基于Civil 3D的石料場開采三維動態(tài)設(shè)計方法

王大志　黃鵬

摘要：針對傳統(tǒng)的石料場開采二維設(shè)計方法流程復(fù)雜、工作內(nèi)容繁多的特點，提出了基于Civil 3D的石料場開采三維動態(tài)設(shè)計方法，包括建立原始地形曲面，對地層鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行Kriging插值擬合并建立地層曲面，石料場開采量計算與分析，石料場邊坡開挖設(shè)計，石料場邊坡開口線坐標(biāo)數(shù)據(jù)提取等。通過該方法建立的模型具有動態(tài)關(guān)聯(lián)屬性，可以根據(jù)設(shè)計參數(shù)的變更動態(tài)更新。工程應(yīng)用表明：該方法簡化了設(shè)計流程，提高了設(shè)計效率和設(shè)計精度，滿足工程設(shè)計要求。提出的基于Civil 3D二次開發(fā)技術(shù)的模型邊界曲面信息提取方法實現(xiàn)了從設(shè)計模型快速獲取開口線施工放樣數(shù)據(jù)，讓設(shè)計和施工無縫銜接，提高了工程項目管理效率。

關(guān)鍵詞：石料開采;Civil 3D; 三維動態(tài)設(shè)計; Kriging; 插值擬合; 開口線坐標(biāo); 二次開發(fā)技術(shù)

中圖法分類號：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.07.021

文章編號：1006 - 0081（2022）07 - 0122 - 07

0 引 言

隨著計算機輔助設(shè)計（Computer Aided Design，簡稱“CAD”）技術(shù)的高速發(fā)展，土木工程設(shè)計正由二維CAD向三維CAD轉(zhuǎn)變[1]，土木工程領(lǐng)域出現(xiàn)了Civil 3D，GEOPAK，CATIA等三維CAD工程設(shè)計軟件。相比二維設(shè)計，三維設(shè)計建立的實體模型更直觀、準(zhǔn)確、詳實，可以在設(shè)計過程中消除碰撞，實體模型和設(shè)計數(shù)據(jù)相互關(guān)聯(lián)，一處修改所涉及的部位便會自動修改。石料場開采設(shè)計通常采用的是傳統(tǒng)二維CAD設(shè)計方法，通過在地形圖中切剖面，計算開采量。該方法耗時耗力，計算精度低，設(shè)計修改不便。而采用三維CAD設(shè)計方法，可以克服上述缺點，不但能建立直觀、準(zhǔn)確的石料場模型，還可以快速計算開采量，提取料場邊坡開挖數(shù)據(jù)[2]。因此，將三維CAD技術(shù)應(yīng)用到石料場開采設(shè)計中，有廣闊的應(yīng)用前景。

國內(nèi)的專家、學(xué)者，特別是工程技術(shù)人員，在將三維CAD技術(shù)應(yīng)用到石料場開采設(shè)計方面，取得了豐碩的成果。楊偉[3]利用GeoBIM軟件進(jìn)行某水電站石料場三維地質(zhì)建模，并利用三維地質(zhì)模型進(jìn)行石料場儲量的計算，拓展了復(fù)雜石料場的分地層儲量計算方法。王勇勝等[4]提出了一種基于CATIA的料場開采動態(tài)調(diào)整設(shè)計方法，提高了料場開采調(diào)整的計算精度和設(shè)計效率。華棟等[5]利用Civil 3D平臺，開展了石料場開采規(guī)劃設(shè)計工作，實現(xiàn)了準(zhǔn)確計算剝離量、有用量及開采量。牛貝貝等[6]利用ItasCAD軟件建立了石料場的三維地質(zhì)模型，對不同巖性的塊料分別進(jìn)行了計算，確定了優(yōu)先開采區(qū)。上述方法解決了石料場三維地質(zhì)模型建立、儲量計算等問題，但研究內(nèi)容只涉及石料場開采設(shè)計的某一方面，未能系統(tǒng)闡述石料場開采設(shè)計方法，實現(xiàn)模型的施工放樣數(shù)據(jù)提取。筆者在充分吸取上述成果的基礎(chǔ)上，以防城港市防城區(qū)抽水蓄能電站項目石料場為研究背景，基于Civil 3D平臺，結(jié)合石料場工程地質(zhì)情況，建立了石料場三維地質(zhì)模型，完成了石料場邊坡開挖設(shè)計，并利用Civil 3D二次開發(fā)技術(shù)，實現(xiàn)了石料場邊坡開挖數(shù)據(jù)提取，為后續(xù)邊坡開挖施工放樣提供數(shù)據(jù)支撐。

Civil 3D是一款面向土木工程行業(yè)，適用于勘察測量工程、道路工程、市政工程、水利水電工程、航道工程、地質(zhì)礦產(chǎn)工程等多個不同行業(yè)領(lǐng)域的三維動態(tài)設(shè)計軟件。生成的模型包含豐富的動態(tài)數(shù)據(jù)，便于在項目實施過程中快速進(jìn)行設(shè)計變更，根據(jù)計算和分析結(jié)果做出決策，選擇最優(yōu)設(shè)計方案，快速、高效地創(chuàng)建與設(shè)計變更保持同步的可視化效果。它可以分析與調(diào)整測量數(shù)據(jù)、創(chuàng)建精確三維地形、設(shè)計各種路線及縱斷面、生成道路模型并計算土方量等，能夠幫助項目團隊更加高效地設(shè)計、分析和可視化項目[7]。

Civil 3D二次開發(fā)是在其開放的.NET API基礎(chǔ)上對用戶界面、業(yè)務(wù)邏輯以及數(shù)據(jù)庫訪問進(jìn)行擴展。允許用戶根據(jù)自己的需求進(jìn)行定制開發(fā)，擴展和延伸專業(yè)功能。Civil 3D提供的.NET API接口用于創(chuàng)建基于Civil 3D的.NET應(yīng)用程序，實現(xiàn)用戶自定義的創(chuàng)建、存取和操作絕大多數(shù)Civil 3D對象，包括點、等高線、曲面、縱斷面、橫斷面、道路、管道等[8]。

1 基于Civil 3D的動態(tài)設(shè)計思路

通過Civil 3D的曲面及放坡功能建立石料場地形、地質(zhì)曲面和邊坡開挖曲面，計算石料場的開采量、邊坡開挖設(shè)計參數(shù)，并動態(tài)調(diào)整終采平臺高程，使石料場開采設(shè)計達(dá)到最優(yōu)[9]。主要設(shè)計思路如下。

（1） 根據(jù)測量資料，形成地形曲面所需點文件;根據(jù)勘察資料，對鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計、分析，形成地層曲面所需點文件。

（2） 利用Civil 3D軟件，導(dǎo)入各類點文件，建立地形、地層曲面。對石料場剝離料、有用料進(jìn)行統(tǒng)計分析。

（3） 根據(jù)初步確定的石料場多級邊坡開挖坡比、開挖高度、馬道寬度等參數(shù)，在Civil 3D部件編輯器中制作多級邊坡部件，然后在圖中進(jìn)行裝配，建立石料場開挖坡面。

（4） 建立體積曲面，計算石料場開采量。通過動態(tài)調(diào)整石料場終采平臺高程，再次擬定多級邊坡開挖參數(shù)并建立石料場開挖坡面，不斷比選并獲得最優(yōu)設(shè)計方案。

（5） 利用Civil 3D二次開發(fā)技術(shù)，編程提取最終設(shè)計方案確定的石料場邊坡開挖數(shù)據(jù)，用于后續(xù)石料場邊坡開挖施工。

2 三維動態(tài)設(shè)計方法及軟件開發(fā)

2.1 建立原始地形曲面

對石料場原始測量數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯，保存為Civil 3D能夠識別的“*.txt”格式文件（圖1）。在Civil 3D中，利用軟件的“工具空間-瀏覽-曲面-創(chuàng)建曲面”創(chuàng)建一個空的原始地形曲面，然后利用“定義-點文件-添加點文件”導(dǎo)入地形點數(shù)據(jù)，生成原始地形曲面（圖2）。曲面建立后，對曲面進(jìn)行觀察，通過“曲面特性”和“編輯曲面樣式”對曲面進(jìn)行處理，去除錯誤的高程點，對等高線進(jìn)行平滑處理，設(shè)置點、三角形、邊界線、等高線、柵格、坡度等的樣式，對高程、坡度、方向、流域進(jìn)行分析[10]。

2.2 建立地層曲面

2.2.1 鉆孔數(shù)據(jù)分析

為了控制工程造價，一般石料場地質(zhì)鉆孔數(shù)量較少，實際得到的鉆孔數(shù)據(jù)都是離散的，必須采用一定的擬合方法，通過離散的地層鉆孔數(shù)據(jù)來描述其空間分布規(guī)律，建立滿足精度要求的地層曲面。

2.2.2 插值擬合

在實際工程中，一般采用樣條法、Kriging法、反距離加權(quán)法、最小曲率法等插值算法擬合地質(zhì)鉆孔離散數(shù)據(jù)[11]。其中，Kriging法適用于各種類型離散數(shù)據(jù)，考慮了采樣點間的相關(guān)性，網(wǎng)格化精度高。根據(jù)該工程實際情況，地質(zhì)鉆孔通常為不均勻離散分布，網(wǎng)格化精度要求高，因此選擇Kriging法作為地層插值擬合的算法。

2.2.2.1 Kriging法原理

Kriging法又稱“空間局部插值法”，是以變異函數(shù)理論和結(jié)構(gòu)分析為基礎(chǔ)，在有限區(qū)域內(nèi)對區(qū)域化變量進(jìn)行無偏最優(yōu)估計的一種方法，是地統(tǒng)計學(xué)的主要內(nèi)容之一[12]。在石料場區(qū)域內(nèi)設(shè)置間隔25 m×25 m的等距網(wǎng)格，根據(jù)15個地質(zhì)鉆孔各個地層的坐標(biāo)值，用Kriging插值計算方法，對區(qū)域內(nèi)所有網(wǎng)格結(jié)點進(jìn)行插值擬合，最終得到地層曲面數(shù)據(jù)（圖3）。

2.2.2.2 Kriging法插值擬合步驟

2.2.3 生成地層曲面

2.3 石料場開采量計算與分析

在石料場開采二維設(shè)計中，一般采取平行斷面法進(jìn)行儲量計算，儲量計算上限和下限按照高程來控制。而在基于Civil 3D的三維設(shè)計中，在已經(jīng)完成曲面建立的情況下，可以利用曲面的“高程分析”功能，通過相關(guān)參數(shù)設(shè)置，直接查詢對應(yīng)高程的體積，并生成分層體積表[14]。

2.4 石料場邊坡開挖曲面

2.4.1 石料場邊坡開挖設(shè)計

根據(jù)石料場區(qū)域工程地質(zhì)條件和實際開挖剝離需求，計算邊坡級數(shù)，并設(shè)計確定邊坡坡比、坡高、馬道寬度、支護(hù)形式等。

2.4.2 生成邊坡開挖曲面

在Civil 3D中，可以直接通過放坡工具來創(chuàng)建多級邊坡，也可以利用道路來創(chuàng)建多級邊坡并生成邊坡曲面。后一種方法直觀、高效，具體步驟如下。

（1） 制作多級邊坡部件。Civil 3D部件編輯器是一個圖形編程軟件，可定制各種部件，如道路、多級邊坡、擋土墻、隧洞等。部件編輯器提供可視化的開發(fā)界面，操作簡單且功能強大[15]。① 根據(jù)多級邊坡設(shè)計數(shù)據(jù)定義坡比、坡高、馬道寬度等每一級邊坡的部件參數(shù);② 添加點、連接等幾何要素，并進(jìn)行參數(shù)設(shè)定;③ 向多級邊坡部件添加連接代碼，以便于信息的提取;④ 將制定完成的多級邊坡部件保存為“*.pkt”文件（圖4）。

（2） 裝配多級邊坡部件并生成曲面。① 在Civil 3D中導(dǎo)入自定義的多級邊坡部件;② 利用“創(chuàng)建裝配-裝配錨點-多級邊坡部件”對多級邊坡部件進(jìn)行裝配;③ 利用“創(chuàng)建道路-選擇石料場坡底開挖軸線-選擇建立的裝配-建立道路曲面”來創(chuàng)建邊坡開挖曲面（圖5）。

生成石料場邊坡開挖曲面后，可以在Civil 3D中建立體積曲面，計算石料場有用料開采量。如果計算出的開采量和該項目的需求量有出入，可以調(diào)整石料場坡底開挖軸線的高程及方向，再次按照上述步驟重新制定多級邊坡部件并建立石料場邊坡開挖曲面，通過不斷比選，使最終的開采量符合需求量。

2.5 提取石料場邊坡開挖數(shù)據(jù)

在基于Civil 3D的三維設(shè)計中，建立的三維模型都自帶屬性，可以通過二次開發(fā)，編程提取石料場邊坡開挖模型的邊界曲面信息，進(jìn)而得到開口線坐標(biāo)。

2.5.1 提取模型邊界曲面信息原理

在Civil 3D中，三維實體模型是由點、線、面等子實體構(gòu)成。模型的幾何信息包括形體的形狀、位置、大小、尺寸等，模型的拓?fù)湫畔ㄐ误w的頂點、邊、表面等相互之間的連接關(guān)系，二者構(gòu)成一個有機的整體，共同形成對實體模型的完整描述[16]。

.NET API是通過邊界表示法（Brep）來精確表達(dá)實體模型的幾何信息和拓?fù)湫畔?。因此，可以通過建立實體模型的Brep類庫對象來訪問實體模型的各個構(gòu)成元素，如點、邊、面的基本信息和頂點坐標(biāo)數(shù)據(jù)。本文就是利用Brep類庫對實體模型邊界進(jìn)行分析，從而得到石料場邊坡開挖實體模型的開口線邊界的頂點坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

2.5.2 提取模型邊界曲面信息步驟

（1） 選擇石料場邊坡開挖實體模型中的開口線所在的開挖坡面子實體，利用Solid3d類的GetSubentityPathsAtGraphicsMarker函數(shù)獲取子實體路徑。

（2） 基于此子實體路徑，建立一個新的邊界表示對象（Brep），使子實體與自身的對象聯(lián)系起來。

（3） 利用此邊界表示對象，依次層層建立面（Face）、邊界環(huán)（BoundaryLoop）、邊（Edge）對象。最后，利用提取邊對象的端點坐標(biāo)，即得到開口線坐標(biāo)數(shù)據(jù)（圖6）。

以下是提取石料場邊坡開挖模型的邊界曲面信息主程序：

SelectedObject so = ss[0];//選擇實體

Solid3d solid = Tx.GetObject（so.ObjectId， OpenMode.ForRead） as Solid3d;//建立三維實體對象

int gsM = so.GraphicsSystemMarker; //獲取開挖坡面子實體GS標(biāo)記

IntPtr Ptr = new IntPtr（gsM）;

Point3d Pt = new Point3d（0， 0， 0）;

Matrix3d Mt=new Matrix3d（）;

ObjectId[] Id = new ObjectId[2];

FullSubentityPath[] MysubentPath =

solid.GetSubentityPathsAtGraphicsMarker（SubentityType.Face， Ptr， Pt， Mt， Id）;//獲取子實體路徑

using（Autodesk.AutoCAD.BoundaryRepresentation.Brep brep = new Autodesk.AutoCAD.

BoundaryRepresentation.Brep（MysubentPath[0]）） {//建立一個邊界表示對象

foreach（Autodesk.AutoCAD.BoundaryRepresentation.Face face in brep.Faces） {//建立一個面對象

foreach（Autodesk.AutoCAD.BoundaryRepresentation.BoundaryLoop lp in face.Loops） {//建立一個邊界環(huán)對象

int edgCnt = 0;

foreach（Autodesk.AutoCAD.BoundaryRepresentation.Edge myEdge in lp.Edges）{//建立一個邊對象

ed.WriteMessage（"＼n Edge number {0}： " +

"＼n Vertex 1： {1}" + "＼n Vertex 2： {2}"，

++edgCnt，myEdge.Vertex1.Point，myEdge.Vertex2.Point）//輸出開口線坐標(biāo)數(shù)據(jù)

}}}}

3 實例應(yīng)用

砂石骨料場位于防城港市防城區(qū)抽水蓄能電站水電站壩址東北方向，距離砂石料系統(tǒng)運輸約36.5 km，水電項目石料需求約650 000 m。石料場頂部地形平緩，地表大多為松樹林，有少部分橄欖樹和核桃樹，自然坡度為4°～7°。分布高程850～1 250 m，長度約280 m，寬度約320 m，面積約89 600 m。石料場出露地層為白堊系下統(tǒng)砂巖與泥巖，局部夾薄層泥質(zhì)粉砂巖。層狀構(gòu)造，巖層產(chǎn)狀∶傾向135°，傾角33°～42°。

石料場地質(zhì)勘察按照5個地質(zhì)斷面布置，每個斷面分布3個地質(zhì)鉆孔，總共15個地質(zhì)鉆孔，孔深為6～12 m，揭露的地層從上至下分為3個地層，分別為殘坡積土、強風(fēng)化粉砂巖、中風(fēng)化砂巖。殘坡積土和強風(fēng)化粉砂巖為剝離料，巖體較破碎，強度較低，力學(xué)性質(zhì)差。中風(fēng)化砂巖為有用料，巖體較完整，強度和承載力較高，工程地質(zhì)性質(zhì)較好。

根據(jù)擬合后的殘坡積土層、強風(fēng)化粉砂巖層、中風(fēng)化砂巖層曲面數(shù)據(jù)，按照創(chuàng)建原始地形曲面的方法，從地面到地層分別創(chuàng)建殘坡積土層、強風(fēng)化粉砂巖層、中風(fēng)化砂巖層地層曲面（圖7）。

（1） 選擇中風(fēng)化砂巖層地層曲面，利用“曲面特性-高程-范圍-指定范圍間隔與基準(zhǔn)高程-基準(zhǔn)高程-范圍詳細(xì)信息”來設(shè)置石料場開采儲量圖（圖8）。

（2） 選擇中風(fēng)化砂巖層地層曲面，利用“添加圖例-高程-動態(tài)”來添加分層體積表，并通過“表格特性-編輯表格樣式-特性-曲面范圍體積”來生成分層體積表，并顯示各高程范圍的儲量（表1）。

（3）按照上述方法，選擇原始地形曲面，同樣可以得到分層體積量，和中風(fēng)化砂巖層地層曲面得到的分層體積量相減，得到剝離體積量。最終確定石料場規(guī)劃儲量約為161萬m，其中剝離料為35萬m，有用料為126萬m，剝采比為1∶3.6，石料場開采累計曲線如圖9所示。

石料場按照坡高30～40 m一級進(jìn)行放坡;坡頂開口邊坡多為殘坡積土覆蓋層，采取1∶2的坡比進(jìn)行開挖，馬道寬度為5 m，采取噴錨支護(hù)措施;下部邊坡多為強風(fēng)化粉砂巖和中風(fēng)化砂巖，采取1∶1～1∶1.5的坡比進(jìn)行開挖，馬道寬度為3～5 m，采取噴混凝土支護(hù);整個開挖區(qū)域外圍設(shè)置截水天溝，馬道設(shè)置排水溝（圖10）。

4 結(jié) 論

依托Civil 3D強大的曲面處理功能和模型動態(tài)關(guān)聯(lián)屬性，可以快速開展石料場三維動態(tài)設(shè)計工作，簡化了設(shè)計流程，提高了設(shè)計效率和設(shè)計精度。運用Civil 3D開展石料場三維動態(tài)設(shè)計工作有以下幾個優(yōu)點。

（1） Civil 3D利用不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）進(jìn)行建模，直接利用野外實測的地形特征點、插值擬合點構(gòu)造曲面三角形，組成不規(guī)則三角網(wǎng)面結(jié)構(gòu)。三角網(wǎng)面直接利用實測數(shù)據(jù)作為網(wǎng)格結(jié)點，與地形特征相協(xié)調(diào)，保證了生成曲面的精度。在構(gòu)網(wǎng)時，通過插入特征線的方式，保留了原有關(guān)鍵地形特征，能很好地適應(yīng)復(fù)雜、多變地形。

（2） Civil 3D模型具有動態(tài)關(guān)聯(lián)屬性，在設(shè)計的任何階段，通過修改邊坡坡比、坡高、開挖要素線等參數(shù)來優(yōu)化設(shè)計方案，該模型與變更參數(shù)相關(guān)的部分會實時自動更新。這種動態(tài)關(guān)聯(lián)關(guān)系省去了傳統(tǒng)二維設(shè)計中大量重復(fù)繪制工作，降低了設(shè)計出錯率。

（3） Civil 3D設(shè)計模型建立后，可以自動生成施工平面圖，如開挖平面圖、開挖剖面圖和土方施工圖等，相比二維設(shè)計，省去了大量制圖工作，節(jié)約了設(shè)計時間。

（4） 利用Civil 3D的.NET API二次開發(fā)功能，可以根據(jù)石料場開采設(shè)計實際需要，從建立的實體模型快速獲取相關(guān)設(shè)計參數(shù)，指導(dǎo)后續(xù)施工，讓設(shè)計和施工無縫銜接，提高了工程項目管理效率。

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（編輯：李 晗）

3D dynamic design method of quarry mining based on civil 3D

WANG Dazhi， HUANG Peng

（SPIC Guangxi Electric Power Co.， Ltd.， Nanning? 530022， China）

Abstract：In view of the characteristics of complex process and various work contents of the traditional two-dimensional design method for quarry mining， a three-dimensional dynamic design method for quarry mining based on civil 3D is proposed， including the establishment of the original terrain surface， Kriging interpolation of the stratum drilling data， the establishment of the stratum curve surface， the calculation and analysis of quarry mining volume， and the excavation design of quarry slope， coordinate data extraction of the opening line of the quarry slope. The model established by this method has dynamic correlation attributes and can be updated dynamically according to the changes of design parameters. The engineering application shows that this method can simplify the design process， improve the design efficiency and accuracy， and meet the requirements of engineering design. The proposed model boundary surface information extraction method based on civil 3D secondary development technology can realize the rapid acquisition of open line construction setting out data from the design model， make the design and construction connect seamlessly， and improve the efficiency of project management.

Key words：exploitation of stone; Civil 3D; 3D dynamic design; Kriging; interpolation fitting; coordinate of opening line; secondary development technology