三維場地設計在水利工程中的應用

2019/09/19

通常來說，在水利水電工程設計中，開挖圖的繪制較為繁雜。如果采用常規的平面 CAD 繪圖軟件來設計，難以準確表達設計思想。江西省水利規劃設計院基于 GeoPAK Site 三維場地設計軟件對浯溪口水利樞紐進行三維開挖輔助設計，取得了良好的效果，其經驗可供類似工程參考。

三維場地設計在水利工程中的應用

水利工程開挖設計的新方式

浯溪口水利樞紐工程是相對復雜的水利工程，以防洪功能為主，兼顧供水、發電等功能。工程場地設計本來是一個復雜繁瑣的過程，即使在二維環境下借助 ZDM 等相關軟件插件，也不能很好地表達場地開挖、回填的真實情況。對于地形復雜的水利樞紐工程來說，開挖設計質量很大程度上依賴于設計工程師的三維空間想象力。加上不可避免的重復計算和制圖過程，不能不說場地開挖設計變成了一個繁重的設計任務，而且開挖圖的繪制還耗時耗力。此外，常規二維開挖圖在表達設計成果方面不如三維設計成果那樣直觀和有空間感，這給實際現場施工帶來一定的困難。

由 Bentley 提供的 GeoPAK 是一款集成的土木設計和工程三維設計軟件，工程場地開挖主要使用GEOPAK Site 模塊來實現場地的開挖設計。GeoPAK Site 是專注于場地開挖的三維設計軟件，它具有一整套動態而靈活的場地設計工具，廣泛應用于基礎開挖項目，如建筑場地平整，渠道、公路和水利樞紐基礎開挖等，其出色的內部算法和對計算機運算能力的充分應用，有效地減輕了復雜場地開挖圖設計的負擔，且其準確快捷的工程量統計也為投資概算精確計算打下了基礎。這款三維軟件可以按照開挖的先后順序實現工程的模擬，比二維設計的計算方法更加直觀，在指導施工方面更具實用價值。相關人員可以在 MicroStation 中建立樞紐各個組成部分（如重力壩、廠房等）的三維模型。將模型組裝完成后，結合建筑物的外輪廓線，以及測量和地質數據，在GeoPAK中可以實現場地的開挖模擬。將測量數據和地址數據導入 GeoPAK 中，把建筑物的外輪廓線投影到設計高程（某點沿鉛垂線方向到絕對基面的距離）上，就可以按照設計邊坡在原地形上進行放坡（為了防止塌方、確保施工安全，在挖方超過一定深度或填方超過一定高度時，在其邊沿放出的足夠的邊坡），修筑馬道等。在建筑物開挖部分有交集的地方，軟件可自動進行處理，防止重復計算開挖量。

三維場地設計在水利工程中的應用

關鍵的五個步驟

基于 GeoPAK Site 的開挖輔助設計主要流程有建立三維數字地面模型，提取開挖邊界，確定開挖坡比（坡面的垂直高度和水平寬度的比叫做坡比）、范圍和方案等，調整、優化設計方案，以及成果整理與出圖。浯溪口水利樞紐項目中，開挖設計主要包含以下幾個關鍵步驟：

? 第一步：建立三維數字地面模型。首先在Bentley 協同設計平臺 MicroStation 上建立各個組成部分的三維模型。

? 第二步：提取開挖邊界。在樞紐模型總裝完成后，搜集所需的測量資料（如前期的DWG工程地形圖紙文件），利用等高線、高程點等數據生成GeoPAK 可識別的tin（不規則三角網格）文件。導入原始地形的tin文件，將其作為開挖設計的基準面。

? 第三步：模擬開挖順序。因施工順序不同，各個不同的構筑物的開挖設計順序也不同。 GeoPAK 可以按照施工順序為不同構筑物創建相應的對象，所有對象隸屬于統一的場地開挖模型。

? 第四步：計算工程量。在開挖設計完成后，再進行工程量統計。

? 第五步：根據三維開挖模型生成平面圖和剖面圖。完成GeoPAK Site 開挖設計后，還要對設計成果進行整理。

遠不止于提高效率

基于MicroStation 的GeoPAK Sit 可以充分發揮計算機的自動化、智能化優勢，給水利水電工程的設計提供了很大的幫助。三維可視化設計是設計行業的一個發展方向。隨著勘測設計業務的日益市場化，業主對工程勘測設計的質量要求越來越高，而對設計周期的要求卻越來越短。如果設計院能夠采用 GeoPAK Site進行輔助設計，不僅可以快速對設計方案進行比較，還可以在很短的時間內完成設計方案的修改。在開挖和回填工程量的統計上，雖然當前的結果表現方式還不是很理想，但精確程度是很高的。相信隨著三維設計軟件的進一步發展，越來越多適合水利行業的模塊會得到完善，從而大幅提供設計質量和效率。