滿(mǎn)足工程需求。

至于斷面面積法，它特別適用于像道路、航道這樣的橫向帶狀工程，其計(jì)算原理與傳統(tǒng)的斷面面積法相吻合。在該文中，采用橫斷面面積法進(jìn)行計(jì)算。基于Civil 3D軟件的航道疏浚工程量的計(jì)算流程具體如圖1所示：

圖1 基于Civil 3D軟件的航道疏浚工程量計(jì)算流程圖

1.1 建立地形曲面

在創(chuàng)建之前，首要任務(wù)是對(duì)獲取的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，確保這些數(shù)據(jù)能夠轉(zhuǎn)換為三維高程地形曲面。利用Autodesk Civil 3D這一強(qiáng)大的軟件工具，可以輕松應(yīng)對(duì)各種格式的數(shù)據(jù)，包括XYZ數(shù)據(jù)、CAD圖塊以及DEM數(shù)據(jù)等，進(jìn)而創(chuàng)建出精確的地形曲面。當(dāng)進(jìn)行港口建設(shè)的水道疏浚設(shè)計(jì)時(shí)，通常會(huì)使用DWG格式的深度圖作為工作基礎(chǔ)[4]。這些深度圖的測(cè)量數(shù)據(jù)可通過(guò)專(zhuān)門(mén)的插件轉(zhuǎn)換為高程數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為XYZ格式的數(shù)據(jù)集。隨后，這些數(shù)據(jù)集將被導(dǎo)入到Civil 3D軟件中，用以構(gòu)建地形曲面。得益于地形曲面的三維可視化特性，能夠直觀地檢測(cè)測(cè)量數(shù)據(jù)是否存在異常。圖形查看器能夠迅速反映出異常點(diǎn)的位置，從而直接對(duì)這些異常點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。這一過(guò)程如圖2所示：

圖2 水深地形圖

1.2 航道線(xiàn)布置

航道線(xiàn)的規(guī)劃涵蓋了左邊線(xiàn)、右邊線(xiàn)以及關(guān)鍵的航道中心線(xiàn)的設(shè)置。在Civil 3D軟件中，創(chuàng)建航道中心線(xiàn)的過(guò)程可以利用其路線(xiàn)功能完成。具體地，操作時(shí)可以選擇“創(chuàng)建對(duì)象路線(xiàn)”或者“創(chuàng)建路線(xiàn)工具”生成中心線(xiàn)。對(duì)于那些需要將原有的連續(xù)多段航道線(xiàn)轉(zhuǎn)化為航線(xiàn)對(duì)象的情況，通常會(huì)采用“從對(duì)象創(chuàng)建航線(xiàn)”的功能，這一功能在維護(hù)性疏浚工程中尤為常見(jiàn)。而在其他的航道項(xiàng)目中，更多的是直接使用“路線(xiàn)創(chuàng)建工具”，首先設(shè)定好航道的彎曲半徑，然后布置出航道中心線(xiàn)。值得一提的是，Civil 3D軟件能夠自動(dòng)按照預(yù)設(shè)的樣式排列航道線(xiàn)的樁號(hào)，并且在需要調(diào)整航道線(xiàn)時(shí)，樁號(hào)也能相應(yīng)地作出調(diào)整。至于航道左、右邊線(xiàn)的布置，可以選擇“偏移路線(xiàn)”這一功能。在生成航道的左、右兩條航線(xiàn)時(shí)，首先選定航道中心線(xiàn)作為基準(zhǔn)，然后軟件會(huì)根據(jù)設(shè)定的偏移量自動(dòng)生成這兩條航線(xiàn)。根據(jù)實(shí)際需求，可以在航線(xiàn)生成后進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整，以改變航線(xiàn)的寬度尺寸。

1.3 縱斷面設(shè)計(jì)

完成地形曲面和航道線(xiàn)的創(chuàng)建工作后，進(jìn)一步構(gòu)建“曲面縱斷面”，并生成縱斷面圖。在這個(gè)縱斷面圖上，繪制“設(shè)計(jì)縱斷面”，它起到控制航道設(shè)計(jì)底部高程的關(guān)鍵作用。相較于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)軟件，Civil 3D軟件展現(xiàn)出了更高的設(shè)計(jì)準(zhǔn)確率和更靈活的運(yùn)用性。在進(jìn)行縱斷面設(shè)計(jì)時(shí)，該軟件可以根據(jù)實(shí)際地形和需要，自由繪制各種形狀，無(wú)論是階梯形狀、傾斜線(xiàn)段還是其他復(fù)雜形態(tài)，都能輕松實(shí)現(xiàn)。這種靈活性大大提高了設(shè)計(jì)的效率和精度，使得航道設(shè)計(jì)更加符合實(shí)際需求和工程標(biāo)準(zhǔn)。

1.4 橫斷面設(shè)計(jì)

按照《疏浚與吹填工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS 181—5—2017）要求，對(duì)該文創(chuàng)建的航道疏浚工程，采用斷面面積法進(jìn)行開(kāi)挖工程量計(jì)算，其計(jì)算公式如下：

V=A0+A1 2 L1+A1+A2 2 L2+…+An?1+A1 2 Ln （1）

式中，V——開(kāi)挖斷面的工程量（m3）；A0、A1、A2、…An——第n個(gè)斷面上的疏浚面積（m2）；Ln——第n個(gè)斷面與第n-1個(gè)斷面間的間距（m）。根據(jù)規(guī)范規(guī)定的斷面面積法算量規(guī)則，Civil 3D軟件在道路對(duì)象即生成的航道模型時(shí)，會(huì)沿著路線(xiàn)對(duì)象即航道中心線(xiàn)，按照縱斷面線(xiàn)及橫斷面進(jìn)行運(yùn)算。

在進(jìn)行橫斷面創(chuàng)建時(shí)，通過(guò)繪制流程圖的方式，可以選擇Civil 3D軟件中自帶的SAC（全稱(chēng)Subassembly Composer）組件編輯器，以其可視化的軟件界面和圖形交互的形式創(chuàng)建自定義組件[5]。創(chuàng)建部件這一步是應(yīng)用Civil 3D軟件，進(jìn)行包括設(shè)計(jì)底部高程、設(shè)計(jì)邊坡、超寬超深、導(dǎo)航水位標(biāo)注文字位置參數(shù)等在內(nèi)的航道疏浚設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)參數(shù)相對(duì)復(fù)雜、設(shè)計(jì)規(guī)范要求、邏輯清晰。

在創(chuàng)建橫斷面部件時(shí)，部件編輯器提供了一個(gè)直觀、簡(jiǎn)便的方法，其上手難度低且計(jì)算精準(zhǔn)，能夠有效避免煩瑣的二次開(kāi)發(fā)流程。然而，它在實(shí)際應(yīng)用中可能受限于特定的場(chǎng)景，尤其是當(dāng)泥面線(xiàn)高于設(shè)計(jì)底部高程且需要避免交叉時(shí)。為克服這一局限，可以借助.NET語(yǔ)言進(jìn)行橫斷面部件的開(kāi)發(fā)。利用Civil 3D軟件的.NET API接口，可以編寫(xiě)自定義的橫斷面部件。這一過(guò)程主要涉及對(duì)GetLogicalNamesImplement、GetInputParametersImplement、GetOutputParametersImplement和DrawImplement等關(guān)鍵方法的重新編寫(xiě)，從而確保橫斷面部件的精確繪制與靈活，以適應(yīng)不同的設(shè)計(jì)需求。這種方法不僅擴(kuò)展了橫斷面部件的應(yīng)用范圍，也提高了其在復(fù)雜工程場(chǎng)景中的適用性。其具體步驟如下：

（1）首先，需要明確輸入和輸出的參數(shù)定義，從而確立邏輯目標(biāo)，為后續(xù)操作提供清晰的指導(dǎo)。

（2）接下來(lái)，繪制部件的默認(rèn)外觀，確保其在視覺(jué)呈現(xiàn)上符合設(shè)計(jì)要求。

（3）為了獲取設(shè)計(jì)斷面與地形曲面的交點(diǎn)，選用Profile類(lèi)進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)算，為后續(xù)的斷面分析提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

（4）基于交點(diǎn)信息生成封閉的多段線(xiàn)，進(jìn)而計(jì)算出斷面的疏浚面積。

（5）最后，將上述功能封裝成.apk文件，方便發(fā)布和分享，使得其他用戶(hù)也能輕松地使用這些功能。

此外，部件參數(shù)明細(xì)已詳細(xì)展示在圖3中，以供參考。

圖3 航道疏浚創(chuàng)建斷面部件參數(shù)明細(xì)

1.5 建立模型導(dǎo)出工程量及圖紙

在利用Civil 3D軟件進(jìn)行自動(dòng)開(kāi)挖工程量計(jì)算之前，首先將完成的地形曲面、縱斷面以及疏浚斷面的關(guān)鍵要素輸入到工程設(shè)計(jì)參數(shù)中。隨后，基于這些輸入信息，軟件將生成一個(gè)道路模型。在模型創(chuàng)建完畢后，可以進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行精細(xì)化設(shè)置，包括圖框的確定、標(biāo)注的添加、字體的選擇以及截面樣式的定義等。如果設(shè)計(jì)方案需要進(jìn)行調(diào)整或更改，只需直接在對(duì)應(yīng)的參數(shù)或航道線(xiàn)上進(jìn)行操作即可。Civil 3D軟件的強(qiáng)大功能允許實(shí)時(shí)查看調(diào)整后的效果，并快速生成新的道路模型。同時(shí)，隨著模型的更新，相關(guān)的設(shè)計(jì)圖紙也會(huì)自動(dòng)導(dǎo)出，以確保工作的連貫性和效率。隨著設(shè)計(jì)方案的調(diào)整，由此產(chǎn)生的工程量變化也會(huì)被Civil 3D軟件自動(dòng)更新和計(jì)算。完工道路的模型圖如圖4所示：

圖4 完工道路的模型圖

2 工程實(shí)例分析

該文以五條航道為例進(jìn)行分析，其中有三條為沿海航道、兩條為內(nèi)河航道，分別為沿海航道A、沿海航道B、沿海航道C、內(nèi)河航道a以及內(nèi)河航道b。計(jì)算疏浚工程的土方量，在工程設(shè)計(jì)與施工環(huán)節(jié)中扮演著至關(guān)重要的角色，因此對(duì)場(chǎng)地高程計(jì)算數(shù)據(jù)的數(shù)量和質(zhì)量要求都相當(dāng)嚴(yán)格。盡管當(dāng)前市場(chǎng)上已經(jīng)存在如HTCAD、CASS等土方計(jì)算軟件，用于估算土方工程量，但這些軟件大多僅在計(jì)算方式的多樣性上有所增強(qiáng)，而在數(shù)據(jù)的篩選、計(jì)算的精確度以及3D模型的支持等方面仍存在一些不足之處，有待進(jìn)一步完善和優(yōu)化。航道疏浚模型的創(chuàng)建采用了該文研究的Civil 3D斷面面積法，然后將開(kāi)挖工程量從模型中提取出來(lái)，并對(duì)比傳統(tǒng)軟件獲得的工程量結(jié)果。所創(chuàng)建的航道疏浚模型如圖5和圖6所示：

以下是沿海航道A、B、C以及內(nèi)河航道a、b在工程量方面的相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)比：

對(duì)于沿海航道A：設(shè)計(jì)斷面工程量略有下降，從1 954 572.7減少至1 954 426.9，變動(dòng)率為?0.01%，屬于基建性工程；超寬超深工程量下降了2.89%，從568 567.5減少至552 113；計(jì)算的斷面工程量同樣有小幅下降，從2 523 140.2減少至2 506 539.9，變動(dòng)率為?0.66%，同樣屬于基建性工程。

對(duì)于沿海航道B：設(shè)計(jì)斷面工程量有微小的上升，從1 466 892.3增加至1 468 012.5，變動(dòng)率為0.08%，屬于基建性工程；超寬超深工程量下降了1.73%，從374 913.5減少至368 440.8；計(jì)算的斷面工程量下降了0.29%，從1 841 805.8減少至1 836 453.3，同樣屬于基建性工程。

對(duì)于沿海航道C：設(shè)計(jì)斷面工程量有小幅上升，從248 269.8增加至249 519.4，變動(dòng)率為0.50%，屬于維護(hù)性工程；超寬超深工程量下降了2.53%，從113 659.1減少至110 785.3；計(jì)算的斷面工程量下降了0.45%，從361 928.9減少至360 304.7，同樣屬于維護(hù)性工程。

對(duì)于內(nèi)河航道a：設(shè)計(jì)斷面工程量略有上升，從50 784.3增加至50 835.4，變動(dòng)率為0.10%，屬于維護(hù)性工程；超寬超深工程量下降了2.51%，從56 034.9減少至54 628.6；計(jì)算的斷面工程量下降了1.27%，從106 819.2減少至105 464。

對(duì)于內(nèi)河航道b：設(shè)計(jì)斷面工程量有微小的上升，從19 680.5增加至19 723.3，變動(dòng)率為0.22%，屬于維護(hù)性工程；超寬超深工程量上升了1.69%，從27 785.3增加至28 256.1；計(jì)算的斷面工程量上升了1.08%，從47 465.8增加至47 979.4。

從上述數(shù)據(jù)中可以看出，利用Civil 3D 斷面法與傳統(tǒng)軟件分別計(jì)算出的5條通道開(kāi)挖工程量差值均在2%以?xún)?nèi)，分別為0.02%、0.12%、1.46%、0.79%、0.34%，符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求。其中，設(shè)計(jì)斷面的工程量差值在0.50%以下，超寬超深的工程量差值在3.00%以下。不管是對(duì)于開(kāi)挖深度較大的基建性疏浚工程，還是開(kāi)挖深度較小的維護(hù)性疏浚工程，Civil 3D斷面法在這兩方面都體現(xiàn)出良好的適用性。

3 總結(jié)

使用Civil 3D軟件對(duì)兩個(gè)不規(guī)則曲面進(jìn)行計(jì)算，相對(duì)于傳統(tǒng)的CAD挖方計(jì)算方法而言，具有更加便捷、靈活、直觀且精確的優(yōu)勢(shì)。Civil 3D軟件的運(yùn)用不僅簡(jiǎn)化了計(jì)算過(guò)程，還提高了計(jì)算結(jié)果的精度，使得工程師能夠更直觀地理解和處理曲面數(shù)據(jù)，從而提升了整個(gè)工程設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量。該文結(jié)合案例進(jìn)行分析對(duì)比，結(jié)果進(jìn)一步證明Civil 3D軟件在航道疏浚工程中開(kāi)挖工程量的計(jì)算方面起到很重要的作用。

參考文獻(xiàn)

[1]夏璐一.淺析BIM技術(shù)在港口工程中的作用[J].中文科技期刊數(shù)據(jù)庫(kù)（全文版）工程技術(shù)，2021（3）：2.

[2]王杰，范志旺，李權(quán)鋒.BIM技術(shù)在深圳某港口道路與堆場(chǎng)工程施工中的應(yīng)用[J].四川建材，2023（7）：169-171.

[3]閆曉敏.Civil 3D在港區(qū)工程量計(jì)算中的應(yīng)用[J].海岸工程，2019（2）：115-123.

[4]王偉，楊志.BIM技術(shù)在內(nèi)河航道設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].水運(yùn)工程，2019（7）：193-197+236 .

[5]王展，姜月菊，于藝林，等.Autodesk Civil 3D軟件在復(fù)雜斷面結(jié)構(gòu)建模中的應(yīng)用[J].施工技術(shù)，2018（S1）：1524-1526.