三維場地設計在水利工程中的應用

翁發(fā)根

在浯溪口水利樞紐項目中，江西省水利規(guī)劃設計院借助集成的土木設計和工程三維設計軟件GeoPAK Site進行三維開挖輔助設計。借助強大的三維場地運算分析能力，該項目的整個設計過程相對于傳統(tǒng)的二維設計更加高效、準確、直觀，而且系統(tǒng)能自動計算工程量，取得了較好的設計成果。

水利工程開挖設計的新方式

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臺機，總裝機容量32.0兆瓦 （2×15兆瓦+ 1×2.0兆瓦）。可見，浯溪口水利樞紐工程是個相對復雜的水利工程。

工程場地設計本來是一個復雜繁瑣的過程，即使在二維環(huán)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(guī)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(xiàn)場施工帶來一定的困難。

為此，在浯溪口水利樞紐項目中，江西省水利規(guī)劃設計院借助集成的土木設計和工程三維設計軟件GeoPAK Site進行三維開挖輔助設計。

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(xiàn)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(tài)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(tǒng)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(xiàn)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(shù)據(jù)，在GeoPAK中可以實現(xiàn)場地的開挖模擬。將測量數(shù)據(jù)和地址數(shù)據(jù)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。

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(shù)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(yōu)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(shù)字地面模型。在浯溪口水利樞紐工程中，江西省水利規(guī)劃設計院首先在Bentley協(xié)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(shù)據(jù)生成GeoPAK 可識別的tin（不規(guī)則三角網(wǎng)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。從開挖文件中提取樞紐模型外輪廓線作為開挖的元素線。把重力壩和廠房的外輪廓線（基礎輪廓）投影到設計高程上，根據(jù)原始地形設計放坡和馬道（深坑基礎開挖、圍堰中的運輸?shù)缆坊蚱脚_）等。

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(chuàng)建相應的對象，所有對象隸屬于統(tǒng)一的場地開挖模型。通過編輯、調整模型中對象的順序來模擬開挖施工順序。本工程將基坑，左、右岸上壩公路和進廠公路列為不同對象，對整個場地模型放坡，通過調整FIFO（先入先出隊列）順序來實現(xiàn)開挖順序模擬。

第四步，計算工程量。在開挖設計完成后，再進行工程量統(tǒng)計。可以直接通過GeoPAK Site的模型查詢法實現(xiàn)，即使用查詢命令，將開挖后模型和原地面模型進行演算，得出整個工程的開挖和回填的工程量，也可分高程、分構筑物得出相應的工程量。

第五步，根據(jù)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。由于GeoPAK Site儲存了三維開挖設計的所有信息，因此可以在任何所需位置剖切出開挖剖面圖；投影提取、開挖設計過程中的要素線、開挖邊界，并參考原地形圖生成開挖平面圖，根據(jù)需要標示相應的尺寸、高程。

遠不止于提高效率

基于MicroStation的GeoPAK Sit可以充分發(fā)揮計算機的自動化、智能化優(yōu)勢，給水利水電工程的設計提供了很大的幫助。

GeoPAK Site 的計算準確度取決于地形測量基礎數(shù)據(jù)和設計人員所選定的三角網(wǎng)格精度。相比在平面圖紙上通過剖切典型斷面來計算工程量，GeoPAK Site能更加精確地反映場地的開挖、回填情況。GeoPAK具有實時設計功能，即只要調整設計要素線，整個工程的模型就隨之更新，使三維場地的開挖、回填設計成果變得更加直觀。如果重新運行工程量查詢命令，工程量會隨之更新。

運用GeoPAK Site軟件進行輔助設計，能夠實現(xiàn)場地開挖的三維可視化，直觀地反映工程布置情況，并高效地指導場地開挖、比選優(yōu)化和工程量統(tǒng)計等業(yè)務，從而更好地管理和組織后續(xù)施工工作。此外，相關人員還可以根據(jù)三維模型的放坡邊界線得出工程的占地面積，檢查放坡設計的合理性，進而避免過多高邊坡的出現(xiàn)，使得設計更加合理。

不過在計算土方和石方的工程量時，需要區(qū)分地層屬性。這就需要得到地質資料作為基礎。GeoPAK 是將地質鉆孔數(shù)據(jù)和實際地形信息結合起來生成三維地質模型的。在浯溪口水利樞紐項目三維設計開展過程中，江西省水利規(guī)劃設計院受實際條件限制，并未采用地質鉆孔數(shù)據(jù)來生成三維地質模型，這就為基礎開挖、邊坡設計、工程量統(tǒng)計帶來一些不便。因此，在后期開展類似項目時，應首先建立基于三維地質的數(shù)字地面模型。

由于目前GeoPAK Site在國內水利行業(yè)的應用尚處于起步階段，軟件所采用的一些標準跟我國水利行業(yè)的要求不統(tǒng)一，很多細部的標注信息需要用戶自己定義，江西省水利規(guī)劃設計院也耗費了不少精力用在后期的成果整理和開挖圖出圖上。

總而言之，三維可視化設計是設計行業(yè)的一個發(fā)展方向。隨著勘測設計業(yè)務的日益市場化，業(yè)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(tǒng)計上，雖然當前的結果表現(xiàn)方式還不是很理想，但精確程度是很高的。相信隨著三維設計軟件的進一步發(fā)展，越來越多適合水利行業(yè)的模塊會得到完善，從而大幅提供設計質量和效率。