基于Civil 3D與Infraworks的邊坡開(kāi)挖模型的三維設(shè)計(jì)與展示

龍潛+周宜紅+張成

摘 要：目前在我國(guó)水利設(shè)計(jì)行業(yè)，采用三維設(shè)計(jì)已逐漸發(fā)展為一種趨勢(shì)。本文以如美水電站右岸壩肩溢洪道和進(jìn)水口的邊坡開(kāi)挖為例，著重介紹Civil 3D和Infraworks在水利工程三維設(shè)計(jì)中的應(yīng)用流程。建立了地形曲面、放坡曲面和開(kāi)挖后的地形曲面模型，精確繪制了開(kāi)挖輪廓線并計(jì)算了開(kāi)挖工程量，渲染并展示了原始地形面貌和設(shè)計(jì)開(kāi)挖后的地形面貌。基于Civil 3D和Infraworks的三維設(shè)計(jì)與展示具有設(shè)計(jì)通用性強(qiáng)、高精度、易修改和三維可視化等優(yōu)點(diǎn)，可以作為水利工程設(shè)計(jì)中的三維設(shè)計(jì)工具，為水利工程師在設(shè)計(jì)中提供參考。

關(guān)鍵詞：邊坡開(kāi)挖 三維設(shè)計(jì)與展示 Civil 3D Infraworks

在工程設(shè)計(jì)當(dāng)中，與傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)比起來(lái)，三維設(shè)計(jì)具有直觀形象，關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，易于修改和方便各專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)。尤其隨著近年來(lái)國(guó)家政府大力推進(jìn)BIM技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，在工程行業(yè)采用三維設(shè)計(jì)是未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。在水利行業(yè)，雖然已經(jīng)有昆明院基于BIM理念設(shè)計(jì)的黃登水電站，但是就目前來(lái)看，三維設(shè)計(jì)在國(guó)內(nèi)水利工程方面的應(yīng)用還并不成熟，各大設(shè)計(jì)院仍然是以CAD二維設(shè)計(jì)與出圖為主。實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)行業(yè)的信息化和工業(yè)化結(jié)合不僅是提升傳統(tǒng)設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)的突破口，還是企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的重要技術(shù)手段。

Civil 3D和Infraworks軟件是Autodesk公司基于BIM理念推出的三維土木工程設(shè)計(jì)軟件和三維基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)軟件。Civ il 3D軟件本身具有強(qiáng)大的3D模型創(chuàng)建功能，當(dāng)設(shè)計(jì)要素發(fā)生變化時(shí)，3D模型自動(dòng)進(jìn)行變化，極大降低設(shè)計(jì)者重復(fù)的工作量，解放設(shè)計(jì)者的思維，使設(shè)計(jì)者有更多的精力對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。infraworks突破性地建立了3D可視化技術(shù)，更加高效地管理大型基礎(chǔ)設(shè)施模型并協(xié)助加速設(shè)計(jì)流程。本文擬就西藏如美水電站右岸壩肩的邊坡開(kāi)挖工程，基于這兩款軟件研究三維模型的設(shè)計(jì)與展示流程，通過(guò)本文的研究，希望對(duì)水利工程中的三維設(shè)計(jì)與展示工作起到一定的探索作用。

1.工程概況

如美水電站位于西藏自治區(qū)芒康縣境內(nèi)，是瀾滄江上游河段（西藏境內(nèi)河段）規(guī)劃一庫(kù)七級(jí)開(kāi)發(fā)方案的第五個(gè)梯級(jí)。壩址距芒康縣城48km，流域面積7.94萬(wàn)km2，多年平均流量648m3/ s。其樞紐布置格局為：礫石土心墻堆石壩+右岸洞式溢洪道+右岸泄洪洞+右岸放空洞+右岸地下廠房引水發(fā)電系統(tǒng)的布置方案。由于碎裂巖體、溢洪道及進(jìn)水口集中布置，且碎裂巖體、溢洪道及進(jìn)水口邊坡開(kāi)挖工期對(duì)右岸壩肩開(kāi)挖影響較大，所以右岸壩肩碎裂巖體、溢洪道及進(jìn)水口（2900m高程以上）開(kāi)挖及壩體填筑工程是影響主體工程施工的控制性項(xiàng)目。

2.模型建立

2.1原始地形曲面

Civil3d可以利用等高線測(cè)繪數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)建立三維的原始地形曲面。具體步驟如下：通過(guò)“創(chuàng)建曲面”命令自定義一個(gè)“原始地形曲面”，以“等高線”方式向“原始地形曲面”添加地形數(shù)據(jù)來(lái)自動(dòng)生成曲面，最后對(duì)生成的曲面進(jìn)行符合性檢查，排除奇異點(diǎn)。最終生成的曲面在“對(duì)象查看器”中如圖1所示。

2.2放坡曲面

在Civil3d中建立右岸壩肩放坡曲面。具體步驟如下：在右岸壩肩2900高程位置繪出放坡要素線，通過(guò)放坡創(chuàng)建工具創(chuàng)建出距離7.5m，坡度為0.5，馬道寬度為3m，頂高程為3320m的放坡組。因?yàn)橹蟮姆牌乱?guī)則相同，所以采用“復(fù)制創(chuàng)建放坡”來(lái)完成整個(gè)放坡組。最后再由整個(gè)放坡組自動(dòng)生成放坡曲面，如圖2所示。

2.3開(kāi)挖曲面與開(kāi)挖量計(jì)算

在Civil3d中建立右岸壩肩開(kāi)挖曲面。具體步驟如下：首先，單擊放坡曲面，通過(guò)調(diào)用“三角網(wǎng)曲面：放坡曲面”選項(xiàng)卡下的“分析”工具欄里的“曲面之間的最小距離”命令，選擇放坡曲面與原始地形曲面，即可自動(dòng)生成兩個(gè)曲面的相交線，也就是開(kāi)挖輪廓線。自動(dòng)生成的相交線較傳統(tǒng)方法更為精確，可以使最終的設(shè)計(jì)開(kāi)挖曲面與原始地形的融合效果達(dá)到前所未有的仿真程度；其次，在“三維建模工作空間”內(nèi)利用“3DPOLY”和“PEDIT”命令將兩曲面的相交線合并成一條三維多段線，并將此條三維多段線以“邊界”的形式添加到放坡曲面中，從而生成開(kāi)挖曲面，見(jiàn)圖3；最后，將原始地形曲面與開(kāi)挖曲面“粘貼”到一起形成開(kāi)挖后的地形曲面，見(jiàn)圖4。此外，Civil 3D還可以精確計(jì)算兩曲面間的開(kāi)挖方量。具體步驟如下：通過(guò)“創(chuàng)建曲面”命令創(chuàng)建一個(gè)“三角網(wǎng)體積曲面”，以原始地形曲面作為基準(zhǔn)曲面，開(kāi)挖曲面作為參照曲面，查詢其曲面特性即可得開(kāi)挖方量，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5。

2.4三維展示

為了生動(dòng)地展示開(kāi)挖后的地形面貌，可以在Infraworks中將該區(qū)域的衛(wèi)星地圖與地形信息貼合在一起，從而起到非常好的渲染效果。具體步驟如下：首先在Civil3d中通過(guò)“MAPCSASSIGN”命令設(shè)置坐標(biāo)系，本工程根據(jù)其地理位置設(shè)置坐標(biāo)系為“Bjing54/a.GK3d/CM-99E”；其次將下載好的區(qū)域衛(wèi)星圖片通過(guò)“Raster Tools”插入到civil 3d中，尺寸修改合適后再通過(guò)“Match”命令將衛(wèi)星圖片與地形圖對(duì)齊，完成之后保存對(duì)圖片的修改，并以“world file”的形式導(dǎo)出jgw格式的坐標(biāo)位置參數(shù)文件；最后在Infraworks中創(chuàng)建新模型，設(shè)置好相應(yīng)的坐標(biāo)系后將地形模型以imx文件格式導(dǎo)入，衛(wèi)星圖片以光柵圖片的形式導(dǎo)入。Infraworks軟件會(huì)自動(dòng)根據(jù)兩者在坐標(biāo)系中的位置對(duì)他們進(jìn)行整合，開(kāi)挖前和開(kāi)挖后的地形面貌圖分別如圖6和圖7所示。此外，Infraworks軟件還搭載了云平臺(tái)，可以在手機(jī)和平板電腦等移動(dòng)終端上瀏覽已經(jīng)建立好的三維模型，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工人員技術(shù)交底大有裨益。

3.結(jié)論

在水利工程中，基于Civil3d和Infraworks的三維設(shè)計(jì)與展示有著以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）通用性強(qiáng)。這兩款軟件同是Autodesk公司產(chǎn)品，可以與CAD無(wú)縫結(jié)合，支持打開(kāi)、修改和保存DWG格式文件。同時(shí)，采用Civil3d設(shè)計(jì)的三維模型也可以滿足設(shè)計(jì)人員二維出圖的要求。

（2）提高設(shè)計(jì)精度。Civil 3D軟件強(qiáng)大的三維設(shè)計(jì)能力可直觀、真實(shí)地反映開(kāi)挖信息，包括開(kāi)挖量的計(jì)算和開(kāi)挖邊線的確定，都是十分精確的。

（3）方便修改。與傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)相比，Civil3d采用參數(shù)化設(shè)計(jì)手段將模型中的參數(shù)關(guān)聯(lián)起來(lái)，在任一視圖下修改的參數(shù)都能影響到整個(gè)模型從而不需要逐一對(duì)所有視圖進(jìn)行修改。比如開(kāi)挖的坡度和距離，只需修改一次即可自動(dòng)更新整個(gè)三維模型而不需要建立新的模型，有利于進(jìn)行多方案的比選。

（4）良好的三維展示。Infraworks平臺(tái)能提供美觀的三維展示效果，可以用任意角度觀察工程的整體面貌或局部特征，增強(qiáng)觀察者的認(rèn)知，提高模型的三維可視性，也能夠讓設(shè)計(jì)者更容易發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)問(wèn)題或設(shè)計(jì)缺陷。

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