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水工建筑物基础开挖设计中Civil3D软件的应用

2021-08-09 363 上传者：管理员

摘要：文章以某工程水工建筑物的基础开挖设计为例,介绍了如何利用Civil3D软件的创建曲面、放坡、体积计算等功能,通过添加辅助要素线,调整要素线各点的高程值等方法,对工程中地质分层、体型结构较为复杂的水工建筑物基础进行边坡开挖、土石方量计算的设计,同时生成三维模型。

关键词：
Civil3D软件
三维建模
土方开挖
水利工程
水工建筑物
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1、项目概况

本例水工建筑物为某调水工程的稳流连接池，其上游接无压隧洞，下游接PCCP供水管，左侧设一溢流堰溢流事故水量。稳流连接池总长104m，最大宽度24.5m，分为渐变段、沉砂池段、退水段、事故闸段、旋转滤网段、集水池1～4段。该建筑物所处位置为丘陵区，地层由上到下分为2层，上层为第四系上更新统坡积冲积层(Q3dl+al)，岩性为低液限粘土，厚2.9～5.5m。下部地层为侏罗系上统宝石组(J3b)，岩性主要为凝灰岩，深度大于20m。建筑物底板置于凝灰岩基础上，岩石开挖边坡采用1∶0.75，土质开挖边坡采用1∶1.5。

该设计难点在于:建筑物形状复杂无规律且体量较大，左侧设有溢流设施，下游接供水管道。建筑物基础并非一个水平平面，基础上、下游高程有落差，且因稳定要求，建筑物设有齿槽。开挖时，不同地层开挖边坡不同，且地层厚度有起伏。建筑物开挖边界转角较多，宽度不一致，多处突变条件复杂。这些都对软件自动生成边坡造成影响，容易导致错误的产生。

2、设计思路框图

设计思路，见图1。

3、基础开挖设计的具体步骤和方法

3.1 设计所需数据的收集

本例使用数据包括建筑物所处位置的测绘地形图、地质勘测的地质分层数据(本例使用地质钻孔剖面图)以及建筑物结构图。

3.2 创建表面地形和地质土石方分层曲面

曲面是Civil3D中大多数设计任务的基本要素，为了形成建筑物基础开挖实体，首先需要将工程实地测量的地形数据(包括等高线、高程点等)和由地勘提供的建筑物基础的地质分层数据处理成为曲面形式:在软件中用创建曲面命令新建两个曲面，分别命名为原始地形和地质分层。建筑物基础开挖设计要求岩基开挖边坡1∶0.75，土基开挖边坡1∶1.5，因此把地质分层曲面设定为岩层与土层的分界。

原始地形曲面是通过工具空间的浏览面板中的曲面定义为曲面添加等高线或高程点数据(地形图的高程点通常以块的形式存在，添加图形对象即可)。地质分层曲面是根据地勘提供的地质剖面图和钻孔图，通过提取钻孔岩层顶部的高程数据，形成点文件后再由曲面定义导入添加。至此，Civil3D便可将勘测数据转化成为三角形曲面，见图2、图3。

3.3 建筑物基础开挖线的处理

使用软件的放坡功能，还需从建筑物结构图中提取结构的基础开挖线，转化成放坡所需要素线，为要素线拐点赋予底面高程值，并向外平移1m，留出工作面，即为放坡要素线。在整个开挖边坡的建模设计中，这一步骤非常重要，本例中的水工建筑物，上下游基础面有高程差，底部设有齿墙，旁侧连接有泄槽段，整体结构型式相对复杂。要素线处理不当，对放坡结果影响较大，具体做法是:选中要素线，在菜单面板编辑高程中选择高程编辑器，按照建筑物基础高程编辑要素线拐点高程。编辑高程完成后，还需对要素线进行优化，根据情况添加辅助要素线，见图4、图5、图6。

3.4 开挖面放坡

由于本例工程地质情况为上部土层下部岩层，按照不同的边坡比例设计，分别计算土层及岩层的开挖方量，因此，设计定义2个放坡组，分别命名为石方开挖和土方开挖。软件要求基础要素线与放坡组应在同一场地内。

按照由下至上的顺序，首先进行岩石开挖放坡，如果基础面比较复杂，Civil3D在执行放坡命令时可能会出现对话框询问是否进行顶点消除，目的是对要素线进行简化以利于生成放坡，本例中要素线的拐点高程都经过事先设置，此处对话框中应选择“继续从没有进行顶点消除的要素线放坡”。命令运行后生成岩石开挖放坡，完成后继续执行创建放坡填充命令，将岩石边坡与基础面合为一体。

继续生成上一层的土方开挖放坡时，因土质地层位于上部，不需进行放坡填充，此处需注意的是，因为建筑物结构的复杂性，有些位置的放坡结果不理想，使边坡看起来不自然或是不符合设计要求，则应继续修正基础要素线的拐点。每一次修正后，放坡模型会根据更新的数据自动刷新，可视性较强，修正至符合要求即可。见图7、图8。

3.5 开挖方量体积计算

放坡完成后，即可进行开挖体积计算，因为要实现土方量和石方量的分层计算，还应执行菜单下的裁剪命令和粘贴曲面命令，将土方开挖的放坡曲面与地质分层曲面粘贴。

执行分析菜单下的体积面板工具，分别选择做过曲面粘贴的土方开挖放坡曲面和石方开挖放坡曲面，创建生成土方体积曲面和石方体积曲面，然后执行分析，即可生成石方和土方的开挖回填报告，见图9。传统计算与Civil3D建模计算对比，见表1。

由表1可以看出，使用传统方法计算的土、石方开挖量与使用三维建模生成体积量存在约15%的总量差。

(1) 传统计算方法使用二维等高线地形图摘取断面形式绘制开挖线，误差大小受地形图精度高低和建筑物结构形式的制约。

(2) 使用建模方法计算，在遇到建筑物结构线较为复杂(如存在锐角的情况)时需要局部调整要素线的距离，适当放量确保能够生成正确的放坡，因此，计算结果偏大。

(3) 本工程中地质钻孔数量较少，只在建筑物中轴线上有钻孔剖面图，无论是使用传统方法摘取断面或是三维建模方法生成地质分层曲面，其精度都不高，也会导致计算结果误差较大。

综上所述，只要提高原始资料的精确度，三维建模则是一种较为有效的开挖量计算方法。

4、总结

通过实例总结，利用Civil3D软件进行开挖方量计算时，对原始数据的处理步骤相对繁琐，但是后期的建模及计算则非常便利，能够节省大量的计算过程及时间，生成的三维模型可视化强，易于纠错。在实际工作中，还可与其它专业软件协同完成后续的设计工作，例如结合由Revit等软件创建的建筑物结构模型，进行土石方回填量的计算，生成结构剖面，最终完成工程图纸的出版。

文章来源：钟懿,钟重.Civil3D软件在水工建筑物基础开挖设计中的应用[J].内蒙古水利,2021(07):43-45.