基于GEOPAK Site在南新涇泵閘工程中三維場(chǎng)地設(shè)計(jì)應(yīng)用的思考

張海麗，張 群，王紅霞

（上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200080）

1 問題的提出

采用常規(guī)的二維方法進(jìn)行工程項(xiàng)目的場(chǎng)地挖填設(shè)計(jì)是相當(dāng)繁瑣復(fù)雜的工作，不僅需要設(shè)計(jì)者較強(qiáng)的三維空間想象能力，而且反復(fù)修改圖紙及多次計(jì)算挖填方量的工作量巨大，嚴(yán)重影響設(shè)計(jì)效率。相對(duì)而言，GEOPAK Site具有強(qiáng)大且豐富的三維場(chǎng)地設(shè)計(jì)功能，能快速地建立三維場(chǎng)地模型；高效地處理地形挖填并自動(dòng)地統(tǒng)計(jì)相應(yīng)的工程量；同時(shí)可以立體直觀地展示地形挖填的三維效果；并且可以根據(jù)施工組織進(jìn)度計(jì)劃動(dòng)態(tài)地模擬施工進(jìn)度，實(shí)現(xiàn)了三維場(chǎng)地設(shè)計(jì)的全程服務(wù)，顯著地提高了設(shè)計(jì)效率與質(zhì)量[1-4]。

GEOPAK Site是Bently公司旗下的一款專業(yè)進(jìn)行三維場(chǎng)地設(shè)計(jì)的軟件，它擁有一套功能完善且作用強(qiáng)大的三維場(chǎng)地設(shè)計(jì)工具，可以廣泛適用于各類工程的場(chǎng)地設(shè)計(jì)、挖填方量統(tǒng)計(jì)、施工進(jìn)度模擬。基于三角網(wǎng)算法自動(dòng)生成的場(chǎng)地挖填設(shè)計(jì)，顯著減少設(shè)計(jì)人員繪制二維地形挖填圖的壓力；自動(dòng)精確地統(tǒng)計(jì)挖填方量，為提供精準(zhǔn)報(bào)價(jià)打下扎實(shí)基礎(chǔ)；施工進(jìn)度模擬的三維演示，為更好地展示工程設(shè)計(jì)意圖提供便利。

2 工程概況

南新涇泵閘工程位于上海市閔行區(qū)的市區(qū)，等別為I等工程，其工程內(nèi)容為新建1座凈寬12.0 m的南新涇水閘與1座流量40 m3/s的單向排澇泵站。泵閘采用“泵+閘”單邊布置的方式，擬建水閘布置在西側(cè)，泵站布置在河道東側(cè)，安裝檢修間布置在泵房東側(cè)，長8.5 m，滿足1臺(tái)機(jī)組的檢修需要。本工程西岸為民居密集區(qū)，東岸為市政道路，沿線地下有市政管線通過，基坑無放坡開挖空間，需采取基坑圍護(hù)措施，以減少對(duì)周邊建筑的影響。經(jīng)綜合考慮各種因素，本工程基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁結(jié)合樁后設(shè)置止水帷幕的圍護(hù)型式[5]。

本文基于GEOPAK Site對(duì)南新涇泵閘工程進(jìn)行三維場(chǎng)地設(shè)計(jì)，并自動(dòng)統(tǒng)計(jì)相應(yīng)的挖填方量，動(dòng)態(tài)模擬三維場(chǎng)地設(shè)計(jì)的施工進(jìn)度。整個(gè)工作過程相對(duì)于傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)方法省時(shí)省力，成果更能滿足工程設(shè)計(jì)需求。

3 GEOPAK Site三維場(chǎng)地設(shè)計(jì)功能在南新涇泵閘工程的應(yīng)用

基于GEOPAK Site三維場(chǎng)地設(shè)計(jì)功能在南新涇泵閘工程應(yīng)用的主要流程有:①采用GEOPAK Site的Extract、Build、Load命令將初始的地形數(shù)據(jù)（包括文本數(shù)據(jù)、地形圖等多種數(shù)據(jù)格式）生成三維數(shù)字地面模型；②以三維數(shù)字地面模型作為基礎(chǔ)資料，用Site Modeler工具組對(duì)基礎(chǔ)地形進(jìn)行挖填高程、范圍、邊坡設(shè)計(jì)；③設(shè)計(jì)方案分析及優(yōu)化；④用GEOPAK Site的統(tǒng)計(jì)工具自動(dòng)進(jìn)行挖填方量計(jì)算；⑤用Animation工具組模擬場(chǎng)地挖填設(shè)計(jì)及基坑圍護(hù)模型的施工進(jìn)度安排。

3.1 三維場(chǎng)地模型建立

根據(jù)南新涇泵閘地形資料（dwg格式），通過GEOPAK Site提取地形總圖上的高程點(diǎn)，再將該圖上的高程點(diǎn)轉(zhuǎn)換成三維數(shù)字地面模型（tin格式）[6]（見圖1）。同時(shí)用Bently旗下的AECOsim Building Designer建立南新涇泵閘主體工程的三維模型及基坑圍護(hù)模型，以便后續(xù)模型的拼接、互相校核及施工進(jìn)度模擬。

圖 1 三維數(shù)字地面模型圖

在三維場(chǎng)地模型建立過程中，有以下特點(diǎn):①Autocad不存在單位概念，一般的cad地形總圖默認(rèn)以1個(gè)尺寸表示1 m長度，而GEOPAK Site存在單位設(shè)置，因此需要在轉(zhuǎn)換三維數(shù)字地面模型之前將GEOPAK Site的圖形單位設(shè)置成“m”，以避免模型轉(zhuǎn)換及拼接的單位誤差；②由于地形的高程點(diǎn)數(shù)據(jù)眾多，個(gè)別數(shù)據(jù)可能存在數(shù)量級(jí)的誤差，而三維場(chǎng)地模型的精度及合理性主要取決于地形數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，所以設(shè)計(jì)者務(wù)必要仔細(xì)核查三維場(chǎng)地模型，對(duì)于不合理的數(shù)據(jù)一定要及時(shí)修改處理。

3.2 場(chǎng)地挖填設(shè)計(jì)

依據(jù)建筑物的規(guī)劃選址，在三維場(chǎng)地模型對(duì)應(yīng)的位置分別建立相應(yīng)的建筑物底部邊界（淀浦河防沖槽、淀浦河海漫段、淀浦河消力池、淀浦河出水池、閘室、泵房、南新涇進(jìn)水池、南新涇消力池、南新涇海漫段、南新涇漸變段、南新涇防沖槽、南新涇側(cè)圍堰、淀浦河側(cè)圍堰），利用GEOPAK Site軟件的場(chǎng)地設(shè)計(jì)模塊，分別對(duì)工程區(qū)域底部邊界賦予設(shè)計(jì)高程，并按照設(shè)計(jì)原則，選擇合適的挖填坡比進(jìn)行挖填設(shè)計(jì)。因?yàn)楸竟こ痰幕訃o(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁結(jié)合樁后設(shè)置止水帷幕的圍護(hù)型式，故南新涇泵閘工程均采用垂直挖填。場(chǎng)地設(shè)計(jì)基面見圖2，基坑維護(hù)模型及建筑物主體模型見圖3，場(chǎng)地挖填模型見圖4。

圖 2 場(chǎng)地設(shè)計(jì)基面圖

圖3 基坑圍護(hù)模型及建筑物主體模型圖

圖 4 場(chǎng)地挖填模型圖

在場(chǎng)地挖填設(shè)計(jì)中，有以下特點(diǎn):①分別對(duì)不同建筑物的設(shè)計(jì)基面賦予相應(yīng)的設(shè)計(jì)高程，然后按照設(shè)計(jì)坡度進(jìn)行放坡，其中不同建筑物的挖填順序應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況，利用Model→Edit→FIFO命令手動(dòng)調(diào)整先后順序，直至完成所有建筑物的場(chǎng)地挖填設(shè)計(jì)；②在建模過程中，不僅可以實(shí)時(shí)旋轉(zhuǎn)所建模型，而且可以利用Analysis中的Prof i le命令切取任意剖面，以核查是否建模有誤；同時(shí)參考南新涇泵閘的基坑圍護(hù)模型、建筑物主體模型，互相檢查校核平面位置是否嵌合，底部高程是否一致。

3.3 挖填方量統(tǒng)計(jì)

在確認(rèn)三維場(chǎng)地設(shè)計(jì)無誤后，利用Analysis中的Volumes命令迅速精確地獲取相應(yīng)的挖填方量，該量可以是原地面到不同建筑物的局部工程量，也可以是原地面至三維場(chǎng)地設(shè)計(jì)模型的整體工程量，同時(shí)也可分高程得到分階段的工程量。相對(duì)于傳統(tǒng)的二維計(jì)算方法，GEOPAK Site的自動(dòng)統(tǒng)計(jì)挖填方量功能無論在計(jì)算速度方面還是在結(jié)果精度層面均有著無與倫比的優(yōu)勢(shì)，本工程的各部位挖填方量的自動(dòng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表 1 南新涇泵閘工程挖填方量表

3.4 施工進(jìn)度模擬

南新涇泵閘工程的場(chǎng)地設(shè)計(jì)、基坑圍護(hù)及建筑物主體澆筑按照以下順序進(jìn)行施工:施工圍護(hù)鉆孔灌注樁→高壓旋噴樁（樹根樁）→圍堰施工→基坑抽水→東岸基坑開挖至1.50 m高程（西岸回填至1.50 m高程）→施工基礎(chǔ)處理鉆孔灌注樁（含施工雙軸水泥攪拌樁）→第一道混凝土支撐→基坑開挖至0.60 m高程→第二道鋼管支撐→基坑開挖至-1.90 m高程→第三道鋼管支撐→基坑開挖到設(shè)計(jì)底高程→施工泵站底板→拆除第三道鋼管支撐→施工泵站墩墻、水閘底板→拆除第二道鋼管支撐→施工上部結(jié)構(gòu)→拆除第一道混凝土支撐[5]。

將三維場(chǎng)地設(shè)計(jì)模型可視化轉(zhuǎn)成dgn格式后，與基坑圍護(hù)模型及建筑物主體模型merge成一體，按照上述施工進(jìn)度計(jì)劃進(jìn)行施工進(jìn)度模擬，形成三維動(dòng)態(tài)視頻，以便立體直觀地展示施工意圖和效果。

4 結(jié) 語

本文基于專業(yè)的三維場(chǎng)地設(shè)計(jì)軟件GEOPAK Site，快速地生成三維地形模型，并進(jìn)行挖填設(shè)計(jì)得到連續(xù)完整的開挖邊界，以減少工程施工對(duì)周邊環(huán)境的影響；同時(shí)基于軟件自動(dòng)統(tǒng)計(jì)挖填方量的功能，為工程施工挖填方量準(zhǔn)確報(bào)價(jià)提供依據(jù)；最后根據(jù)工程施工組織進(jìn)度設(shè)計(jì)，完成挖填施工模擬，以指導(dǎo)后期施工，減少施工安全事故。

4.1 優(yōu) 點(diǎn)

GEOPAK Site是BIM技術(shù)大力推廣的強(qiáng)有力后盾，其主要的優(yōu)點(diǎn)如下:

（1）立體直觀的三維模型相比扁平抽象的二維圖形，在加強(qiáng)理解方面、向外展示方面有著與生俱來的優(yōu)勢(shì)，而且設(shè)計(jì)三維化也是目前的趨勢(shì)所在。

（2）顯著地減少了傳統(tǒng)CAD二維地形挖填圖的繪制與修改的工作量；相對(duì)于Powercivil，其更能適應(yīng)復(fù)雜情況的場(chǎng)地設(shè)計(jì)，功能更強(qiáng)大。

（3）它的聯(lián)動(dòng)修改功能，避免由于設(shè)計(jì)變更或者個(gè)人失誤而造成的返工工作量。

（4）利用GEOPAK Site不同放坡比例可以快速比較各方案的占地面積，以估算征地移民的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、邊坡設(shè)計(jì)方案的合理性，顯著提高設(shè)計(jì)效率。

（5）通過試調(diào)場(chǎng)地的設(shè)計(jì)高程來平衡大范圍場(chǎng)地整平的挖填方量，大幅度地減少傳統(tǒng)的試算工作量。

（6）相對(duì)于ZDM用平均斷面法估算工程量的傳統(tǒng)方法，其挖填方量自動(dòng)統(tǒng)計(jì)功能省時(shí)省力，顯著提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量。

4.2 不足之處

GEOPAK Site的市場(chǎng)應(yīng)用率目前并不是很高，三維場(chǎng)地設(shè)計(jì)還處在發(fā)展階段，有些功能還有待加強(qiáng)。

（1）GEOPAK Site目前還不能完全自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)場(chǎng)地挖填的撤銷回退命令，在進(jìn)行復(fù)雜的場(chǎng)地設(shè)計(jì)時(shí)需要步步為營。

（2）GEOPAK Site目前還沒有與相關(guān)計(jì)算軟件結(jié)合（如邊坡穩(wěn)定分析軟件），不便于三維正向設(shè)計(jì)。

（3）GEOPAK Site的示坡線長短不能人為修改，有少數(shù)功能需要依靠重啟軟件響應(yīng)，軟件的友好度和靈敏性還有待加強(qiáng)。

（4）GEOPAK Site的場(chǎng)地挖填坡度均不能小于1:0.01，目前只能以1:0.01的坡度近似等價(jià)于垂直挖填，其精度還有待進(jìn)一步加強(qiáng)。

（5）GEOPAK Site目前還沒實(shí)現(xiàn)出圖標(biāo)準(zhǔn)自定義功能，每次出圖都要根據(jù)出圖標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行二次修改，其標(biāo)準(zhǔn)定制功能還有待進(jìn)一步完善。

4.3 前景展望

隨著勘測(cè)設(shè)計(jì)行業(yè)的充分市場(chǎng)化及BIM技術(shù)的大力推廣，業(yè)主給予的設(shè)計(jì)周期越來越短，設(shè)計(jì)三維化的要求程度越來越高，三維設(shè)計(jì)是當(dāng)下設(shè)計(jì)行業(yè)提高工作效率及提升成果質(zhì)量的發(fā)展趨勢(shì)和必經(jīng)之路。利用GEOPAK Site進(jìn)行三維場(chǎng)地設(shè)計(jì)，相對(duì)傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)有明顯的優(yōu)勢(shì)，相信隨著市場(chǎng)越來越激烈，GEOPAK Site的普及應(yīng)用指日可待。