王大志，黃 鵬

(國家電投集團廣西電力有限公司，廣西 南寧 530022)

0 引 言

隨著近幾年BIM(建筑信息模型)技術(shù)的興起，越來越多的工程設(shè)計人員開始從二維設(shè)計轉(zhuǎn)向三維設(shè)計。二維設(shè)計大多采用AutoCAD軟件。該軟件價格便宜、使用方便，且對計算機硬件配置要求較低，提供的二次開發(fā)接口便于用戶擴展其功能。因此，設(shè)計人員多傾向于在AutoCAD上開展土石方工程三維設(shè)計。然而，AutoCAD自帶的三維內(nèi)部命令僅能實現(xiàn)最基礎(chǔ)的三維設(shè)計，例如：規(guī)則三維實體的建立、三維實體的簡單剖切、繪制符合函數(shù)變化規(guī)律的三維多段線等；然而土石方工程三維設(shè)計涉及的三維實體模型復(fù)雜，對三維模型的數(shù)據(jù)獲取要求高，因此，工程設(shè)計人員開始使用Civil 3D，Revit，Bentley，CATIA，GEOPAK等功能強大的軟件開展土石方工程三維設(shè)計，但這些軟件存在以下不足：① 價格昂貴，例如一套CATIA軟件的使用費約為10萬元，而一套AutoCAD軟件的使用費僅約0.8萬元；② 功能繁雜，熟練掌握軟件應(yīng)用需花費大量精力，且軟件中很多功能使用率低；③ 三維設(shè)計工作流程繁多、效率低，例如Civil 3D進行復(fù)雜的放坡設(shè)計時，必須在配套的Subassembly軟件上完成放坡截面裝配設(shè)計，然后將數(shù)據(jù)輸入到Civil 3D以完成后續(xù)設(shè)計[1]；④ 對計算機硬件配置要求高，使用配置較低的電腦運行會出現(xiàn)卡頓；⑤ 核心功能不全，例如Revit的三維路線功能不全，需要使用dynamo插件先建立三維路線，再導(dǎo)入到Revit，而dynamo插件的安裝又增加了軟件的使用難度[2]。

因此，如果能直接在AutoCAD平臺上進行土石方工程三維設(shè)計，工程設(shè)計人員將不需要花費大量精力去熟悉新的軟件，而是把精力多放在設(shè)計上；同時，也能提高設(shè)計工作效率，帶來較大的經(jīng)濟效益。國內(nèi)僅有少數(shù)專家、學(xué)者利用AutoCAD平臺開展土石方工程三維設(shè)計研究，取得了一定成果。周樂韜等[3]建立了地形三維實體和挖方三維實體，并通過布爾運算，得到基坑開挖設(shè)計三維實體，實現(xiàn)了基坑開挖的三維設(shè)計。李文昌等[4]利用AutoCAD內(nèi)部命令，采用切割的方式，實現(xiàn)了單級邊坡開挖的三維設(shè)計。廉杰等[5]利用AutoCAD二次開發(fā)技術(shù)建立三維實體地形，并通過拉伸挖填實體地形建立輔助三維實體，再通過布爾運算得到設(shè)計三維實體。然而，上述研究僅能實現(xiàn)基坑開挖、單級邊坡開挖等簡單體型的三維設(shè)計，未能實現(xiàn)土石方工程量的分類統(tǒng)計及施工控制點坐標的提取。在充分吸取上述研究成果的基礎(chǔ)上，采用基于AutoCAD平臺的ObjectARX二次開發(fā)技術(shù)，實現(xiàn)了土石方工程三維設(shè)計。

1 ObjectARX三維實體造型技術(shù)

ObjectARX是基于AutoCAD平臺的二次開發(fā)軟件包，它生成的ARX應(yīng)用程序是一個DLL(動態(tài)鏈接庫)，對AutoCAD直接進行函數(shù)調(diào)用[6]。ObjectARX可以實現(xiàn)對AutoCAD底層進行二次開發(fā)，能夠滿足不同專業(yè)設(shè)計人員的開發(fā)需求。ObjectARX常用的開發(fā)環(huán)境為Microsoft visual studio，同時，還需要安裝ObjectARX SDK；不同的AutoCAD版本對應(yīng)不同的ObjectARX SDK版本。

ObjectARX三維實體造型技術(shù)包括實體生成、設(shè)計和查詢[7]。實體生成使用AcDb類和AcGe類的相關(guān)函數(shù)。實體設(shè)計主要靠實體間的布爾運算來實現(xiàn)。布爾運算是數(shù)字符號化的邏輯推演法，包括合并、相交、相減[8]。該方法可以將簡單的基本圖形組合產(chǎn)生新的形體。實體的布爾運算有3種：① 并運算，求兩個或兩個以上實體的并集，即合并為一個實體；② 交運算，求兩個或兩個以上實體的交集，即生成實體的公共部分；③ 差運算，將一個實體集從另一個實體集中減去。實體查詢是通過相關(guān)函數(shù)獲取實體的信息，包括質(zhì)量、體積、坐標等。

在實際應(yīng)用過程中，首先調(diào)用AcDb3dSolid類的成員函數(shù)初始化三維實體，然后調(diào)用booleanOper函數(shù)進行布爾運算得到設(shè)計三維實體，最后以getSlice和getMassProp函數(shù)為基礎(chǔ)，構(gòu)造自定義的函數(shù)對三維實體進行剖切和查詢，檢查設(shè)計成果。

2 設(shè)計思路

土石方工程三維設(shè)計的思路是根據(jù)坡比、坡高、馬道寬度、方向等設(shè)計參數(shù)，快速建立設(shè)計三維實體。首先，根據(jù)地形測量數(shù)據(jù)和地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)建立原始工程地質(zhì)三維實體。其次，通過設(shè)定邊坡、基坑、堤壩、溝槽等挖填參數(shù)繪制放坡封閉橫截面，再生成面域，然后以挖填體的走向線為掃掠路徑，通過沿掃掠路徑拉伸面域形成輔助三維實體。最后，輔助三維實體和原始工程地質(zhì)三維實體進行布爾運算，獲得設(shè)計三維實體。對于上述每個設(shè)計步驟，采用ObjectARX技術(shù)編制應(yīng)用程序，進而實現(xiàn)在AutoCAD平臺的土石方工程三維設(shè)計過程中調(diào)用(圖1)。

圖1 建立設(shè)計三維實體流程Fig.1 Processes of establishing a designed 3D solid

3 設(shè)計方法

3.1 原始工程地質(zhì)三維實體建立

采用Delaunay三角剖分法繪制地形三角網(wǎng)曲面[9]，如圖2所示；利用Surfer軟件對地層鉆孔數(shù)據(jù)進行插值擬合，形成三維網(wǎng)格數(shù)據(jù)文件，并導(dǎo)出為“*.dat”格式，利用ObjectARX二次開發(fā)技術(shù)編程建立地層三角網(wǎng)面；建立掃掠、放樣建模接口函數(shù)，沿Z軸拉伸各地層三角網(wǎng)面形成實體，并通過布爾運算生成原始工程地質(zhì)三維實體模型[10]，如圖3所示。

圖2 基于Delaunay三角剖分的地形三角網(wǎng)面Fig.2 Terrain triangulation based on Delaunay triangulation

圖3 原始工程地質(zhì)三維實體模型Fig.3 3D solid model of original engineering geology

3.2 輔助三維實體建立

3.2.1 走向線繪制

輔助三維實體是由符合坡比、坡高、馬道寬度等設(shè)計參數(shù)約束條件的放坡封閉橫截面沿走向線拉伸而形成的三維實體[11]。放坡封閉橫截面是一個垂直于走向線的二維封閉圖形。該圖形靠設(shè)計邊坡一側(cè)的曲線由多級邊坡設(shè)計參數(shù)確定。走向線是放坡封閉橫截面在原始工程地質(zhì)三維實體上的延伸方向線(圖4)。

圖4 放坡封閉橫截面和走向線關(guān)系Fig.4 Relationship between sloping closed cross section and strike line

在建立放坡封閉橫截面前，工程設(shè)計人員必須根據(jù)設(shè)計意圖繪制出走向線。走向線類似于道路的路線，是一條由三維坐標點(包括X，Y，Z坐標)連接而成的三維多段線(AcDb3DPolyline)。

對于基坑開挖、邊坡開挖、堤壩回填等項目，走向線上點的Z坐標一般位于同一高程，可以先在XY平面直角坐標系中繪制一條二維多段線(AcDb2DPolyline)，然后將該二維多段線移至設(shè)計高程處得到走向線(圖5)。

圖5 基坑開挖、邊坡開挖、堤壩回填項目走向線Fig.5 Strike lines of foundation pit excavation，slope excavation and embankment backfilling projects

對于溝槽開挖項目，走向線上的Z坐標一般不在同一高程，走向線的平面線形(俯視圖投影線)和縱面線形(正視圖投影線)由設(shè)計人員通過計算得出，溝槽開挖項目的走向線如圖6所示。因此，溝槽開挖項目繪制走向線的方法是先從平面線形中提取X和Y坐標點，然后從縱面線形中提取Z坐標點，最后將坐標值代入繪圖函數(shù)，繪制走向線[12]，具體步驟如下。

圖6 溝槽開挖項目走向線Fig.6 Strike line of trench excavation project

(1) 設(shè)置一個步長，從平面線形起點樁號至終點樁號，沿長度方向逐步提取平面線形的X坐標和Y坐標。坐標提取通過AcDbCurve類的“getPointAtDist”函數(shù)實現(xiàn)，該函數(shù)定義為：

getPointAtDist(double dist，AcGePoint3d& point)

其中，dist為沿曲線輸入從曲線的起點樁號至需要定位的點的距離，point返回由dist定位的點。該函數(shù)在曲線上確定從曲線起點樁號沿曲線距離為dist的點，并在point中返回這個點。

(2) 按照先前設(shè)置的步長，從縱面線形起點樁號至終點樁號，沿長度方向逐步繪制輔助直線，并利用“intersectWith”函數(shù)提取輔助直線和縱面線形交點。該交點的Y坐標值即為走向線的Z坐標值，該函數(shù)定義為：

intersectWith(AcDbEntity*pEnt，AcDb：：Intersect intType，AcGePlane&projPlane，AcGePoint3dArray &points，int thisGsMarker=0，int otherGsMarker=0)

其中，pEnt為與“this”實體相交的輸入實體，intType輸入要求的交叉點類型，points輸出附加的交點，thisGsMarker輸入交叉操作中涉及的“this”實體的子實體的GS標記，otherGsMarker輸入交叉操作中涉及的pEnt指向的實體的子實體的GS標記。

(3) 將從平面線形和縱面線形提取的坐標值合并，得到走向線的三維空間坐標點并繪制走向線。步長設(shè)置得越小，得到的走向線精度越高[13]，如圖7所示。

3.2.2 放坡封閉橫截面繪制

建立輔助三維實體最關(guān)鍵的步驟是根據(jù)已確定的走向線繪制放坡封閉橫截面。挖方項目和填方項目繪制放坡封閉橫截面的方法各不相同，繪制方法如下。

(1) 挖方項目放坡封閉橫截面。挖方項目放坡是從設(shè)計開挖高程坡腳點，根據(jù)坡比、坡高和馬道寬度逐級往上放坡。在XY平面直角坐標系中，以坡腳點為原點，根據(jù)每級邊坡的坡比、坡高、馬道寬度等設(shè)計參數(shù)，逐級確定放坡封閉橫截面邊界點坐標(圖8)。

圖7 從平面線形和縱面線形提取坐標點繪制走向線Fig.7 Extracting points from horizontal and vertical alignments and draw strike lines

圖8 挖方項目放坡封閉橫截面邊界點Fig.8 Closed cross section boundary points of cutting project grading

圖8中，pt[0]既是坡腳點，也是走向線起點。從原點pt[0]開始，可以按照設(shè)計參數(shù)確定的約束關(guān)系，依次求得邊界點坐標值。由于ObjectARX參數(shù)化繪圖環(huán)境為Wcs坐標系，而求得的坐標值是在XY平面直角坐標系(Ucs坐標系)中的值，因此必須調(diào)用“acdbUcs2Wcs”函數(shù)，將求得的坐標值轉(zhuǎn)換為Wcs坐標系中的值。最后，將轉(zhuǎn)換后的坐標值代入繪圖函數(shù)，繪制放坡封閉橫截面，如圖9所示。

圖9 挖方項目放坡封閉橫截面Fig.9 Closed cross section of cutting project grading

(2) 填方項目放坡封閉橫截面。填方項目放坡一般從設(shè)計高程回填邊緣，根據(jù)坡比、坡高和馬道寬度逐級往下放坡。以走向線起點為原點，按照設(shè)計參數(shù)確定的約束關(guān)系，依次求得邊界點坐標值(圖10)。然后，按照挖方項目的方法，對坐標值進行轉(zhuǎn)換后繪圖，如圖11所示。

圖10 填方項目放坡封閉橫截面邊界點Fig.10 Closed cross section boundary points of filling project grading

圖11 填方項目放坡封閉橫截面Fig.11 Closed cross section of filling project grading

3.2.3 輔助三維實體的掃掠生成

在AutoCAD平臺中，可以利用ObjectARX技術(shù)調(diào)用“extrudeAlongPath”函數(shù)實現(xiàn)掃掠指令，通過沿著指定的路徑延伸輪廓形狀，繪制出三維實體[14]。在繪制完成放坡封閉橫截面后，調(diào)用該命令，以挖填體的走向線為掃掠路徑，通過沿掃掠路徑拉伸面域生成輔助三維實體(圖12)。

圖12 輔助三維實體建立Fig.12 Creating auxiliary 3D Solids

3.3 設(shè)計三維實體建立

三維實體之間的差集、并集和交集可以通過布爾運算函數(shù)來實現(xiàn)。對于挖方項目，將原始工程地質(zhì)三維實體作為求差主體，和輔助三維實體求差集得到設(shè)計三維實體。對于填方項目，將輔助三維實體作為求差主體，和原始工程地質(zhì)三維實體求差集得到設(shè)計三維實體(圖13)。調(diào)用AcDb3dSolid類的“booleanOper”函數(shù)可以實現(xiàn)三維實體的布爾運算，該函數(shù)定義為

booleanOper(AcDb：：BoolOperType operation，AcDb3dSolid*solid)

其中，operation輸入布爾運算的類型，可能的類型有AcDb：：kBoolUnite，AcDb：：kBoolIntersect和AcDb：：kBoolSubtract；solid輸入指向其他實體的指針，用于執(zhí)行布爾運算。

生成設(shè)計三維實體后，可以采用相關(guān)函數(shù)對實體進行渲染，得到實體真實效果。Render API是專門實現(xiàn)渲染功能的應(yīng)用程序包，包括acRender.arx和avlib.lib文件。acRender.arx負責(zé)與AutoCAD通信，avlib.lib則包含了與acRender.arx通信的各種編程接口。Render API函數(shù)庫提供了相應(yīng)的渲染函數(shù)，每個函數(shù)能實現(xiàn)特定的渲染功能。

圖13 設(shè)計三維實體建立Fig.13 Creating a designed 3D solid

3.4 設(shè)計三維實體信息查詢

3.4.1 挖填設(shè)計工程量查詢

在建立土石方工程設(shè)計三維實體后，需統(tǒng)計挖填設(shè)計工程量，為方案比選、工程造價計算等工作提供依據(jù)。

首先，利用“booleanOper”函數(shù)求得開挖三維實體或回填三維實體。對于挖方項目，將原始工程地質(zhì)的各地層三維實體和輔助三維實體分別求交集得到開挖三維實體。對于填方項目，將輔助三維實體作為求差主體，和原始工程地質(zhì)三維實體求差集得到回填三維實體(圖14)。

圖14 開挖三維實體和回填三維實體Fig.14 Excavation 3D solid and backfill 3D solid

其次，利用“getMassProp”函數(shù)來實現(xiàn)對三維實體的體積查詢，該函數(shù)定義為：

getMassProp(double&volume，AcGePoint 3d & centroid，double momInertia[3]，double prodInertia[3]，double prinMoments[3]，AcGeVector3d prinAxes[3]，double radiiGyration[3]，AcDbExtents& extents)

其中，volume返回實體的體積，centroid返回實體的質(zhì)心，momInertia返回固體慣性的X，Y和Z矩，prodInertia返回固體慣性的X，Y和Z乘積，prinMoments返回實體的X，Y和Z主矩，prinAxes返回實體的X，Y和Z主軸，radiiGyration返回實體回轉(zhuǎn)的X，Y和Z半徑，extents返回實體的邊界框。通過調(diào)用該函數(shù)，查詢“volume”參數(shù)，可得到開挖三維實體和回填三維實體的體積，即挖填設(shè)計工程量。

3.4.2 施工控制點坐標提取

施工控制點坐標是土石方工程三維設(shè)計的重要數(shù)據(jù)之一，為挖填施工放樣提供數(shù)據(jù)支撐(圖15)。目前，一般采用的方法是間隔一段距離繪制挖填橫剖面圖，通過計算挖填線和地形線的交點，獲得施工控制點坐標[15]。該方法工作量大、耗時長。本文在三維設(shè)計中，直接利用ObjectARX的三維實體邊界信息提取技術(shù)快速實現(xiàn)施工控制點坐標的提取。

圖15 邊坡開挖施工控制點坐標示意Fig.15 Schematic diagram of coordinates of control points for slope excavation construction

(1) 提取施工控制點坐標原理。在AutoCAD中，三維實體模型是由點、線、面等子實體構(gòu)成。模型的幾何信息包括形體的形狀、位置、大小、尺寸等，模型的拓撲信息包括形體的頂點、邊、表面等相互之間的連接關(guān)系，二者構(gòu)成一個有機的整體，共同形成對三維實體模型的完整的描述[16]。ObjectARX是通過邊界表示法(AcBr)來精確表達三維實體模型的幾何信息和拓撲信息。因此，可以通過建立三維實體模型的AcBr類庫對象來訪問三維實體模型的各個構(gòu)成元素，如點、邊、面的基本信息和頂點坐標數(shù)據(jù)。

(2) 提取施工控制點坐標步驟。首先，選擇設(shè)計三維實體某一個設(shè)計挖填表面，調(diào)用“getSubentPathsAtGsMarker”函數(shù)獲取子實體路徑。其次，基于此子實體路徑，建立一個新的邊界表示對象(AcBr)，使子實體與自身的對象取得聯(lián)系。然后，利用此邊界表示對象，依次層層建立面(AcBrFace)、邊界環(huán)(AcBrLoop)、邊(AcBrEdge)對象。最后，提取邊對象的頂點坐標，即得到施工控制點坐標數(shù)據(jù)(圖16)。

圖16 獲取設(shè)計挖填表面施工控制點坐標Fig.16 Obtaining the coordinates of construction control points on the designed excavation and filling surface

3.5 設(shè)計施工詳圖制作

在AutoCAD平臺中，可以利用建立的設(shè)計三維實體模型在圖紙空間中快速生成俯視圖和剖視圖，接著調(diào)用“Solprof”命令，提取各視圖的輪廓線，直接生成二維圖形，然后進行標注得到二維工程施工詳圖[17]。

4 工程實例

國家電投興安風(fēng)電項目石料場距離升壓站12.6 km，該項目石料需求約6萬m3。石料場出露灰白色厚層細粒砂巖，局部夾薄層泥質(zhì)粉砂巖。層狀構(gòu)造，巖層產(chǎn)狀，傾向153°，傾角28°～35°。該石料場開采的施工圖設(shè)計采取了三維設(shè)計模式。

首先，根據(jù)石料場地形測繪數(shù)據(jù)和地質(zhì)鉆孔資料建立石料場原始工程地質(zhì)三維實體(圖17)。

圖17 石料場原始工程地質(zhì)三維實體Fig.17 Original engineering geological 3D entity of quarry

其次，依據(jù)邊坡設(shè)計相關(guān)規(guī)范，計算并確定邊坡開挖坡比、坡高、馬道寬度等參數(shù)，然后根據(jù)設(shè)計參數(shù)在不同高程繪制走向線和放坡封閉橫截面，并建立邊坡開挖設(shè)計三維實體。通過方案比選，根據(jù)開挖底部平臺設(shè)計高程685 m，最終確定石料場開采量約為12.6萬m3，其中剝離料為3.5萬m3，有用料為9.1萬m3，剝采比為1∶3.6，滿足風(fēng)機基礎(chǔ)和擋土墻澆筑需求(圖18)。

圖18 石料場邊坡開挖設(shè)計三維實體Fig.18 3D solid of quarry slope excavation design

興安風(fēng)電場內(nèi)道路K18+264～K18+527處邊坡受暴雨作用，形成牽引式滑坡。滑坡發(fā)生后，對該滑坡進行了勘測并提出采用抗滑樁的治理方案。在滑坡前緣布置一排8根抗滑樁，樁間距6 m，抗滑樁采用直徑2 m的圓形截面，樁深12 m(圖19)。

圖19 抗滑樁設(shè)計三維實體Fig.19 3D solid of anti slide pile design

5 結(jié) 論

本文在AutoCAD平臺上，利用ObjectARX二次開發(fā)技術(shù)，開展了土石方工程三維設(shè)計研究。得出的主要結(jié)論如下。

(1) 基于AutoCAD平臺的ObjectARX二次開發(fā)技術(shù)功能強大，利用此技術(shù)編制的應(yīng)用程序滿足土石方工程三維設(shè)計要求。

(2) 在利用ObjectARX技術(shù)進行三維設(shè)計應(yīng)用程序編制的過程中，每個步驟的實現(xiàn)僅利用了少數(shù)核心函數(shù)，所編制的應(yīng)用程序操作簡單、實用可靠。

(3) 在土石方工程三維設(shè)計領(lǐng)域，以三維實體布爾運算為基礎(chǔ)的設(shè)計方法實現(xiàn)了三維設(shè)計的“所見即所得”，比以曲面(Civil 3D，CATIA)為基礎(chǔ)的設(shè)計方法更直觀、流程更簡潔、效率更高。

(4) 將機械三維設(shè)計常用的邊界信息提取技術(shù)應(yīng)用到土石方工程三維設(shè)計，解決了快速獲取設(shè)計三維實體施工控制點坐標的難題。

本文建立的設(shè)計三維實體能反映出各施工階段的地質(zhì)情況。基于此成果，下一步將開展邊坡支護設(shè)計和爆破施工設(shè)計方面的研究。