三維設(shè)計軟件在施工組織設(shè)計中的應(yīng)用

嚴屹人，淡松敏

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三維設(shè)計軟件在施工組織設(shè)計中的應(yīng)用

嚴屹人，淡松敏

（上海勘測設(shè)計研究院有限公司，上海200080）

［摘 要］在水利水電工程中，場地開挖設(shè)計是一項復(fù)雜繁瑣的工作。一般使用二維CAD等軟件進行設(shè)計時，存在開挖量計算不夠精確、開挖情況展示不形象等問題。文中基于GEOPAK Site三維設(shè)計軟件對某水電站工程進行場地三維設(shè)計，大大提升了場地開挖設(shè)計的效率和準確性。

［關(guān)鍵詞］三維；GEOPAK Site；場地；開挖

在水利水電工程中，場地開挖設(shè)計是一項復(fù)雜繁瑣的工作。傳統(tǒng)設(shè)計時往往通過二維CAD等軟件，按典型斷面進行設(shè)計計算。在一些地形地質(zhì)條件較為復(fù)雜的工程中，場地挖填工程量的計算也會成為一項繁重任務(wù)，耗費設(shè)計人員大量的時間和精力，且其設(shè)計成果是否精確還有待驗證，在后期的施工過程中甚至可能帶來一系列難題。

GEOPAK Site是一種適用于工程基礎(chǔ)項目的三維設(shè)計軟件，具有一整體套場地設(shè)計模塊，廣泛應(yīng)用于各類基礎(chǔ)開挖項目，其強大的三維可視化功能、出色的計算功能和靈活的操作界面，大大提升了場地開挖設(shè)計的效率和準確性。

借助GEOPAK Site強大的三維分析運算能力，對巴基斯坦某水電站工程進行場地三維設(shè)計，介紹應(yīng)用該三維設(shè)計軟件進行施工組織設(shè)計的全過程。

1　工程資料

1.1工程概況

某水電站工程位于巴基斯坦旁遮普（Punjab）省和阿扎德查謨克什米爾地區(qū)（Azad Jammu and Kashmir，AJK）交界的吉拉姆河上，為吉拉姆河梯級開發(fā)的第2級。該水電站壩址位于瑪爾河和吉拉姆河交匯處上游約5 km處。

工程為Ⅱ等大（2）型工程，擋水、泄洪、引水及發(fā)電等永久性主要水工建筑物為2級建筑物，次要建筑物為3級建筑物。

1.2自然條件

吉拉姆河流域內(nèi)的氣候可分為東北季風(fēng)季節(jié)（12月～2月）、熱季（3月～5月）、西南季風(fēng)季節(jié)（6 月～9月）和10月～11月的過渡期等四季。受地形和季節(jié)影響，降雨時空分配不均。

壩址段河谷為縱向谷，河谷兩岸山體雄厚，近不對稱的“V”型谷。壩址區(qū)河流順直，河流由北向南，枯水期河水面高程約518 m，河床寬40～60 m，正常蓄水位585 m對應(yīng)河谷寬約260 m。壩址區(qū)基巖主要為砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥巖或粉砂質(zhì)泥巖，受差異風(fēng)化的作用，一般泥巖或泥質(zhì)巖分布段成谷或溝槽狀，砂巖分布段突出呈脊狀，壩址區(qū)山體坡面呈波狀起伏。坡面多沖溝、雨淋溝槽或殘留滑坡床，坡面地形完整性較差、較復(fù)雜。

2　三維協(xié)同輔助設(shè)計

2.1導(dǎo)流隧洞進出口開挖三維輔助設(shè)計

根據(jù)壩址區(qū)水文特性、地形地質(zhì)條件、水工建筑物布置特點以及施工工期、安全度汛等因素，工程施工擬考慮采用圍堰一次攔斷河床、隧洞導(dǎo)流的方式。綜合考慮地形地質(zhì)條件及洪水設(shè)計標準等，合理布置導(dǎo)流隧洞洞線、確定洞徑及進出口高程等隧洞參數(shù)。在該工程中，由于隧洞斷面尺寸大、進出口地質(zhì)條件較差，導(dǎo)致隧洞明挖量及邊坡開挖高差較大，借助GEOPAK Site的開挖功能進行輔助設(shè)計，能夠合理并形象反映進出口開挖情況，其主要流程如下：①三維場地建模；②提取開挖對象；③根據(jù)設(shè)計要求，擬定開挖方案；④按照開挖方案，分步開挖；⑤整理開挖模型，輸出數(shù)據(jù)結(jié)果；⑥分析研究，進行方案比選。

2.1.1三維場地建模

GEOPAK Site為使用者提供了多種數(shù)據(jù)接口，既可根據(jù)文本文件信息生成三維地形，也可通過平面CAD地形及數(shù)字高程圖生成三維地形。在實際施工組織設(shè)計工作中，常利用勘測專業(yè)提供的CAD地形圖。在GEOPAK Site軟件中直接參考所需的CAD文件，提取地形圖中含有高程信息的等高線或高程點，生成.dat文件，軟件將.dat文件轉(zhuǎn)換為.tin三角網(wǎng)格文件。利用軟件對網(wǎng)格文件進行優(yōu)化，去除不合理部分，以減少地形數(shù)據(jù)量并提高后期軟件的處理速度。軟件利用優(yōu)化后的三角網(wǎng)格文件形成.gsf地形文件，該文件作為后期開挖工作的基礎(chǔ)。

根據(jù)已擬定的隧洞進出口位置，可在基礎(chǔ)地形上確定出開挖對象的邊界，建議從原先繪制的平面圖紙中直接導(dǎo)入隧洞進出口位置。

2.1.2開挖及優(yōu)化設(shè)計

以導(dǎo)流隧洞出口為例，對其開挖方案進行分析。隧洞出口底板高程為513.00 m，洞頂高程為527.00 m。根據(jù)工程區(qū)域的地質(zhì)條件，隧洞出口處地質(zhì)條件較差，因此在高程542.00 m以下采用1∶0.75坡比開挖，高程542.00 m以上采用1∶1坡比開挖。在開挖過程中，建議利用“Side Slope”命令先將隧洞出口開挖至洞頂高程542.00 m，控制開挖坡比，并對開挖后形成的邊線進行裁剪優(yōu)化，可形成直立的掌子面；然后再加入馬道，完成邊坡整體開挖，提高設(shè)計精度。

該方案開挖底高程為513.00 m，軟件顯示頂部開挖邊線的高程為653.70 m，開挖面積達22 240 m2。開挖邊坡沿著山坡線直至坡頂，形成了約126.7 m的高邊坡。在地質(zhì)條件較差的工程區(qū)域，進行高邊坡開挖存在較大的風(fēng)險，且相應(yīng)的邊坡支護處理較復(fù)雜，工程投資大，需要進行優(yōu)化設(shè)計。在滿足規(guī)范要求和地質(zhì)條件允許的情況下，將導(dǎo)流隧洞出口向遠離壩軸線的方向稍作移動，使其靠近山脊線，具備提前進洞的條件。經(jīng)調(diào)整后，隧洞洞身長度增加，石方洞挖量增大，但優(yōu)化后的方案頂部開挖邊線的高程降低56 m至597.7 m，開挖面積為12 729 m2，大大降低了開挖邊坡高度，一定程度上降低了施工難度，并減少工程投資。優(yōu)化后的方案縮短了明渠長度，軟件顯示明挖量僅90 778 m3，與前一方案相比，優(yōu)化后的方案技術(shù)及經(jīng)濟優(yōu)勢均較大。

2.2棄渣場三維輔助設(shè)計

工程的棄渣場主要考慮利用左右岸壩址附近的現(xiàn)有沖溝。根據(jù)現(xiàn)場地形，左岸棄渣主要利用距離壩址上游較近的沖溝，右岸棄渣主要利用上游卡斯溝以及壩址下游臺地附近沖溝。根據(jù)施工交通條件及地形地質(zhì)條件等因素，初步選定壩址附近的四處沖溝作為棄渣場地，其中有三處分布在左岸，一處分布在右岸，從上游至下游依次為：左岸1號渣場、右岸渣場、左岸2號渣場和左岸3號渣場。

利用GEOPAK Site進行三維輔助設(shè)計，渣場回填的設(shè)計流程與之前的開挖流程基本一致。前期作方案比選時，需要對各渣場設(shè)定不同的堆渣高程進行計算。設(shè)計中需要提取不同的高程線，繪制棄渣場的設(shè)計邊線。此步驟可在CAD中完成，然后參考到GEOPAK Site中，再通過Building對象實現(xiàn)渣場三維模型的建立。設(shè)計過程中：①通過“Raise/ Lower”命令，可以輕松地抬高或者降低堆渣高程，提高設(shè)計效率；②棄渣場的邊坡坡率及馬道的設(shè)置可以通過“Side Slope”命令來控制。設(shè)計過程中，選取560 m、570 m、580 m和590 m四個不同的堆渣高程，分別計算四個渣場的容量。

2.3成果整理

GEOPAK Site三維輔助設(shè)計的成果整理工作主要分為工程量統(tǒng)計和圖紙兩部分。

2.3.1工程量統(tǒng)計

GEOPAK Site軟件提供了分析模塊，能夠方便快捷的計算出所需的工程量，內(nèi)容包括：開挖及回填工程量、計算面積等。

經(jīng)軟件分析計算，兩種方案的隧洞出口開挖量、開挖面積及開挖邊坡高度見表1，各堆渣高程下棄渣場的容量計算見表2。

表1 隧洞出口開挖工程量計算表

表2　棄渣場容量計算表

根據(jù)隧洞出口開挖工程量的計算結(jié)果，再結(jié)合地質(zhì)資料，能夠進一步細化開挖工程量及支護工程量；根據(jù)渣場容量的計算結(jié)果，再結(jié)合具體棄渣量及施工總布置要求，能夠挑選出合適的渣場地址組合；以上計算及分析過程可以指導(dǎo)進行施工組織設(shè)計的優(yōu)化及方案的選擇。

2.3.1圖紙

GEOPAK Site軟件會儲存下三維設(shè)計模型的

開挖、回填等信息，可以利用分析模塊的功能，在所需要的位置進行剖切，生成含有開挖、回填及原地形線的斷面，在其基礎(chǔ)上完成相關(guān)的標注工作，得到所需要的開挖平面及斷面圖紙。

3　結(jié)語

運用GEOPAK Site軟件進行三維協(xié)同輔助設(shè)計有如下優(yōu)點：

1）開挖過程自動化程度高。利用傳統(tǒng)的方法繪制開挖圖時，需要人工計算開挖放坡邊線，且在地形復(fù)雜的區(qū)域很難保證繪圖的準確性；而在建筑物邊線確定的情況下，GEOPAK Site能夠自動進行計算分析，快速的繪制出開挖邊線，提高工作效率。

2）高效、準確。軟件充分發(fā)揮了計算機的運算能力，結(jié)合自身算法，能夠快速、準確的生產(chǎn)開挖面和開挖量。在平面圖紙上剖切典型斷面進行工程量計算，很難得出準確的結(jié)果，而且會耗費大量的時間和精力。

3）形象、直觀。GEOPAK Site軟件通過建立三維模型能夠很直觀的展現(xiàn)出開挖過程及開挖成果，便于設(shè)計者觀察分析。

4）便于優(yōu)化設(shè)計。軟件所提供的編輯功能和強大的可視化功能，能夠快速展示設(shè)計成果，通過修改建筑物邊界、開挖坡比等參數(shù)，可以方便快捷的進行優(yōu)化設(shè)計。

三維協(xié)同設(shè)計代表著最新的設(shè)計理念和先進的設(shè)計水平，將GEOPAK Site軟件運用到水電工程的施工組織設(shè)計中來，能夠高效、準確的進行場地開挖、工程量計算、場地三維可視化及方案優(yōu)化工作，整體提高施工組織設(shè)計水平。

［參考文獻］

［1］趙偉，張翔宇.MicrostationV8中文版實用手冊［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2002.

［2］孫程.基于三維GEOPAK SITE的三維開挖輔助設(shè)計［J］.人民長江，2013，44（17）：26-28.

［中圖分類號］TV512

［文獻標識碼］B

［文章編號］1002－0624（2016）05－0018－02

[收稿日期]2016-01-19