三維場(chǎng)地設(shè)計(jì)在水利工程中的應(yīng)用

翁發(fā)根

在浯溪口水利樞紐項(xiàng)目中，江西省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院借助集成的土木設(shè)計(jì)和工程三維設(shè)計(jì)軟件GeoPAK Site進(jìn)行三維開(kāi)挖輔助設(shè)計(jì)。借助強(qiáng)大的三維場(chǎng)地運(yùn)算分析能力，該項(xiàng)目的整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程相對(duì)于傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)更加高效、準(zhǔn)確、直觀，而且系統(tǒng)能自動(dòng)計(jì)算工程量，取得了較好的設(shè)計(jì)成果。

水利工程開(kāi)挖設(shè)計(jì)的新方式

浯溪口水利樞紐工程是一座以防洪功能為主，兼顧供水、發(fā)電等功能的水利工程。樞紐總體布置沿軸線從左至右依次為：左岸碾壓混凝土非溢流壩段、表孔溢流壩段、低孔溢流壩段、廠房壩段和右岸碾壓混凝土非溢流壩段。其重力壩最大壩高 46.80米，壩軸線總長(zhǎng)498.62米。溢流表孔單孔凈寬12.0米，共5孔，溢流低孔單孔凈寬12.0米，共6孔。廠房采用河床式布置，共3臺(tái)機(jī)，總裝機(jī)容量32.0兆瓦 （2×15兆瓦+ 1×2.0兆瓦）?？梢?jiàn)，浯溪口水利樞紐工程是個(gè)相對(duì)復(fù)雜的水利工程。

工程場(chǎng)地設(shè)計(jì)本來(lái)是一個(gè)復(fù)雜繁瑣的過(guò)程，即使在二維環(huán)境下借助ZDM 等相關(guān)軟件插件，也不能很好地表達(dá)場(chǎng)地開(kāi)挖、回填的真實(shí)情況。對(duì)于地形復(fù)雜的水利樞紐工程來(lái)說(shuō)，開(kāi)挖設(shè)計(jì)質(zhì)量很大程度上依賴于設(shè)計(jì)工程師的三維空間想象力。加上不可避免的重復(fù)計(jì)算和制圖過(guò)程，不能不說(shuō)場(chǎng)地開(kāi)挖設(shè)計(jì)變成了一個(gè)繁重的設(shè)計(jì)任務(wù)，而且開(kāi)挖圖的繪制還耗時(shí)耗力。此外，常規(guī)二維開(kāi)挖圖在表達(dá)設(shè)計(jì)成果方面不如三維設(shè)計(jì)成果那樣直觀和有空間感，這給實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)施工帶來(lái)一定的困難。

為此，在浯溪口水利樞紐項(xiàng)目中，江西省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院借助集成的土木設(shè)計(jì)和工程三維設(shè)計(jì)軟件GeoPAK Site進(jìn)行三維開(kāi)挖輔助設(shè)計(jì)。

由Bentley提供的GeoPAK 是一款集成的土木設(shè)計(jì)和工程三維設(shè)計(jì)軟件，工程場(chǎng)地開(kāi)挖主要使用GEOPAK Site模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)場(chǎng)地的開(kāi)挖設(shè)計(jì)。GeoPAK Site是專注于場(chǎng)地開(kāi)挖的三維設(shè)計(jì)軟件，它具有一整套動(dòng)態(tài)而靈活的場(chǎng)地設(shè)計(jì)工具，廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)開(kāi)挖項(xiàng)目，如建筑場(chǎng)地平整，渠道、公路和水利樞紐基礎(chǔ)開(kāi)挖等，其出色的內(nèi)部算法和對(duì)計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的充分應(yīng)用，有效地減輕了復(fù)雜場(chǎng)地開(kāi)挖圖設(shè)計(jì)的負(fù)擔(dān)，且其準(zhǔn)確快捷的工程量統(tǒng)計(jì)也為投資概算精確計(jì)算打下了基礎(chǔ)。

這款三維軟件可以按照開(kāi)挖的先后順序?qū)崿F(xiàn)工程的模擬，比二維設(shè)計(jì)的計(jì)算方法更加直觀，在指導(dǎo)施工方面更具實(shí)用價(jià)值。相關(guān)人員可以在MicroStation中建立樞紐各個(gè)組成部分（如重力壩、廠房等）的三維模型。將模型組裝完成后，結(jié)合建筑物的外輪廓線，以及測(cè)量和地質(zhì)數(shù)據(jù)，在GeoPAK中可以實(shí)現(xiàn)場(chǎng)地的開(kāi)挖模擬。將測(cè)量數(shù)據(jù)和地址數(shù)據(jù)導(dǎo)入GeoPAK中，把建筑物的外輪廓線投影到設(shè)計(jì)高程（某點(diǎn)沿鉛垂線方向到絕對(duì)基面的距離）上，就可以按照設(shè)計(jì)邊坡在原地形上進(jìn)行放坡（為了防止塌方、確保施工安全，在挖方超過(guò)一定深度或填方超過(guò)一定高度時(shí)，在其邊沿放出的足夠的邊坡），修筑馬道等。在建筑物開(kāi)挖部分有交集的地方，軟件可自動(dòng)進(jìn)行處理，防止重復(fù)計(jì)算開(kāi)挖量。

關(guān)鍵的五個(gè)步驟

基于GeoPAK Site 的開(kāi)挖輔助設(shè)計(jì)主要流程有建立三維數(shù)字地面模型，提取開(kāi)挖邊界，確定開(kāi)挖坡比（坡面的垂直高度和水平寬度的比叫做坡比）、范圍和方案等，調(diào)整、優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，以及成果整理與出圖。浯溪口水利樞紐項(xiàng)目中，開(kāi)挖設(shè)計(jì)主要包含以下幾個(gè)關(guān)鍵步驟：

第一步，建立三維數(shù)字地面模型。在浯溪口水利樞紐工程中，江西省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院首先在Bentley協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)MicroStation 上建立各個(gè)組成部分的三維模型。

第二步，提取開(kāi)挖邊界。在樞紐模型總裝完成后，搜集所需的測(cè)量資料（如前期的DWG工程地形圖紙文件），利用等高線、高程點(diǎn)等數(shù)據(jù)生成GeoPAK 可識(shí)別的tin（不規(guī)則三角網(wǎng)格）文件。導(dǎo)入原始地形的tin文件，將其作為開(kāi)挖設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)面。從開(kāi)挖文件中提取樞紐模型外輪廓線作為開(kāi)挖的元素線。把重力壩和廠房的外輪廓線（基礎(chǔ)輪廓）投影到設(shè)計(jì)高程上，根據(jù)原始地形設(shè)計(jì)放坡和馬道（深坑基礎(chǔ)開(kāi)挖、圍堰中的運(yùn)輸?shù)缆坊蚱脚_(tái)）等。

第三步，模擬開(kāi)挖順序。因施工順序不同，各個(gè)不同的構(gòu)筑物的開(kāi)挖設(shè)計(jì)順序也不同。GeoPAK 可以按照施工順序?yàn)椴煌瑯?gòu)筑物創(chuàng)建相應(yīng)的對(duì)象，所有對(duì)象隸屬于統(tǒng)一的場(chǎng)地開(kāi)挖模型。通過(guò)編輯、調(diào)整模型中對(duì)象的順序來(lái)模擬開(kāi)挖施工順序。本工程將基坑，左、右岸上壩公路和進(jìn)廠公路列為不同對(duì)象，對(duì)整個(gè)場(chǎng)地模型放坡，通過(guò)調(diào)整FIFO（先入先出隊(duì)列）順序來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)挖順序模擬。

第四步，計(jì)算工程量。在開(kāi)挖設(shè)計(jì)完成后，再進(jìn)行工程量統(tǒng)計(jì)。可以直接通過(guò)GeoPAK Site的模型查詢法實(shí)現(xiàn)，即使用查詢命令，將開(kāi)挖后模型和原地面模型進(jìn)行演算，得出整個(gè)工程的開(kāi)挖和回填的工程量，也可分高程、分構(gòu)筑物得出相應(yīng)的工程量。

第五步，根據(jù)三維開(kāi)挖模型生成平面圖和剖面圖。完成GeoPAK Site開(kāi)挖設(shè)計(jì)后，還要對(duì)設(shè)計(jì)成果進(jìn)行整理。由于GeoPAK Site儲(chǔ)存了三維開(kāi)挖設(shè)計(jì)的所有信息，因此可以在任何所需位置剖切出開(kāi)挖剖面圖；投影提取、開(kāi)挖設(shè)計(jì)過(guò)程中的要素線、開(kāi)挖邊界，并參考原地形圖生成開(kāi)挖平面圖，根據(jù)需要標(biāo)示相應(yīng)的尺寸、高程。

遠(yuǎn)不止于提高效率

基于MicroStation的GeoPAK Sit可以充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的自動(dòng)化、智能化優(yōu)勢(shì)，給水利水電工程的設(shè)計(jì)提供了很大的幫助。

GeoPAK Site 的計(jì)算準(zhǔn)確度取決于地形測(cè)量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)人員所選定的三角網(wǎng)格精度。相比在平面圖紙上通過(guò)剖切典型斷面來(lái)計(jì)算工程量，GeoPAK Site能更加精確地反映場(chǎng)地的開(kāi)挖、回填情況。GeoPAK具有實(shí)時(shí)設(shè)計(jì)功能，即只要調(diào)整設(shè)計(jì)要素線，整個(gè)工程的模型就隨之更新，使三維場(chǎng)地的開(kāi)挖、回填設(shè)計(jì)成果變得更加直觀。如果重新運(yùn)行工程量查詢命令，工程量會(huì)隨之更新。

運(yùn)用GeoPAK Site軟件進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)場(chǎng)地開(kāi)挖的三維可視化，直觀地反映工程布置情況，并高效地指導(dǎo)場(chǎng)地開(kāi)挖、比選優(yōu)化和工程量統(tǒng)計(jì)等業(yè)務(wù)，從而更好地管理和組織后續(xù)施工工作。此外，相關(guān)人員還可以根據(jù)三維模型的放坡邊界線得出工程的占地面積，檢查放坡設(shè)計(jì)的合理性，進(jìn)而避免過(guò)多高邊坡的出現(xiàn)，使得設(shè)計(jì)更加合理。

不過(guò)在計(jì)算土方和石方的工程量時(shí)，需要區(qū)分地層屬性。這就需要得到地質(zhì)資料作為基礎(chǔ)。GeoPAK 是將地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)和實(shí)際地形信息結(jié)合起來(lái)生成三維地質(zhì)模型的。在浯溪口水利樞紐項(xiàng)目三維設(shè)計(jì)開(kāi)展過(guò)程中，江西省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院受實(shí)際條件限制，并未采用地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)來(lái)生成三維地質(zhì)模型，這就為基礎(chǔ)開(kāi)挖、邊坡設(shè)計(jì)、工程量統(tǒng)計(jì)帶來(lái)一些不便。因此，在后期開(kāi)展類似項(xiàng)目時(shí)，應(yīng)首先建立基于三維地質(zhì)的數(shù)字地面模型。

由于目前GeoPAK Site在國(guó)內(nèi)水利行業(yè)的應(yīng)用尚處于起步階段，軟件所采用的一些標(biāo)準(zhǔn)跟我國(guó)水利行業(yè)的要求不統(tǒng)一，很多細(xì)部的標(biāo)注信息需要用戶自己定義，江西省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院也耗費(fèi)了不少精力用在后期的成果整理和開(kāi)挖圖出圖上。

總而言之，三維可視化設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)行業(yè)的一個(gè)發(fā)展方向。隨著勘測(cè)設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)的日益市場(chǎng)化，業(yè)主對(duì)工程勘測(cè)設(shè)計(jì)的質(zhì)量要求越來(lái)越高，而對(duì)設(shè)計(jì)周期的要求卻越來(lái)越短。如果設(shè)計(jì)院能夠采用GeoPAK Site進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，不僅可以快速對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較，還可以在很短的時(shí)間內(nèi)完成設(shè)計(jì)方案的修改。在開(kāi)挖和回填工程量的統(tǒng)計(jì)上，雖然當(dāng)前的結(jié)果表現(xiàn)方式還不是很理想，但精確程度是很高的。相信隨著三維設(shè)計(jì)軟件的進(jìn)一步發(fā)展，越來(lái)越多適合水利行業(yè)的模塊會(huì)得到完善，從而大幅提供設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率。