□豆云霞 □徐 超（中國水利水電第十一工程局有限公司）

AutoCAD三維立體建模技術(shù)在隧洞工程中的應(yīng)用

□豆云霞 □徐 超（中國水利水電第十一工程局有限公司）

對于復(fù)雜建筑物施工測量的外業(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CA D三維立體建模配合全站儀進(jìn)行施工放樣可以簡化外業(yè)繁雜的計(jì)算、提高施測效率、保證施測精度，根據(jù)已完成測量工作的外業(yè)數(shù)據(jù)與立體模型比對，可以直觀的反應(yīng)出施測過程中的錯(cuò)誤，及時(shí)調(diào)整和優(yōu)化施測方案，對測量誤差有很好的預(yù)見性。

三維立體建模；隧洞工程；應(yīng)用

0 引言

文章以某導(dǎo)流洞工程為例，利用CAD三維立體建模再剖切斷面的方式對導(dǎo)流洞掌子面設(shè)計(jì)開挖斷面放線，以此減少測量外業(yè)的計(jì)算步驟，簡化計(jì)算，提高效率，杜絕測量工作中不必要的人為錯(cuò)誤，提高施測精度。利用三維立體建模的整體性可以很好的編制工程的施工測量方案，并且根據(jù)施測過程中的數(shù)據(jù)和三維實(shí)體結(jié)合，及時(shí)的整改和優(yōu)化施測方法，及時(shí)發(fā)現(xiàn)施測過程中的錯(cuò)誤，減小導(dǎo)流洞貫通測量誤差。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。

1 工程概況

本工程主要為導(dǎo)流洞與泄洪洞組合。導(dǎo)流洞與泄洪洞部分結(jié)合，布置于同一個(gè)縱剖面上，全長815 m，坡比2%，其中非結(jié)合段長146 m，斷面尺寸為12 m×12.50 m（寬×高）。進(jìn)口底板高程238.80 m，進(jìn)口前留高程為247.00 m的巖??；出口底板高程224.50 m，出口設(shè)有挑流鼻坎。洞身采用鋼筋混凝土襯砌，根據(jù)圍巖情況，襯砌厚度0.50～1.50 m。其中對于測量任務(wù)的施工放樣難點(diǎn)在于進(jìn)口漸變段和出口挑流鼻坎。

2 技術(shù)研究背景

隨著計(jì)算機(jī)軟件和硬件技術(shù)的發(fā)展，以及數(shù)學(xué)方法的引入，計(jì)算機(jī)三維技術(shù)得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，包括機(jī)械、建筑、電子、土木、航空航天等工程領(lǐng)域，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。隨著測量設(shè)備的不斷發(fā)展，全站儀三維測量放樣已被廣泛應(yīng)用，同時(shí)隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的普及，AutoCAD軟件制作的三維立體圖在建筑工程行業(yè)也得到逐步應(yīng)用，但通常只應(yīng)用在施工組織及效果圖上。

目前CAD三維立體建模技術(shù)主要應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)方面，水利水電工程CAD三維立體建模技術(shù)的應(yīng)用相對落后于其他行業(yè)如電力、石化，其原因主要在于工程設(shè)計(jì)中的多變性和復(fù)雜性，電力、石化行業(yè)的三維設(shè)計(jì)主要運(yùn)用于工廠化設(shè)計(jì)，解決空間管道的布置以及多個(gè)專業(yè)空間布置設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)問題。工廠設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化，使得CAD三維立體技術(shù)的應(yīng)用便于推廣，同時(shí)讓這些行業(yè)設(shè)計(jì)效率大幅度提高。

在水利水電工程中涉及到大量開挖工程量的計(jì)算，傳統(tǒng)的做法是：對于帶狀的開挖，采用剖面法，對于封閉區(qū)域的開挖采用網(wǎng)格法進(jìn)行計(jì)算。在國外，很多采用構(gòu)造三維模型，采用CAD三維立體建模技術(shù)進(jìn)行開挖計(jì)算。

3 技術(shù)原理及方法

CAD三維建模技術(shù)在復(fù)雜建筑物的施工測量中也得到了廣泛的應(yīng)用。特別是將這項(xiàng)技術(shù)已成功應(yīng)用于隧洞貫通測量中。AutoCAD繪制的圖形通常為二維圖形，為了掌握二維圖形，測量員在面對某些特殊構(gòu)筑物時(shí)要求有較高的空間立體思維，計(jì)算公式多且比較復(fù)雜；而運(yùn)用三維立體圖則比較直觀地掌握施工圖紙。因此，在導(dǎo)流洞工程中，對于一些如洞身結(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，在施工測量中運(yùn)用三維立體圖形技術(shù)，解決了施工測量放樣中計(jì)算復(fù)雜及工程量計(jì)算誤差大等問題，不僅提高了效率、保證了施測精度，而且節(jié)約了成本、為測量人員減少了不必要的麻煩。

在工程施工中，測量外業(yè)經(jīng)常遇到諸如坐標(biāo)換算、放樣點(diǎn)坐標(biāo)空間位置的推算等繁雜過程，特別是對不規(guī)則、曲線形狀、工作量大而二維圖形難以準(zhǔn)確表達(dá)的工作面，可以通過三維立體模型快速解決問題。

利用usc命令，通過命名(ucsman)把WGS坐標(biāo)系改為獨(dú)立的施工坐標(biāo)系，然后再次USC指定新原點(diǎn)，繞著z軸旋轉(zhuǎn)a（a為世界系統(tǒng)與施工系統(tǒng)間的角度換算常數(shù)），將其命名為另一坐標(biāo)系即得不同坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換，運(yùn)用時(shí)只需把該坐標(biāo)系置為當(dāng)前。改變坐標(biāo)系的位置和方向，從而改變圖形基點(diǎn)的布局，實(shí)現(xiàn)了與生產(chǎn)相一致，也便于實(shí)現(xiàn)圖形的平、剖面圖、渲染效果圖及三維立體圖的操作與運(yùn)用。

一般立體模型可看成由若干個(gè)幾何形體經(jīng)過堆積和挖剪組合而成的形體。封閉的二維圖形，沿著某一路徑拉伸(extrude)或旋轉(zhuǎn)(revolve)得到基本的三維形體，三維形體經(jīng)過并(Union)、差(Subtract)、交(Intersect)的布爾運(yùn)算形式得到所求的三維形體。

在導(dǎo)流洞工程中，對規(guī)則有序的放樣，如洞身等，三維動(dòng)態(tài)觀察器(3dorbit)任意旋轉(zhuǎn)察看三維實(shí)體，運(yùn)用命令(Shademode)就可查看三維實(shí)體的著色面或內(nèi)部三維線框，然后(id)進(jìn)行查詢，可以輕松得到放樣點(diǎn)的三維坐標(biāo)。對于進(jìn)口漸變段、出口挑流鼻坎的混凝土建筑物，只要有一定的變化規(guī)律，假定X樁號一定，需要用測量的y樁號推求對應(yīng)的高程H，則可以利用現(xiàn)有的三維立體圖，運(yùn)用(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量點(diǎn)y樁號的任意不在同一直線上的三點(diǎn)進(jìn)行剪切，利用(ld)則可查詢其對應(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，對于比如進(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。

4 三維立體建模技術(shù)在隧洞工程中應(yīng)用的目的和意義

對于復(fù)雜建筑物施工測量的外業(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)行施工放樣可以簡化外業(yè)繁雜的計(jì)算、提高施測效率、保證施測精度，根據(jù)已完成測量工作的外業(yè)數(shù)據(jù)與立體模型比對，可以直觀的反應(yīng)出施測過程中的錯(cuò)誤，及時(shí)調(diào)整和優(yōu)化施測方案，對測量誤差有很好的預(yù)見性。

本工程為隧洞工程，利用CAD三維立體建模再剖切斷面的方式對導(dǎo)流洞掌子面設(shè)計(jì)開挖斷面放線，以此減少測量外業(yè)的計(jì)算步驟，簡化計(jì)算，提高效率，杜絕測量工作中不必要的人為錯(cuò)誤，提高施測精度。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量方案，并且根據(jù)施測過程中的數(shù)據(jù)和三維實(shí)體結(jié)合，及時(shí)的整改和優(yōu)化施測方法，及時(shí)發(fā)現(xiàn)施測過程中的錯(cuò)誤，減小導(dǎo)流洞貫通測量誤差。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 三維立體建模測量具體應(yīng)用

傳統(tǒng)施工測量和利用利用三維立體建模技術(shù)輔助施工測量技術(shù)流程見圖1、圖2。

5.1 施工放樣時(shí)間上的優(yōu)勢

以導(dǎo)流洞進(jìn)口漸變段0+015斷面開挖放樣為例，共計(jì)輪廓點(diǎn)6個(gè)，見圖3。利用傳統(tǒng)施工測量技術(shù)完成工作需要約187 min，而利用立體三維建模技術(shù)輔助施工測量僅需約80 min。由此可知，利用三維立體建模技術(shù)輔助施工測量可節(jié)約時(shí)間60%左右，直接增加了測量人員的工作效率，為施工中后續(xù)工作節(jié)約了時(shí)間，為工程減少測量人員投入和為加快施工進(jìn)度創(chuàng)造了有利條件。

圖1 傳統(tǒng)施工測量技術(shù)流程圖

圖2 利用三維立體建模技術(shù)輔助施工測量流程圖

在導(dǎo)流洞開挖施工中，從測量放線、打鉆、爆破、出渣一個(gè)工作循環(huán)需要12 h時(shí)間，其中每個(gè)工作循環(huán)測量放線環(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，故每月在原有基礎(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=12.50萬元，利用三維立體建模技術(shù)輔助施工測量每月可以為項(xiàng)目增加產(chǎn)值12.5× 2=25萬元。

圖3 導(dǎo)流洞0+015斷面圖

5.2 簡化計(jì)算、減少人為錯(cuò)誤的優(yōu)勢

由傳統(tǒng)測量技術(shù)流程圖可知，傳統(tǒng)測量技術(shù)步驟較多，耗時(shí)較長，在其過程中最容易出現(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)輔助施工測量時(shí)省去了其中繁雜的計(jì)算過程，大大減少了測量放樣過程中的人為錯(cuò)誤。而傳統(tǒng)施工測量技術(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)算簡單、易操作，只要三維立體模型繪制標(biāo)準(zhǔn)，就可對復(fù)雜型體的建筑物進(jìn)行快速放樣。

6 結(jié)語

通過在Cad三維立體建模技術(shù)在導(dǎo)流洞施工測量過程中成功采用，使得施工進(jìn)度加快，縮短了工期，節(jié)省了施工成本，經(jīng)濟(jì)效益顯著。該方法可以供任何工程使用，尤其是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、異形建筑物的工程借鑒，施工技術(shù)容易掌握，易于推廣，利用此技術(shù)快速、簡便的施工放樣和工程量計(jì)算為工程的測量工作順利開展起到了很大作用。

（責(zé)任編輯：趙 鑫）

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2016-08-08