鄭紅璽

（大唐賓川水電有限責(zé)任公司，云南 大姚 675400）

CAD三維立體建模在導(dǎo)流洞貫通測(cè)量中的應(yīng)用

鄭紅璽

（大唐賓川水電有限責(zé)任公司，云南 大姚 675400）

利用CAD三維立體建模再剖切斷面的方式，在導(dǎo)流洞開挖放線過程中，根據(jù)掌子面推進(jìn)情況，在已建模的CAD圖形中提取放樣點(diǎn)坐標(biāo)，然后對(duì)導(dǎo)流洞下一循環(huán)掌子面設(shè)計(jì)開挖斷面放線，減少測(cè)量外業(yè)的計(jì)算步驟，簡(jiǎn)化計(jì)算，提高效率，杜絕測(cè)量工作中不必要的人為錯(cuò)誤，提高施測(cè)精度。利用三維立體建模的整體性可以很好地編制工程的施工測(cè)量方案，并且根據(jù)施測(cè)過程中的數(shù)據(jù)和三維實(shí)體結(jié)合，及時(shí)整改和優(yōu)化施測(cè)方法，發(fā)現(xiàn)施測(cè)過程中的錯(cuò)誤，減小導(dǎo)流洞貫通測(cè)量誤差。洞身開挖過程中根據(jù)外業(yè)采集數(shù)據(jù)與三維實(shí)體結(jié)合可以直觀看出導(dǎo)流洞的超、欠挖情況，精確快速計(jì)算不規(guī)則斷面的超欠挖工程量，加快測(cè)量放樣速度。

CAD三維建模；導(dǎo)流洞；貫通測(cè)量

1 概述

隨著測(cè)量設(shè)備的更新發(fā)展，越來越先進(jìn)的全站儀三維測(cè)量放樣設(shè)備已被廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域。結(jié)合計(jì)算機(jī)應(yīng)用的普及，采用AutoCAD軟件制作的三維立體圖也逐步地在建筑工程行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，CAD三維建模技術(shù)已在生產(chǎn)實(shí)際中發(fā)揮了巨大的作用；隨著計(jì)算機(jī)科技的發(fā)展，計(jì)算機(jī)性能的提升，CAD三維建模技術(shù)已經(jīng)越來越多地被許多公司采用，應(yīng)用于各領(lǐng)域的繪圖設(shè)計(jì)。

以往，受計(jì)算機(jī)性能等因素的限制，大部分繪圖軟件基本上只能進(jìn)行平面設(shè)計(jì)，欠缺真實(shí)感，部分三維立體建模通常只應(yīng)用在施工組織效果圖上。而CAD立體繪圖則突破了這一局限，各工具界面的繪圖和繪圖輔助功能比較全面豐富，如實(shí)體繪制、實(shí)體編輯、建模、標(biāo)注、視圖轉(zhuǎn)換、旋轉(zhuǎn)觀察等，它的菜單、對(duì)話框、工具欄、文本編輯、信息交換、預(yù)覽、圖像處理等功能均給用戶繪圖帶來很大方便。令設(shè)計(jì)藍(lán)圖更加實(shí)體化，三維功能可方便地進(jìn)行建模和渲染，三維圖紙繪制也更加能夠表達(dá)出2D平面圖紙無法繪制的曲面，能夠更充分表達(dá)設(shè)計(jì)人員的意圖。

2 三維立體建模技術(shù)原理及應(yīng)用

2.1 技術(shù)原理

利用CAD三維立體建模技術(shù)，繪制導(dǎo)流洞洞身三維模型，在對(duì)導(dǎo)流洞開挖放線過程中，根據(jù)掌子面推進(jìn)情況，在已建模的CAD圖形中提取放樣點(diǎn)坐標(biāo)，然后對(duì)導(dǎo)流洞下一循環(huán)掌子面設(shè)計(jì)開挖斷面放線；通過在地形圖上構(gòu)建三角網(wǎng)方式構(gòu)建三維實(shí)體地形，利用開挖前后兩次的三維實(shí)體地形來完成開挖工程量計(jì)算。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

（1）利用CAD三維立體建模技術(shù)來完成復(fù)雜建筑物的施工測(cè)量工作，簡(jiǎn)單、方便、易操作?？梢员苊鉁y(cè)量工作中不必要的人為錯(cuò)誤。

（2）利用CAD三維立體建模技術(shù)來完成較復(fù)雜地形地貌的開挖工程量計(jì)算，計(jì)算簡(jiǎn)便快捷，精確度較高。

3 三維立體建模技術(shù)在工程中的具體特點(diǎn)和實(shí)踐依據(jù)

在水利水電工程施工測(cè)量中，坐標(biāo)放樣通常都是由測(cè)量專業(yè)技術(shù)人員使用計(jì)算器進(jìn)行編程，校核數(shù)據(jù)后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)放樣；在導(dǎo)流洞工程施工放樣中，對(duì)于一些特殊部位異性結(jié)構(gòu)的編程往往比較困難，如洞身結(jié)構(gòu)、進(jìn)口漸變段、出口挑流鼻坎等型體特殊的構(gòu)筑物，采用傳統(tǒng)的計(jì)算器編程、計(jì)算方式，不但耗費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間，而且發(fā)生錯(cuò)誤概率較大，往往需要多人對(duì)同一個(gè)程序進(jìn)行反復(fù)校核，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際實(shí)施統(tǒng)計(jì)部分漸變段異性結(jié)構(gòu)在編程過程中需要專業(yè)測(cè)量技術(shù)人員進(jìn)行2～3 d的程序編寫、校驗(yàn)。在施工測(cè)量中運(yùn)用CAD三維立體建模技術(shù)，按照?qǐng)D紙結(jié)構(gòu)尺寸繪制三維圖，徹底解決了施工測(cè)量放樣中計(jì)算復(fù)雜及工程量計(jì)算誤差大的問題。不僅提高了效率、保證了施測(cè)精度，而且節(jié)約了成本、為測(cè)量人員減少了不必要的麻煩。同時(shí)，三維立體圖也可以在施工中起到直觀的指導(dǎo)作用，在后期的工程量計(jì)算過程中直接使用查詢等命令，可快速查詢相應(yīng)工程量。在以往的水利水電工程中，遇到大型開挖、混凝土工程量的計(jì)算時(shí)，通常都采用剖面法進(jìn)行帶狀工程部位的工程量計(jì)算；對(duì)于封閉的區(qū)域則采用網(wǎng)格法進(jìn)行計(jì)算。這次，我們也嘗試在建模和施測(cè)、實(shí)測(cè)過程中將數(shù)據(jù)疊加差集，在需要進(jìn)行出具某部位工程量的時(shí)候，直接切割測(cè)量即可，簡(jiǎn)單、快捷、精確。

這次我們?cè)趯?dǎo)流洞施工中，采用三維立體建模技術(shù)繪制三維圖，在測(cè)量放樣實(shí)施過程中結(jié)合計(jì)算器編程進(jìn)行效驗(yàn)，探索和驗(yàn)證三維立體建模在導(dǎo)流洞貫通測(cè)量中的應(yīng)用。

在三維立體建模繪圖中我們利用UCS命令，通過命名（ucsman）把WGS坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為獨(dú)立的施工坐標(biāo)系，這樣所有數(shù)據(jù)和提取點(diǎn)的坐標(biāo)便可直接作為施工坐標(biāo)應(yīng)用；圖1為未做消隱處理的導(dǎo)流洞進(jìn)口漸變段三維線框圖。

圖1 導(dǎo)流洞口漸變段三維線框圖

在導(dǎo)流洞工程中，對(duì)規(guī)則有序部位的放樣，如洞身段，使用三維動(dòng)態(tài)觀察器（3dorbit）命令任意旋轉(zhuǎn)查看三維實(shí)體，在使用著色命令（Shademode）就可以查看三維實(shí)體的著色面或內(nèi)部三維線框，然后使用查詢命令（id）進(jìn)行查詢，就可以準(zhǔn)確得到需要放樣部位的坐標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。對(duì)于進(jìn)口漸變段、出口挑流鼻坎等異形建筑物，需要提取坐標(biāo)時(shí)，假定X樁號(hào)一定，需要用測(cè)量的Y樁號(hào)推求對(duì)應(yīng)的高程H，則可以利用現(xiàn)有的三維立體圖，使用剖切（Slice）命令，沿著垂直于X軸與Y軸構(gòu)成的平面并且包含有測(cè)量點(diǎn)Y樁號(hào)的任意不在同一直線上的三點(diǎn)進(jìn)行剪切，利用查詢（ld）命令則可查詢其對(duì)應(yīng)的H高程，解決施工放樣中難計(jì)算的構(gòu)筑物的坐標(biāo)及高程。

在內(nèi)業(yè)工程量計(jì)算中，對(duì)于進(jìn)口漸變段、出口挑流鼻坎等復(fù)雜型體的開挖量和混凝土澆筑量計(jì)算時(shí)，利用三維立體建模技術(shù)可以方便、快捷、準(zhǔn)確的計(jì)算。在繪制三維立體模型完成后，要計(jì)算某實(shí)體模型的體積，首先選中實(shí)體，利用CAD中（MASSPROP）命令可以方便求得復(fù)雜型體的體積。

CAD三維建模技術(shù)成功應(yīng)用于導(dǎo)流洞貫通測(cè)量后，在后續(xù)復(fù)雜建筑物的施工測(cè)量中也得到了廣泛的應(yīng)用。在施工測(cè)量中運(yùn)用三維立體圖形技術(shù)，極大地解決了施工測(cè)量放樣中計(jì)算復(fù)雜和工程量計(jì)算誤差大等問題，提高了效率、保證了施測(cè)精度，而且節(jié)約了成本、為測(cè)量技術(shù)人員減少了不必要的麻煩。

4 三維立體建模技術(shù)在導(dǎo)流洞工程中應(yīng)用的目的和意義

復(fù)雜建筑物施工測(cè)量的外業(yè)計(jì)算復(fù)雜、易出錯(cuò)，內(nèi)業(yè)工程量計(jì)算繁瑣，利用CAD三維立體建模配合全站儀進(jìn)行施工放樣可以簡(jiǎn)化外業(yè)繁雜的計(jì)算、提高施測(cè)效率、保證施測(cè)精度，根據(jù)已完成測(cè)量工作的外業(yè)數(shù)據(jù)與立體模型比對(duì)，可以直觀的反應(yīng)出施測(cè)過程中的錯(cuò)誤，及時(shí)調(diào)整和優(yōu)化施測(cè)方案，對(duì)測(cè)量誤差有很好的預(yù)見性。

本次研究應(yīng)用對(duì)象為導(dǎo)流洞工程，利用CAD三維立體建模再剖切斷面的方式對(duì)導(dǎo)流洞掌子面設(shè)計(jì)開挖斷面放線，以減少測(cè)量外業(yè)的計(jì)算步驟，簡(jiǎn)化計(jì)算，提高效率，杜絕測(cè)量工作中不必要的人為錯(cuò)誤，提高施測(cè)精度。利用三維立體建模的整體性可以很好地編制工程的施工測(cè)量方案，并且根據(jù)施測(cè)過程中的數(shù)據(jù)和三維實(shí)體結(jié)合，及時(shí)整改和優(yōu)化施測(cè)方法，及時(shí)發(fā)現(xiàn)施測(cè)過程中的錯(cuò)誤，減小導(dǎo)流洞貫通測(cè)量誤差。洞身開挖過程中根據(jù)外業(yè)采集數(shù)據(jù)與三維實(shí)體結(jié)合可以直觀看出導(dǎo)流洞的超欠挖情況，能夠精確快速計(jì)算不規(guī)則斷面的超欠挖工程量。

5 三維立體建模技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

5.1 施工放樣時(shí)間上的優(yōu)勢(shì)

利用三維建模技術(shù)輔助施工測(cè)量和傳統(tǒng)施工測(cè)量技術(shù)流程對(duì)比見圖2、3。

圖2 利用三維立體建模技術(shù)輔助施工測(cè)量流程圖

圖3 傳統(tǒng)施工測(cè)量技術(shù)流程圖

利用三維立體建模技術(shù)輔助施工測(cè)量可節(jié)約時(shí)間60%左右，直接提高了測(cè)量人員的工作效率，為施工中后續(xù)工作節(jié)約了時(shí)間，為工程減少測(cè)量人員投入和為加快施工進(jìn)度創(chuàng)造了有利條件。

在導(dǎo)流洞開挖施工中，從測(cè)量放線、打鉆、爆破、出渣一個(gè)工作循環(huán)需要12 h，其中每個(gè)工作循環(huán)測(cè)量放線環(huán)節(jié)需要耗時(shí)80 min，利用三維立體建模技術(shù)輔助施工測(cè)量每個(gè)工作循環(huán)可節(jié)約時(shí)間48 min，每月按30 d（60個(gè)工作循環(huán)）計(jì)算，可在原有基礎(chǔ)上可增加兩個(gè)工作循環(huán)。在本工程施工高峰期時(shí)每月產(chǎn)值750萬元，每12 h產(chǎn)值為750÷60=12.5萬元，利用三維立體建模技術(shù)輔助施工測(cè)量每月可以為項(xiàng)目增加產(chǎn)值12.5×2=25萬元。

圖4 進(jìn)口漸變段三維立體模型1

圖5 進(jìn)口漸變段三維立體模型2

圖6 進(jìn)口漸變段三維立體模型3

圖7 導(dǎo)流洞0+015斷面

表2 導(dǎo)流洞0+015斷面坐標(biāo)表

5.2 簡(jiǎn)化計(jì)算、減少人為錯(cuò)誤的優(yōu)勢(shì)

由傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)流程圖可知，傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)步驟較多，耗時(shí)較長(zhǎng)，過程中最容易出現(xiàn)錯(cuò)誤的地方有計(jì)算器程序編制錯(cuò)誤和現(xiàn)場(chǎng)利用計(jì)算器計(jì)算放樣參數(shù)錯(cuò)誤；而利用三維立體建模技術(shù)輔助施工測(cè)量時(shí)省去了其中繁雜的計(jì)算過程，大大減少了測(cè)量放樣過程中的人為錯(cuò)誤。傳統(tǒng)施工測(cè)量技術(shù)在進(jìn)行復(fù)雜型體建筑物放樣時(shí)準(zhǔn)備工作較為繁瑣，現(xiàn)場(chǎng)放樣時(shí)計(jì)算復(fù)雜、步驟多、容易出錯(cuò)，而利用三維立體建模技術(shù)進(jìn)行復(fù)雜型體建筑物放樣時(shí)計(jì)算簡(jiǎn)單、易操作，只要三維立體模型繪制標(biāo)準(zhǔn)，就可對(duì)復(fù)雜型體的建筑物進(jìn)行快速放樣。

CAD三維立體建模技術(shù)已在導(dǎo)流洞施工測(cè)量過程中成功采用，利用此技術(shù)快速、簡(jiǎn)便的施工放樣和工程量計(jì)算為導(dǎo)流洞工程的測(cè)量工作順利開展起到了很大作用。

6 總結(jié)

通過這次應(yīng)用三維立體建模技術(shù)相比傳統(tǒng)計(jì)算施測(cè)可節(jié)約時(shí)間60%左右，直接提高了測(cè)量人員的工作效率，為施工中后續(xù)工作節(jié)約了時(shí)間，為工程減少測(cè)量人員投入和加快施工進(jìn)度創(chuàng)造了有利條件，節(jié)約了項(xiàng)目固定成本。

此次CAD三維立體建模技術(shù)在導(dǎo)流洞施工測(cè)量中應(yīng)用較為成功，根據(jù)施測(cè)過程中的數(shù)據(jù)和三維實(shí)體結(jié)合，及時(shí)整改和優(yōu)化施測(cè)方法，及時(shí)發(fā)現(xiàn)施測(cè)過程中的錯(cuò)誤，減小導(dǎo)流洞貫通測(cè)量誤差，同時(shí)能夠精確快速計(jì)算不規(guī)則斷面的超欠挖工程量，對(duì)類似的工程項(xiàng)目有一定參考意義。

（責(zé)任編輯：劉征湛）

Application of CAD 3D model in transfixion survey of diversion tunnel

ZHENG Hong-xi
(Binchuan Hydropower Co.,Ltd.of China Datang Corporation,Dayao 675400,China)

CAD 3D modeling was completed before the sectional drawings are extracted.In the course of diversion tunnel excavation,the coordinates of setting-out points were extracted from the CAD drawings according to the advancing progress of heading face,which permits less field survey works,simplified calculation,higher efficiency and construction survey accuracy,prevents human mistake.The integrity of 3D model is helpful for the drafting of construction survey scheme.By combining the field measurement data with 3D entity,survey methods may be corrected or optimized timely;measurement mistakes may be found out;transfixion survey error of diversion tunnel may be reduced;excessive or insufficient excavation become visual;accurate and quick calculation of excavation quantities for irregular profiles is possible,so as to accelerate survey setting out speed.

CAD 3D model;diversion tunnel;transfixion survey

TP391.72

B

1003-1510（2016）06-0060-04

聲 明

《廣西水利水電》編輯部

2016-09-01

鄭紅璽（1982-），男，甘肅民樂人，大唐賓川水電有限責(zé)任公司工程師，學(xué)士，主要從事水利水電工程技術(shù)管理工作。

本刊已許可中國(guó)學(xué)術(shù)期刊（光盤版）電子雜志社在中國(guó)知網(wǎng)及其系列數(shù)據(jù)庫(kù)產(chǎn)品中以數(shù)字化方式復(fù)制、匯編、發(fā)行、信息網(wǎng)絡(luò)傳播本刊全文。該社著作權(quán)使用費(fèi)與本刊稿酬一并支付。作者向本刊提交文章發(fā)表的行為即視為同意上述聲明。