三維可視化土石方計算在核島負(fù)挖中的應(yīng)用探討

王利超+++呂學(xué)軍++王福增

摘 要： 本文以某核電站核島負(fù)挖工程為例，運(yùn)用CASS和AutoCAD軟件相結(jié)合的方式，實現(xiàn)了二維設(shè)計圖紙與實測離散高程點數(shù)據(jù)基于實體建模和布爾運(yùn)算的三維可視化土方量計算方法。以及如何運(yùn)用該方法控制負(fù)挖精度、指導(dǎo)工程施工和減少超挖方量，最后，分別利用CASS軟件中DTM法兩期土方量計算功能和三維可視化土石方計算方法，對竣工實際開挖方量的計算精度進(jìn)行了比較，驗證了三維可視化土石方量計算方法的可行性。

關(guān)鍵詞：三維可視化；實體建模；土石方計算

中圖分類號：TD235 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

目前土石方方量計算的方法有很多種，主要是通過基于AutoCAD平臺的土石方工程量計算軟件進(jìn)行。常用的方法有斷面法、方格網(wǎng)法、等高線法、DTM法等。在實際生產(chǎn)應(yīng)用中，不同土石方計算方法精度不同，適用范圍也不一樣。其中DTM模型法適用于所有的地形條件， 計算精確度相對較高，在生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用。但該方法缺乏直觀性，無法滿足復(fù)雜情況下大規(guī)模土石方工程的計算需要。

核島負(fù)挖項目具有工期長、規(guī)模大、情況復(fù)雜、負(fù)挖高程要求精度較高等特點。原則上設(shè)計允許值之外的超挖部分不予計費(fèi)，超挖越多，后期使用的替代混凝土越多，直接影響項目成本。所以如何準(zhǔn)確、形象直觀的計算土石方開挖方量、控制超挖方量就顯得尤為重要。利用CASS軟件中的DTM建模和AutoCAD軟件中的實體建模、實體編輯、布爾運(yùn)算、實體查詢功能相結(jié)合的方式能夠?qū)崿F(xiàn)以三維可視化的方法進(jìn)行以上計算。以下就以某核電站4號核島負(fù)挖為例，對三維可視化土石方計算方法的應(yīng)用進(jìn)行探討。

1.三維可視化的實現(xiàn)

實體建模技術(shù)是實現(xiàn)土石方計算三維可視化的核心，實體建模完成后，再利用AutoCAD軟件中布爾運(yùn)算和實體查詢功能，就能夠輕松實現(xiàn)土方量的計算。

1.1實體建模的定義及方法

在計算機(jī)中構(gòu)造物體模型的過程稱為建模，其中，建立實體模型的過程稱為實體建模。實體模型能夠完整地反映物體的所有形狀信息，能方便地計算實體的各種物理屬性，是目前運(yùn)用最廣泛的模型。AutoCAD軟件中實體建模的基本方法有組合法、掃描法和實體編輯法3種。在實體建模中，將上述三類方法進(jìn)行組合使用，以創(chuàng)建復(fù)雜的實體模型。

1.2利用實體建模技術(shù)實現(xiàn)三維可視化

核島負(fù)挖項目中涉及根據(jù)設(shè)計圖紙以及利用采集的離散高程點數(shù)據(jù)進(jìn)行實體建模兩種情況。項目的基坑設(shè)計圖紙為平面二維圖紙，要建立負(fù)挖三維模型，首先應(yīng)將坡頂、坡底的相對標(biāo)高或坡度比等信息進(jìn)行轉(zhuǎn)化，計算出各平臺、交點、拐點在廠區(qū)施工坐標(biāo)系下的標(biāo)高H。其次，建立該工程的三維坐標(biāo)系，即以廠區(qū)坐標(biāo)系中的A、B、H分別表示三維坐標(biāo)系中的X、Y、Z軸。最后，利用AutoCAD軟件中的實體建模和實體編輯功能將設(shè)計的二維圖紙轉(zhuǎn)化為三維圖紙，實現(xiàn)負(fù)挖建模，如圖1所示。

在土石方工程開始前，首先應(yīng)使用儀器采集場地的離散高程點數(shù)據(jù)用以建立原始地貌的三維模型。數(shù)據(jù)采集完畢后在CASS軟件下使用“建立DTM”功能對采集的離散高程點數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，并通過人工干預(yù)的方式手動完善三角網(wǎng)，最后將建立的DTM轉(zhuǎn)到AutoCAD軟件中經(jīng)過“繪圖-實體-拉伸”以及“修改-實體編輯-并集”功能完成原始地貌三維模型的建立。建立的3、4號核島原始地貌DTM及三維模型如圖2所示。

2.三維可視化土石方計算的應(yīng)用實例

竣工總開挖方量的計算是兩期間開挖方量計算的一種特例情況，三維可視化方法在施工期內(nèi)兩期間開挖方量計算應(yīng)用的部分，將使用竣工總開挖方量計算進(jìn)行說明。計算竣工總開挖方量時，只需建立竣工三維模型，然后利用該三維模型和原始地貌三維模型進(jìn)行實體編輯。獲得竣工總開挖方量三維模型，并通過實體查詢功能，查詢其方量。4號核島負(fù)挖工作完成后，使用儀器采集了開挖場地的離散高程點數(shù)據(jù)，并利用該數(shù)據(jù)建立了4號核島負(fù)挖竣工三維模型，如圖3所示。

2.1計算4號核島負(fù)挖竣工實際開挖方量

計算時首先應(yīng)以竣工實測離散高程數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立向上拉伸的、頂標(biāo)高大于原始地貌最高點高程的負(fù)挖竣工三維模型。然后將該模型和原始地貌三維模型（如圖2所示）放置到設(shè)計坐標(biāo)系中，求取兩個三維模型的交集。新產(chǎn)生的三維模型即為4號核島負(fù)挖竣工實際開挖方量三維模型。通過實體查詢功能，查詢其方量為212037方。計算過程如圖4所示。

2.2計算4號核島負(fù)挖竣工有效開挖方量

有效開挖方量即為在設(shè)計開挖范圍內(nèi)的實際開挖方量，斷面法、方格網(wǎng)法、等高線法、DTM模型法等常規(guī)計算方法用于計算有效開挖方量時步驟非常煩瑣。但使用三維模型方法可以輕松進(jìn)行該方量的計算。求取已建立的4號核島負(fù)挖竣工三維模型和原始地貌下4號核島設(shè)計總開挖方量三維模型的交集，新產(chǎn)生的三維模型即為4號核島負(fù)挖竣工有效開挖方量三維模型。有效開挖方量在實際開挖方量中所占的比例大小將直接影響施工單位的項目利潤率，并且對施工單位開挖工藝、施工管理水平的自我評價及改善具有積極的意義。

3.利用三維可視化方法控制工程的開挖精度

核島負(fù)挖項目對開挖精度有較高的要求，三維可視化方法可以形象直觀地展現(xiàn)工程進(jìn)展情況，對于指導(dǎo)工程進(jìn)展、控制開挖精度、控制超挖方量具有很好的指導(dǎo)作用。

首先建立4號核島負(fù)挖竣工未開挖方量三維模型，即計算原始地貌下設(shè)計總開挖方量三維模型和負(fù)挖竣工三維模型的差集。新建立的三維模型即為4號核島負(fù)挖竣工未開挖方量三維模型。在AutoCAD軟件中支持對三維模型的三維動態(tài)觀察，用戶可以根據(jù)自己的需要，任意調(diào)整視角，利用三維動態(tài)觀察器調(diào)整視角的效果如圖5所示。利用已建立完成的4號核島理論場平標(biāo)高下負(fù)挖三維模型和負(fù)挖竣工未開挖方量三維模型，結(jié)合AutoCAD軟件中的三維動態(tài)觀察器、查詢功能，可以計算任意開挖部位距設(shè)計開挖標(biāo)高的差值。利用該方法可以形象直觀的指導(dǎo)生產(chǎn)，控制開挖精度和減少超挖方量。

4.三維可視化方法與DTM法計算開挖方量精度對比分析

在CASS環(huán)境下，使用4號核島負(fù)挖竣工采集的離散點數(shù)據(jù)建立的DTM和3、4號核島原始地貌DTM進(jìn)行兩期間土方量計算，經(jīng)計算開挖土方量為212037方。在本文2.1中使用三維可視化方法進(jìn)行4號核島負(fù)挖竣工實際開挖方量計算的結(jié)果同樣為212037方，兩者計算結(jié)果一致。經(jīng)分析認(rèn)為，兩者的建模原理一致是產(chǎn)生該現(xiàn)象的根本原因。同時也說明使用三維可視化方法計算的結(jié)果精度可靠。

結(jié)論

本文利用CASS軟件中的DTM建模和AutoCAD軟件中的實體建模、實體編輯功能、布爾運(yùn)算相結(jié)合的方式實現(xiàn)了復(fù)雜情況下土石方計算的三維可視化方法，經(jīng)驗證該計算方法精度可靠，并且該方法操作簡便、形象直觀。利用該方法可以形象直觀的指導(dǎo)生產(chǎn)，控制開挖精度和減少超挖方量。

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