李　敏

(四川涼山水洛河電力開(kāi)發(fā)有限公司，四川 成都　610041)

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CAD建模技術(shù)在工程計(jì)量管理中的應(yīng)用

李敏

(四川涼山水洛河電力開(kāi)發(fā)有限公司，四川 成都610041)

Auto CAD作為一套強(qiáng)大的輔助設(shè)計(jì)軟件，不僅擁有強(qiáng)大的平面設(shè)計(jì)及制圖能力，而且其精確的三維建模功能亦受到越來(lái)越多用戶(hù)的歡迎。目前，三維建模功能亦越來(lái)越強(qiáng)大，模型不僅能直觀真實(shí)地再現(xiàn)場(chǎng)景，其坐標(biāo)和高程均可采用大地坐標(biāo)，給人以身臨其境的感覺(jué)；正因?yàn)榇?，AutoCAD在工程計(jì)量方面也有著其獨(dú)到的特點(diǎn)和精準(zhǔn)度。

autoCAD建模；工程計(jì)量；建模方法；主要問(wèn)題；優(yōu)缺點(diǎn)比較

1　概　述

傳統(tǒng)的工程計(jì)量在水利水電工程中大多采用近似計(jì)算的方法，如傳統(tǒng)的土石方測(cè)量采用斷面平均法；現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展為采用專(zhuān)業(yè)測(cè)繪軟件土石方開(kāi)挖工程量；其計(jì)算的過(guò)程和精度均有大幅度的提高，然面對(duì)設(shè)計(jì)復(fù)雜、不規(guī)則體型結(jié)構(gòu)的計(jì)算，其斷面中的設(shè)計(jì)線(xiàn)則難以確定，這樣也就難以保證計(jì)算結(jié)果的正確性，如利用簡(jiǎn)化計(jì)算求解不規(guī)則喇叭口結(jié)構(gòu)混凝土工程量，計(jì)算結(jié)果繁復(fù)，也不直觀，且計(jì)算結(jié)果與真實(shí)值偏差較大。

AutoCAD建模技術(shù)已經(jīng)在工程管理中發(fā)揮著越來(lái)越多的作用，包括方案設(shè)計(jì)，施工組織管理等；然而利用AutoCAD模型屬性中包含的獨(dú)特參數(shù)來(lái)解決復(fù)雜體形的計(jì)量問(wèn)題，卻更為方便和直觀，如水工建筑物中常見(jiàn)的喇叭口、橢圓錐坡、杻面，廠(chǎng)房中的蝸殼、尾水管等結(jié)構(gòu)混凝土工程計(jì)量；更值得一提的是利用AutoCAD建模的方式來(lái)處理大規(guī)模的測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)原始地形地貌建模，形成土石方開(kāi)挖實(shí)體的形狀，然后僅通過(guò)查詢(xún)及能獲得精確的開(kāi)挖工程量，使計(jì)量工作變得簡(jiǎn)單、快捷、精確而直觀。

在AutoCAD中，模型有表面模型和實(shí)體模型之分，表面模型缺少體積質(zhì)量等參數(shù)，而我們?cè)诠こ逃?jì)量中，大多是需要查詢(xún)體積參數(shù)的，故，建立實(shí)體模型是我們需要重點(diǎn)掌握的技能。

在AutoCAD中，常見(jiàn)的規(guī)則的幾何形狀(如立方體、球體、圓錐體，棱柱等)的建模均比較容易掌握，其組合使用已經(jīng)得到推廣；因此，在本文中僅重點(diǎn)介紹水利水電工程中較復(fù)雜的異型結(jié)構(gòu)的實(shí)體建模和用大量測(cè)量數(shù)字形成的地形地貌的實(shí)體建模的方法和技巧。

2　建模方法

理論上，所有的復(fù)雜結(jié)構(gòu)都是由若干簡(jiǎn)單的形狀組成，因此，學(xué)會(huì)使用基本的三維操作命令，并加以合理組合和加減運(yùn)算等，是三維建模學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，正確理解圖形，掌握基本操作命令并靈活使用是關(guān)鍵。

2.1復(fù)雜結(jié)構(gòu)的建模技巧

2.1.1靈活設(shè)置用戶(hù)坐標(biāo)

在大地坐標(biāo)的基礎(chǔ)上確定建筑物的主軸方向及高程，但對(duì)結(jié)構(gòu)物來(lái)說(shuō)，它存在各個(gè)方向上的不同的主平面，在建造模型時(shí)，要根據(jù)需要變換用戶(hù)坐標(biāo)，是非常重要的。

2.1.2重要命令的組合使用

拉伸、剖切、布爾運(yùn)算、放樣、旋轉(zhuǎn)等是建模中常用的重要命令，配合坐標(biāo)變換等，可以解決大部分較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)物的建模問(wèn)題。

紫平鋪的2號(hào)導(dǎo)流洞進(jìn)水塔及漸變段結(jié)構(gòu)模型，如圖1，進(jìn)口水平向和豎直向均為不同參數(shù)的橢圓曲線(xiàn)；漸變段則由城門(mén)洞型漸變?yōu)轳R蹄形斷面，主要通過(guò)拉伸、剖切、布爾運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)。

紫平鋪工程右岸為高邊坡(圖2)，除了右岸全部的結(jié)構(gòu)物外，最終的地形地貌根據(jù)設(shè)計(jì)藍(lán)圖標(biāo)識(shí)的尺寸和坡比復(fù)原出來(lái)，主要通過(guò)“剖切”命令即可實(shí)現(xiàn)。

印尼ASAHAN NO1電站蝸殼、尾水管結(jié)構(gòu)(圖3)，蝸殼軸線(xiàn)在水平面上轉(zhuǎn)彎，為非圓形軌跡，同時(shí)，蝸殼直徑不斷減??；而尾水管的斷面自上而下，斷面由圓形漸變?yōu)閳A臺(tái)，繼續(xù)變寬同時(shí)變窄，最后變?yōu)樨Q直的大方孔，軌跡由豎直變?yōu)樗?，最后斜向上行。該結(jié)構(gòu)為水利水電中復(fù)雜結(jié)構(gòu)的代表，最快捷的實(shí)體建模方法是采用空間“放樣”的命令來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖1　紫平鋪工程2#導(dǎo)流洞進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)模型

圖2　紫平鋪工程右岸設(shè)計(jì)邊坡模型

圖3　印尼ASAHAN NO1工程蝸殼、尾水管結(jié)構(gòu)模型

印尼ASAHAN NO1導(dǎo)流洞的封堵和引水隧洞的開(kāi)挖襯砌段結(jié)構(gòu)(如圖4)，原有的導(dǎo)流洞與引水洞軸線(xiàn)空間交叉，斷面的形狀和大小均不一樣，有部分混凝土拆除和擴(kuò)挖；引水洞要重新襯砌，而導(dǎo)流洞則要封堵回填，該部分工程量的表達(dá)則主要使用多次且不同方向的空間拉伸，同時(shí)按照設(shè)計(jì)圖紙要求構(gòu)造擴(kuò)挖補(bǔ)強(qiáng)段模型，然后配合多種多次的布爾運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖4　印尼ASAHAN NO1導(dǎo)流洞的封堵和引水洞的襯砌段

2.2用測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)復(fù)雜地形地貌的建模

2.2.1測(cè)量數(shù)據(jù)的展點(diǎn)

測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)源于各種測(cè)量?jī)x器，現(xiàn)代測(cè)量?jī)x器以“全站儀”為主，所測(cè)數(shù)據(jù)一般為坐標(biāo)(X,Y,Z)的記事本文件，該數(shù)據(jù)可直接通過(guò)CAD軟件或南方測(cè)繪(CASS)轉(zhuǎn)換成測(cè)區(qū)的地形圖，如，印尼ASAHAN NO1廠(chǎng)區(qū)開(kāi)挖地形圖(圖5)測(cè)點(diǎn)展點(diǎn)后的平面圖，據(jù)此，可以觀察測(cè)區(qū)的地形地貌狀況。

圖5　印尼ASAHAN NO1廠(chǎng)區(qū)開(kāi)挖地形圖

2.2.2拉伸成實(shí)體

展點(diǎn)成圖后，地形圖和所有的測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)均可見(jiàn)，通過(guò)封閉的等高線(xiàn)可以生成地形地貌實(shí)體(等高線(xiàn)需作進(jìn)一步處理，可選擇使用)。另一種更簡(jiǎn)單有效的方法是關(guān)閉等高線(xiàn)等圖層，打開(kāi)三角網(wǎng)圖層(三角網(wǎng)亦是地表形狀的描述，其描述精度與等高線(xiàn)一樣，取決于測(cè)點(diǎn)的密度)，同時(shí)選中所有三角網(wǎng)，沿豎直方向向下“拉伸”成柱體，然后選取“布爾運(yùn)算合并”所有拉伸的柱體后，測(cè)區(qū)地貌實(shí)體模型即已完成(圖5)。

2.2.3 繪制生成設(shè)計(jì)邊坡

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙?jiān)趯?shí)體圖中確定設(shè)計(jì)邊坡的位置，坡比，坡面方向等參數(shù)，再順著設(shè)計(jì)坡比，高程，馬道寬度，坡面方向等參數(shù)“剖切”已生成的原始地形地貌，將其切分成兩部分，一部分為保留的未開(kāi)挖部分，另一部分即為被挖除部分，其體積即為開(kāi)挖工程量，成型效果如下(圖6)。

實(shí)際開(kāi)挖計(jì)量中，還應(yīng)涉及土石分界，超、欠挖工程量的情況，其處理原則同上，主要通過(guò)布爾運(yùn)算的“差集”“交集”“并集”等命令可實(shí)現(xiàn)土石工程量的分解，完成超、欠挖工程量的模型，如廠(chǎng)房基坑實(shí)際超挖工程量模型(圖7)。

3　需要AutoCAD建模解決的主要問(wèn)題

3.1解決不規(guī)則形狀幾何體的精確計(jì)量

水利水電項(xiàng)目中，有許多復(fù)雜結(jié)構(gòu)物無(wú)法通過(guò)初等數(shù)學(xué)的計(jì)算方法得到精確解，如：大部分泄

圖6　印尼ASAHAN NO1廠(chǎng)區(qū)開(kāi)挖后效果圖

圖7　印尼ASAHAN NO1廠(chǎng)區(qū)開(kāi)挖后實(shí)際效果及超挖量

洪洞進(jìn)口的水平斷面、縱剖面均為橢圓曲線(xiàn)，有圓錐曲線(xiàn)，理論上必須用高等數(shù)學(xué)的方法才能精確求解混凝土的體積，其計(jì)算過(guò)程及其繁復(fù)，且容易發(fā)生錯(cuò)誤，在過(guò)程計(jì)量中幾乎無(wú)人使用，然，采用AtuoCAD建模的方式來(lái)解決過(guò)程計(jì)量，計(jì)算工程總量，則使問(wèn)題變得輕松自如，手到擒來(lái)；不僅能達(dá)到精準(zhǔn)的要求，而且有直觀的形象。

3.2處理大量的測(cè)量數(shù)據(jù)，解決土石方精確計(jì)量問(wèn)題

傳統(tǒng)的土石方計(jì)量均采用斷面平均法，這是一種近似計(jì)算法，它對(duì)外業(yè)的測(cè)量，和內(nèi)業(yè)的數(shù)據(jù)處理均有較高的要求，工作繁復(fù)，耗時(shí)很長(zhǎng)，容易產(chǎn)生錯(cuò)誤，而且，正常的計(jì)算結(jié)果跟精確結(jié)果之間有較大的誤差，有些誤差可能超過(guò)10%。

現(xiàn)有使用較廣泛的南方測(cè)繪軟件(CASS)亦能快速的展點(diǎn)，并計(jì)算開(kāi)挖工程量，然而，它能計(jì)算實(shí)際開(kāi)挖的土石方量，而對(duì)設(shè)計(jì)斷面較復(fù)雜的開(kāi)挖量，卻不易得到準(zhǔn)確的得到設(shè)計(jì)工程量和實(shí)際超欠挖工程量，而且結(jié)果只展示斷面，沒(méi)有全局，不夠直觀。AutoCAD恰好能解決這些缺點(diǎn)，不僅快速，而且精準(zhǔn)、直觀。如印尼ASAHAN NO1項(xiàng)目廠(chǎng)區(qū)地面以上，邊坡分多級(jí)邊坡，坡面方向亦多次改變，廠(chǎng)房地面以下基坑的設(shè)計(jì)尺寸復(fù)雜，坡面更加復(fù)雜多變(圖8)。

圖8　ASAHAN NO1廠(chǎng)區(qū)地面上下的開(kāi)挖體型實(shí)體圖

4　AutoCAD計(jì)量的優(yōu)缺點(diǎn)比較

將目前仍在使用的測(cè)量手段及處理方法進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單對(duì)比(表1)后，認(rèn)為用CAD建模計(jì)量存在的主要優(yōu)點(diǎn)是，方便、快速、直觀，精準(zhǔn)、使用范圍更廣泛，但，復(fù)雜的結(jié)構(gòu)在建模時(shí)需要全面識(shí)圖，熟悉CAD的建模技術(shù)，存在一定的難度，故其推廣和使用也受到一些局限。

5　結(jié)　語(yǔ)

表1　常用的計(jì)量測(cè)量方法與CAD模型法的比較表

圖9　固滴水電站廠(chǎng)區(qū)樞紐布置圖

Auto CAD作為一套強(qiáng)大的輔助設(shè)計(jì)軟件，不僅擁有強(qiáng)大的平面設(shè)計(jì)及制圖能力，而且其精確的三維建模功能亦受到越來(lái)越多用戶(hù)的歡迎。目前，三維建模功能亦越來(lái)越強(qiáng)大，模型不僅能直觀真實(shí)地再現(xiàn)場(chǎng)景，其坐標(biāo)和高程均可采用大地坐標(biāo)，給人以身臨其境的感覺(jué)；正因?yàn)榇?，AutoCAD在工程計(jì)量方面也有著其獨(dú)到的特點(diǎn)和精準(zhǔn)度。AutoCAD建模的技能不僅在工程計(jì)量中有著獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)；且在工程管理中，包括復(fù)雜方案的設(shè)計(jì)，技術(shù)交底，特殊效果的演示等方面均得到較廣泛的使用，如通過(guò)對(duì)四川涼山水洛河固滴水電站廠(chǎng)區(qū)結(jié)構(gòu)物模型(圖9)的展示，大部分非專(zhuān)業(yè)人員亦能輕松讀懂項(xiàng)目，更能從圖中直接查看所需要的各種參數(shù)。

(責(zé)任編輯：卓政昌)

2016-07-06

N945.12； F407.9；TB9；C93

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1001-2184(2016)04-0141-05

李敏(1973-)，男，四川蒼溪人，高級(jí)工程師，從事水電站建設(shè)管理工作.