三維可視化土石方計算在核島負挖中的應用探討

王利超+++呂學軍++王福增

摘 要： 本文以某核電站核島負挖工程為例，運用CASS和AutoCAD軟件相結合的方式，實現了二維設計圖紙與實測離散高程點數據基于實體建模和布爾運算的三維可視化土方量計算方法。以及如何運用該方法控制負挖精度、指導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。

關鍵詞：三維可視化；實體建模；土石方計算

中圖分類號：TD235 文獻標識碼：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行。常用的方法有斷面法、方格網法、等高線法、DTM法等。在實際生產應用中，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，在生產中被廣泛應用。但該方法缺乏直觀性，無法滿足復雜情況下大規模土石方工程的計算需要。

核島負挖項目具有工期長、規模大、情況復雜、負挖高程要求精度較高等特點。原則上設計允許值之外的超挖部分不予計費，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、布爾運算、實體查詢功能相結合的方式能夠實現以三維可視化的方法進行以上計算。以下就以某核電站4號核島負挖為例，對三維可視化土石方計算方法的應用進行探討。

1.三維可視化的實現

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

1.1實體建模的定義及方法

在計算機中構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，將上述三類方法進行組合使用，以創建復雜的實體模型。

1.2利用實體建模技術實現三維可視化

核島負挖項目中涉及根據設計圖紙以及利用采集的離散高程點數據進行實體建模兩種情況。項目的基坑設計圖紙為平面二維圖紙，要建立負挖三維模型，首先應將坡頂、坡底的相對標高或坡度比等信息進行轉化，計算出各平臺、交點、拐點在廠區施工坐標系下的標高H。其次，建立該工程的三維坐標系，即以廠區坐標系中的A、B、H分別表示三維坐標系中的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計的二維圖紙轉化為三維圖紙，實現負挖建模，如圖1所示。

在土石方工程開始前，首先應使用儀器采集場地的離散高程點數據用以建立原始地貌的三維模型。數據采集完畢后在CASS軟件下使用“建立DTM”功能對采集的離散高程點數據進行建模，并通過人工干預的方式手動完善三角網，最后將建立的DTM轉到AutoCAD軟件中經過“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兩期間開挖方量計算應用的部分，將使用竣工總開挖方量計算進行說明。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號核島負挖工作完成后，使用儀器采集了開挖場地的離散高程點數據，并利用該數據建立了4號核島負挖竣工三維模型，如圖3所示。

2.1計算4號核島負挖竣工實際開挖方量

計算時首先應以竣工實測離散高程數據為基礎，建立向上拉伸的、頂標高大于原始地貌最高點高程的負挖竣工三維模型。然后將該模型和原始地貌三維模型（如圖2所示）放置到設計坐標系中，求取兩個三維模型的交集。新產生的三維模型即為4號核島負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號核島負挖竣工有效開挖方量

有效開挖方量即為在設計開挖范圍內的實際開挖方量，斷面法、方格網法、等高線法、DTM模型法等常規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行該方量的計算。求取已建立的4號核島負挖竣工三維模型和原始地貌下4號核島設計總開挖方量三維模型的交集，新產生的三維模型即為4號核島負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工程進展情況，對于指導工程進展、控制開挖精度、控制超挖方量具有很好的指導作用。

首先建立4號核島負挖竣工未開挖方量三維模型，即計算原始地貌下設計總開挖方量三維模型和負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觀察，用戶可以根據自己的需要，任意調整視角，利用三維動態觀察器調整視角的效果如圖5所示。利用已建立完成的4號核島理論場平標高下負挖三維模型和負挖竣工未開挖方量三維模型，結合AutoCAD軟件中的三維動態觀察器、查詢功能，可以計算任意開挖部位距設計開挖標高的差值。利用該方法可以形象直觀的指導生產，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環境下，使用4號核島負挖竣工采集的離散點數據建立的DTM和3、4號核島原始地貌DTM進行兩期間土方量計算，經計算開挖土方量為212037方。在本文2.1中使用三維可視化方法進行4號核島負挖竣工實際開挖方量計算的結果同樣為212037方，兩者計算結果一致。經分析認為，兩者的建模原理一致是產生該現象的根本原因。同時也說明使用三維可視化方法計算的結果精度可靠。

結論

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、布爾運算相結合的方式實現了復雜情況下土石方計算的三維可視化方法，經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生產，控制開挖精度和減少超挖方量。

參考文獻

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