馮 亮，劉慶舒

（中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072）

0 前 言

3D Experience平臺(tái)（簡(jiǎn)稱“3DE平臺(tái)”），是企業(yè)設(shè)計(jì)管理的協(xié)同環(huán)境，平臺(tái)包含設(shè)計(jì)、仿真、管理等一系列軟件，可以解決企業(yè)不同平臺(tái)之間相互協(xié)作的問(wèn)題。3DE平臺(tái)土木設(shè)計(jì)模塊CIV針對(duì)道路工程開發(fā)了一系列功能，具備道路路線設(shè)計(jì)的基本功能。結(jié)合3DE平臺(tái)的UDF、PC、工程模板、知識(shí)工程功能，3DE平臺(tái)基本具備了公路工程三維設(shè)計(jì)建模能力。但3DE軟件為國(guó)外設(shè)計(jì)軟件，其本地化功能有欠缺，在工程實(shí)踐中還需要不斷探索和提高。

1 工程概況

某水電站位于四川與西藏界河金沙江上游河段，水庫(kù)正常蓄水位2 889 m，大壩采用混凝土雙曲拱壩，最大壩高217 m。壩址左右岸均為高山峽谷，地形陡峭，電站主要樞紐建筑物均位于金沙江左右岸，多為洞室布置。

為解決峽谷地區(qū)高壩施工及主要結(jié)構(gòu)物施工通道問(wèn)題，水電站場(chǎng)內(nèi)交通規(guī)劃有進(jìn)場(chǎng)公路，1號(hào)～11號(hào)公路，下游永久橋及上游永久橋等干線公路和主要跨河結(jié)構(gòu)物，規(guī)劃有支線公路10余條。公路總長(zhǎng)約65.6 km，橋梁10座。受工程區(qū)地質(zhì)、地形條件限制，公路主要以隧道為主，總長(zhǎng)約35.9 km。水電站場(chǎng)內(nèi)交通工程路網(wǎng)復(fù)雜，相互干擾較大，路網(wǎng)與水電站主體工程開挖、結(jié)構(gòu)物相互影響較大。常規(guī)公路設(shè)計(jì)手段的設(shè)計(jì)軟件不能系統(tǒng)地解決協(xié)同設(shè)計(jì)的問(wèn)題，有必要探索新的設(shè)計(jì)方法和尋找新的設(shè)計(jì)工具。

2 數(shù)據(jù)管理和骨架設(shè)計(jì)

3DE平臺(tái)中，模型以零件為節(jié)點(diǎn)通過(guò)結(jié)構(gòu)樹構(gòu)成工程的整體模型。某水電站場(chǎng)內(nèi)交通工程三維模型節(jié)點(diǎn)如圖1所示。其中橋梁工程主要包括單個(gè)橋梁的節(jié)點(diǎn)，以橋梁名稱命名，公路工程按道路編號(hào)命名。

圖1 某水電站場(chǎng)內(nèi)交通工程三維模型節(jié)點(diǎn)

以結(jié)構(gòu)樹形式儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，符合實(shí)際工程情況。通過(guò)EKL語(yǔ)言簡(jiǎn)單二次開發(fā)，結(jié)構(gòu)樹可以和Excel電子表格結(jié)合，使用方便。

3 建模思路及操作

3.1 路線建模

公路路線設(shè)計(jì)主要表現(xiàn)為平面設(shè)計(jì)和縱斷面設(shè)計(jì)。3DE的土木工程模塊中包含了平面設(shè)計(jì)模塊，縱斷面設(shè)計(jì)模塊和三維路線設(shè)計(jì)模塊。目前，3DE已有的路線設(shè)計(jì)功能只能滿足簡(jiǎn)單路線設(shè)計(jì)，針對(duì)回頭曲線等較復(fù)雜的曲線，還有待進(jìn)一步開發(fā)。

一般3DE中進(jìn)行平面設(shè)計(jì)和縱斷面設(shè)計(jì)后，直接以平曲線和縱曲線很能方便生成三維路線，并能以生成的三維路線進(jìn)行下一步設(shè)計(jì)工作，這是傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)方法中不能提供的功能。

3.2 路基路面建模

路基路面工程主要包括路面板、基層、墊層，支擋結(jié)構(gòu)、排水、涵洞等。路面板、基層、墊層采用“路面曲面”功能可以快速建模，在設(shè)計(jì)階段具有參考價(jià)值。但是在整體建模時(shí)，需要采用“道路路基”功能，同時(shí)考慮路面和邊溝開挖回填。

3DE中暫無(wú)支擋結(jié)構(gòu)、涵洞等建模工具，需要使用UDF等功能配合簡(jiǎn)單的EKL語(yǔ)言進(jìn)行調(diào)用。支擋結(jié)構(gòu)建模只是單純地建立了幾何尺寸模型，其他信息需要單獨(dú)賦予，需要進(jìn)行二次開發(fā)。

開挖和回填主要采用3DE自帶的建模工具進(jìn)行布爾運(yùn)算得到。該方法思路清晰與現(xiàn)實(shí)情況貼合緊密。但存在的問(wèn)題是公路工程開挖、回填分段較多，實(shí)際應(yīng)用中重復(fù)性操作多，開挖、回填、邊坡支護(hù)工程量統(tǒng)計(jì)繁瑣。因此，有必要進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)便的操作。結(jié)合軟件自帶貼圖工具可實(shí)現(xiàn)公路設(shè)計(jì)虛擬化，詳見(jiàn)進(jìn)場(chǎng)公路起點(diǎn)段道路模型，如圖2所示。

圖2 某水電站場(chǎng)內(nèi)交通工程進(jìn)場(chǎng)公路路基模型

3.3 橋梁建模

基于零件、裝配的思路，采用橋梁中心線作為骨架，結(jié)合用戶自定義特征（UDF）、超級(jí)副本（PC）、工程模板功能、3DE非常適合進(jìn)行橋梁工程建模。某水電站場(chǎng)內(nèi)交通工程橋梁建模中，通過(guò)這些功能建立了場(chǎng)內(nèi)大部分橋梁的三維模型，其中7號(hào)臨時(shí)橋模型如圖3所示。

圖3 某水電站場(chǎng)內(nèi)交通工程7號(hào)臨時(shí)橋模型

3.4 隧道建模

隧道建模主要包括洞身建模和洞門結(jié)構(gòu)建模。隧道洞門設(shè)計(jì)需要考慮功能需求及地形地貌的限制，根據(jù)具體工點(diǎn)開展設(shè)計(jì)工作。洞門設(shè)計(jì)前需結(jié)合軟件開挖工具對(duì)洞口進(jìn)行開挖，洞門結(jié)構(gòu)通過(guò)草圖繪制、曲面修改、實(shí)體化模型生成后，進(jìn)行定點(diǎn)裝配。采用工程化模板可對(duì)洞門模型進(jìn)行參數(shù)化修改，提高了洞口設(shè)計(jì)效率。4號(hào)公路隧道洞口模型見(jiàn)圖4。

圖4 某電站場(chǎng)內(nèi)交通工程4號(hào)公路隧道洞門模型

隧道洞身設(shè)計(jì)具有一定的重復(fù)性，可利用3DE強(qiáng)大的參數(shù)化和模板功能進(jìn)行建模。根據(jù)某水電站場(chǎng)內(nèi)交通隧道工程的特點(diǎn)，先進(jìn)行三心圓隧道斷面模板設(shè)計(jì)，再根據(jù)路線、隧道圍巖襯砌劃分進(jìn)行模板實(shí)例化建模，大大提高了隧道工程建模的效率。4號(hào)公路隧道模型如圖5所示。

圖5 某水電站場(chǎng)內(nèi)交通工程4號(hào)公路隧道模型

3.5 交安設(shè)施建模

水電站場(chǎng)內(nèi)交通工程交安設(shè)施主要包括標(biāo)志標(biāo)線、護(hù)欄等。建模過(guò)程主要采用“捕捉部件規(guī)格”的技術(shù)手段。首先建立紙質(zhì)標(biāo)線的模板，再通過(guò)EKL語(yǔ)言或“捕捉部件規(guī)格”功能進(jìn)行調(diào)用。目前系統(tǒng)中已經(jīng)建立了常見(jiàn)標(biāo)志標(biāo)線、護(hù)欄模板，為后續(xù)建模提高效率建立了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。圖6為一段道路標(biāo)線、標(biāo)志牌、護(hù)欄模型示意。

圖6 某水電站場(chǎng)內(nèi)交通工程路面標(biāo)線和標(biāo)牌模型

3.6 機(jī)電附屬設(shè)施建模

水電站場(chǎng)內(nèi)交通工程機(jī)電附屬設(shè)施主要包括箱變、電纜、電纜橋架、燈具、風(fēng)機(jī)等。建模過(guò)程主要采用的技術(shù)手段為“捕捉部件規(guī)格”。首先建立燈具、橋架等結(jié)構(gòu)物的單體模型，并將其定義為模板入庫(kù)。建模時(shí)通過(guò)捕捉部件規(guī)格功能定義要插入燈具等模型的坐標(biāo)系，插入單體模型即可。系統(tǒng)中已入庫(kù)常見(jiàn)燈具、橋架、風(fēng)機(jī)。該方法可以極大提高建模效率。4號(hào)公路隧道進(jìn)口機(jī)電模型如圖7所示。

圖7 某水電站場(chǎng)內(nèi)交通工程4號(hào)公路隧道機(jī)電模型

4 結(jié)論及展望

基于上述分析，筆者所在技術(shù)團(tuán)隊(duì)基于3DE平臺(tái)建立了某水電站場(chǎng)內(nèi)交通工程的三維模型，為交通工程與水電站主體工程協(xié)同設(shè)計(jì)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。某水電站場(chǎng)內(nèi)交通工程跨江段三維設(shè)計(jì)如圖8所示。

圖8 某水電站場(chǎng)內(nèi)交通工程跨江段三維設(shè)計(jì)方案

根據(jù)三維建模工作開展情況，有如下結(jié)論和建議：

（1）3DE平臺(tái)針對(duì)土木工程行業(yè)專門開發(fā)了CIV包。應(yīng)用其中的道路設(shè)計(jì)功能，基本能滿足簡(jiǎn)單公路工程的建模。本軟件本地化功能較差，要基于3DE軟件做道路工程三維正向設(shè)計(jì)，還需要進(jìn)行大量的二次開發(fā)和定制工作。

（2）3DE平臺(tái)的三維設(shè)計(jì)功能，特別是UDF、PC、工程模板、知識(shí)工程等功能非常強(qiáng)大。在進(jìn)行一般的三維建模時(shí)，充分利用軟件本身提供的功能能起到事半功倍的效果。在進(jìn)行二次開發(fā)和定制前，應(yīng)充分挖掘軟件本身提供的功能。

（3）3DE平臺(tái)基于骨架建模的思路，非常適合進(jìn)行包括公路工程在內(nèi)的線性工程的三維建模。在三維建模之前，應(yīng)充分重視模型結(jié)構(gòu)的搭建。

（4）3DE平臺(tái)土木工程模塊要發(fā)展為真正能進(jìn)行三維正向設(shè)計(jì)的專業(yè)軟件，還需要土木工程師和軟件工程師充分發(fā)揮各自專長(zhǎng)，開發(fā)出具有實(shí)用價(jià)值的專業(yè)功能和應(yīng)用。