莫 奎, 黃 昌 龍, 楊 玉 川, 何 富 剛

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司,四川 成都 610072)

0 引 言

隨著數(shù)字化技術(shù)的不斷發(fā)展,水電工程施工總布置規(guī)劃三維正向設(shè)計已成為行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。渣場規(guī)劃是施工總布置設(shè)計的核心內(nèi)容[1]。鐘登華[2]提出了施工總布置三維動態(tài)可視化圖形仿真演示方法,為施工設(shè)計與管理者的決策分析提供更為立體的信息支持;高飛[3]基于Autodesk Civil 3D軟件進行棄渣場水土保持設(shè)計,利用軟件得到渣場真實邊界,并快速計算出土方工程量;繆正建[4]使用三維設(shè)計軟件,采用復(fù)合體積法計算土方量,實現(xiàn)施工渣場的三維可視化表達。可以看到,國內(nèi)水電工程三維施工總布置設(shè)計應(yīng)用已取得一定成果,基本可實現(xiàn)施工渣場三維正向設(shè)計。但隨著信息化水平的不斷提高,三維施工總布置發(fā)展面臨施工仿真、智能建造等更高設(shè)計要求,協(xié)同設(shè)計、施工管理等功能需求不斷加大。3DE平臺具有復(fù)雜曲面的構(gòu)造能力和參數(shù)化設(shè)計的優(yōu)勢,同時平臺集設(shè)計、仿真、管理于一體,為工程設(shè)計管理提供了便捷高效的協(xié)同環(huán)境[5]。

基于3DE軟件自身的OTB功能和CAA二次開發(fā)功能,研發(fā)基于3DE的施工總布置渣場設(shè)計系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過定制圖形化界面和交互式操作,可實現(xiàn)快速高效的渣場三維參數(shù)化建模、渣場容量自動計算、渣場填筑工程量統(tǒng)計等功能,從而為渣場三維正向設(shè)計提供新的設(shè)計工具。

1 二次開發(fā)技術(shù)路線

施工總布置是一個融合場內(nèi)交通規(guī)劃、砂石料源選擇、土石方平衡設(shè)計和主體工程施工等內(nèi)容的抽象設(shè)計過程。施工渣場三維設(shè)計不僅需要根據(jù)工程特點建立三維模型,更為重要的是通過模型信息得到設(shè)計參數(shù),進而快速分析得到目標(biāo)堆渣位置容量、渣場最終填筑高度、不同時段工程面貌等特性。基于以上內(nèi)容,渣場設(shè)計二次開發(fā)共有優(yōu)化渣場設(shè)計范圍、確定渣場控制邊界、創(chuàng)建三維渣場模型和渣場填筑施工管理四大功能,渣場設(shè)計二次開發(fā)技術(shù)路線見圖1。

圖1 渣場設(shè)計二次開發(fā)技術(shù)路線

2 系統(tǒng)設(shè)計

利用3DE平臺自身的OTB功能和CAA二次開發(fā)功能,基于二次開發(fā)技術(shù)路線,開發(fā)了渣場設(shè)計系統(tǒng),該系統(tǒng)主要包括設(shè)定渣場范圍、創(chuàng)建填筑輪廓線、渣場填筑計劃與管理、渣場填筑量試算、參數(shù)管理等內(nèi)容。渣場設(shè)計功能列表見圖2。

圖2 渣場設(shè)計功能列表

2.1 結(jié)構(gòu)樹搭建與數(shù)據(jù)管理

在水利水電工程3DE平臺協(xié)同設(shè)計中,各專業(yè)模型建立在項目站點下,三維模型節(jié)點見圖3,渣場模型以“零件”節(jié)點建立在結(jié)構(gòu)樹上。使用“創(chuàng)建參數(shù)”命令在渣場零件中建立參數(shù)集,以標(biāo)識該零件為渣場,根據(jù)場地的用途不同,子類別設(shè)有存(棄)渣場、轉(zhuǎn)存料場、表土堆存場等。軟件可以通過遍歷結(jié)構(gòu)樹上零件的標(biāo)識參數(shù)快速定位于該零件,并獲取零件的模型特性,反饋給用戶該渣場堆渣容量,場地面積,用地范圍等信息。

圖3 三維模型節(jié)點

2.2 渣場地形創(chuàng)建

施工渣場相對于整個施工總布置模型而言規(guī)模較小,不需要整個水電工程范圍的地質(zhì)信息。因此,渣場設(shè)計的首要工作是精準(zhǔn)定位,縮小地質(zhì)模型設(shè)計范圍,以減少計算機處理工作量。

該設(shè)計系統(tǒng)通過“設(shè)定渣場范圍”命令,創(chuàng)建多邊形地形區(qū)域,與項目地形進行布爾運算,快速生成目標(biāo)區(qū)域的小范圍地形曲面。渣場地形創(chuàng)建交互流程見圖4。

圖4 渣場地形創(chuàng)建交互流程圖

2.3 堆渣腳線與填筑輪廓線創(chuàng)建

根據(jù)《水電工程渣場設(shè)計規(guī)范》(NB/T 35111-2018)[6],渣場設(shè)計應(yīng)根據(jù)地形地質(zhì)條件,渣場規(guī)劃容量,棄渣運距等因素綜合確定。渣場選擇位置應(yīng)避開不良地質(zhì)段,不應(yīng)涉及河道、溝道行洪安全,不能影響人民群眾生命財產(chǎn)安全,且不得布置于法律規(guī)定禁止堆存的區(qū)域。根據(jù)上述原則,可以規(guī)劃渣場堆存的合理邊界范圍。開發(fā)程序遵循以上原則,利用3DE軟件的OTB功能建立堆渣腳線。利用程序開發(fā)功能在堆渣腳線上建立填筑邊坡輪廓線,填筑輪廓線可手動輸入邊坡坡比、邊坡高度、馬道寬度等特征參數(shù),也可通過Excel批量導(dǎo)入。進而利用堆渣腳線、填筑輪廓線與地形面可進一步生成渣場模型。

2.4 堆渣腳線與填筑輪廓線創(chuàng)建

該系統(tǒng)的堆渣料試算模塊可根據(jù)用戶的輸入條件創(chuàng)建過渡模型,基于用戶選擇計算類型反饋相關(guān)信息。用戶需要輸入的信息有渣場地形面、堆渣腳線、填筑輪廓線以及計算方式,該試算模塊具有根據(jù)堆渣量計算堆渣高度或根據(jù)設(shè)定堆渣高度計算對應(yīng)堆渣量兩種功能。

2.5 堆渣計劃與管理

該模塊利用輸入條件能夠創(chuàng)建月度填筑計劃、查看不同時間點渣場堆渣面貌以及月堆渣量等。渣場用戶可根據(jù)系統(tǒng)反饋結(jié)果,實時調(diào)整設(shè)計參數(shù)。模塊需要輸入的參數(shù)是堆渣腳線、渣場地形曲面、填筑輪廓線、月度堆渣計劃表等信息。月度堆渣計劃三維模型將會在窗口中進行展示。最終規(guī)劃設(shè)計完成后,系統(tǒng)可輸出場地面積、區(qū)間堆渣量、區(qū)間邊坡面積、馬道長度等信息表。

2.6 渣場合并

在水電工程中,常出現(xiàn)渣場分多個平臺布置的情況,即一個渣場會在另一渣場平臺高程開始堆渣。針對這種類型的渣場,開發(fā)了渣場合并模塊,通過對多個子渣場進行合并,能夠計算并導(dǎo)出合并后渣場的堆渣量。該模塊輸入的條件是需要合并的各個子渣場。交互流程圖見圖5。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程簡介

開發(fā)設(shè)計系統(tǒng)應(yīng)用于西南地區(qū)某水電工程渣場設(shè)計,該水電站地處高山峽谷地區(qū),渣場及場地布置極其困難。該工程在位于水電站下游左岸,距壩址約5.0 km處規(guī)劃一攔溝型渣場。根據(jù)地形條件和后期渣頂布置情況,由溝口向溝內(nèi)依次分區(qū)布置棄渣區(qū)和回采區(qū)兩個大區(qū)。根據(jù)土石方平衡計算,該渣場棄渣區(qū)堆渣容量需求為900萬m3,回采區(qū)容量需求為345萬m3。

3.2 渣場模型創(chuàng)建

通過創(chuàng)建渣場地形模塊,將設(shè)計需要的地形范圍縮小至規(guī)劃水溝范圍,設(shè)定渣場范圍見圖6。

圖6 設(shè)定渣場范圍

利用軟件OTB功能創(chuàng)建渣場堆渣腳線,基于堆渣腳線創(chuàng)建填筑輪廓線,邊坡參數(shù)從邊坡Excel模板表中導(dǎo)入,創(chuàng)建填筑輪廓線見圖7。

圖7 創(chuàng)建填筑輪廓線

利用渣場容量試算模塊,對創(chuàng)建的棄渣區(qū)堆渣腳線及坡面線進行堆渣容量試算,渣場容量試算見圖8。若要滿足堆渣容量約900萬m3,渣場填筑高度為151.8 m。按上述步驟生成渣場回采區(qū),若要滿足堆渣容量約345萬m3,渣場填筑高度45.3 m。根據(jù)試算結(jié)果,創(chuàng)建渣場模型。

圖8 渣場容量試算

通過Excel將土石方調(diào)運規(guī)劃導(dǎo)入程序月度堆渣計劃中,計算出每級馬道高程處場地面積,堆渣量等信息,并生成預(yù)覽模型,渣場填筑設(shè)計與管理見圖9?？蓪⒂嬎憬Y(jié)果導(dǎo)出為Excel二次處理,堆渣計劃表見表1。

表1 堆渣計劃表

圖9 渣場填筑設(shè)計與管理

利用渣場合并模塊,可將上述棄渣區(qū)和回采區(qū)兩子渣場堆渣信息合并,進行統(tǒng)一堆渣規(guī)劃設(shè)計,渣場合并見圖10。

圖10 渣場合并

基于上述步驟,完成了完整的渣場三維正向規(guī)劃設(shè)計,通過三維模型可快速生成堆渣參數(shù),為施工總布置設(shè)計提供數(shù)據(jù)支撐。

4 結(jié) 語

利用CAA程序語言對3DE平臺進行了二次開發(fā),滿足施工渣場三維正向設(shè)計的要求,并進行了實際工程應(yīng)用。主要結(jié)論如下:

(1)3DE平臺在曲面處理、施工管理等方面具有一定優(yōu)勢,通過程序運算可快速與地形信息進行布爾運算生成渣場模型。開發(fā)了渣場設(shè)計系統(tǒng),主要命令包括設(shè)定渣場范圍、創(chuàng)建填筑輪廓線、渣場填筑計劃與管理、渣場填筑量試算、參數(shù)管理等。滿足施工渣場三維正向設(shè)計基本需求。

(2)通過對某水電工程渣場設(shè)計進行應(yīng)用,初步得到棄渣區(qū)渣場填筑高度為151.8 m,回采區(qū)渣場填筑高度為45.3 m,并進一步生成了三維模型與堆渣計劃,為施工總布置設(shè)計提供數(shù)據(jù)支撐。

(3)所開發(fā)的系統(tǒng)可以在水電工程施工總布置設(shè)計全生命周期中進行推廣應(yīng)用,包括效果呈現(xiàn)、前期規(guī)劃、施工設(shè)計以及后期監(jiān)測等方面。