CAD三維立體建模在導流洞貫通測量中的應用

鄭紅璽

（大唐賓川水電有限責任公司，云南 大姚 675400）

CAD三維立體建模在導流洞貫通測量中的應用

鄭紅璽

（大唐賓川水電有限責任公司，云南 大姚 675400）

利用CAD三維立體建模再剖切斷面的方式，在導流洞開挖放線過程中，根據(jù)掌子面推進情況，在已建模的CAD圖形中提取放樣點坐標，然后對導流洞下一循環(huán)掌子面設計開挖斷面放線，減少測量外業(yè)的計算步驟，簡化計算，提高效率，杜絕測量工作中不必要的人為錯誤，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)和三維實體結合，及時整改和優(yōu)化施測方法，發(fā)現(xiàn)施測過程中的錯誤，減小導流洞貫通測量誤差。洞身開挖過程中根據(jù)外業(yè)采集數(shù)據(jù)與三維實體結合可以直觀看出導流洞的超、欠挖情況，精確快速計算不規(guī)則斷面的超欠挖工程量，加快測量放樣速度。

CAD三維建模；導流洞；貫通測量

1 概述

隨著測量設備的更新發(fā)展，越來越先進的全站儀三維測量放樣設備已被廣泛應用于工程領域。結合計算機應用的普及，采用AutoCAD軟件制作的三維立體圖也逐步地在建筑工程行業(yè)得到廣泛應用，CAD三維建模技術已在生產(chǎn)實際中發(fā)揮了巨大的作用；隨著計算機科技的發(fā)展，計算機性能的提升，CAD三維建模技術已經(jīng)越來越多地被許多公司采用，應用于各領域的繪圖設計。

以往，受計算機性能等因素的限制，大部分繪圖軟件基本上只能進行平面設計，欠缺真實感，部分三維立體建模通常只應用在施工組織效果圖上。而CAD立體繪圖則突破了這一局限，各工具界面的繪圖和繪圖輔助功能比較全面豐富，如實體繪制、實體編輯、建模、標注、視圖轉(zhuǎn)換、旋轉(zhuǎn)觀察等，它的菜單、對話框、工具欄、文本編輯、信息交換、預覽、圖像處理等功能均給用戶繪圖帶來很大方便。令設計藍圖更加實體化，三維功能可方便地進行建模和渲染，三維圖紙繪制也更加能夠表達出2D平面圖紙無法繪制的曲面，能夠更充分表達設計人員的意圖。

2 三維立體建模技術原理及應用

2.1 技術原理

利用CAD三維立體建模技術，繪制導流洞洞身三維模型，在對導流洞開挖放線過程中，根據(jù)掌子面推進情況，在已建模的CAD圖形中提取放樣點坐標，然后對導流洞下一循環(huán)掌子面設計開挖斷面放線；通過在地形圖上構建三角網(wǎng)方式構建三維實體地形，利用開挖前后兩次的三維實體地形來完成開挖工程量計算。

2.2 關鍵技術應用

（1）利用CAD三維立體建模技術來完成復雜建筑物的施工測量工作，簡單、方便、易操作?？梢员苊鉁y量工作中不必要的人為錯誤。

（2）利用CAD三維立體建模技術來完成較復雜地形地貌的開挖工程量計算，計算簡便快捷，精確度較高。

3 三維立體建模技術在工程中的具體特點和實踐依據(jù)

在水利水電工程施工測量中，坐標放樣通常都是由測量專業(yè)技術人員使用計算器進行編程，校核數(shù)據(jù)后進行現(xiàn)場放樣；在導流洞工程施工放樣中，對于一些特殊部位異性結構的編程往往比較困難，如洞身結構、進口漸變段、出口挑流鼻坎等型體特殊的構筑物，采用傳統(tǒng)的計算器編程、計算方式，不但耗費較長的時間，而且發(fā)生錯誤概率較大，往往需要多人對同一個程序進行反復校核，經(jīng)現(xiàn)場實際實施統(tǒng)計部分漸變段異性結構在編程過程中需要專業(yè)測量技術人員進行2～3 d的程序編寫、校驗。在施工測量中運用CAD三維立體建模技術，按照圖紙結構尺寸繪制三維圖，徹底解決了施工測量放樣中計算復雜及工程量計算誤差大的問題。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。同時，三維立體圖也可以在施工中起到直觀的指導作用，在后期的工程量計算過程中直接使用查詢等命令，可快速查詢相應工程量。在以往的水利水電工程中，遇到大型開挖、混凝土工程量的計算時，通常都采用剖面法進行帶狀工程部位的工程量計算；對于封閉的區(qū)域則采用網(wǎng)格法進行計算。這次，我們也嘗試在建模和施測、實測過程中將數(shù)據(jù)疊加差集，在需要進行出具某部位工程量的時候，直接切割測量即可，簡單、快捷、精確。

這次我們在導流洞施工中，采用三維立體建模技術繪制三維圖，在測量放樣實施過程中結合計算器編程進行效驗，探索和驗證三維立體建模在導流洞貫通測量中的應用。

在三維立體建模繪圖中我們利用UCS命令，通過命名（ucsman）把WGS坐標系轉(zhuǎn)換為獨立的施工坐標系，這樣所有數(shù)據(jù)和提取點的坐標便可直接作為施工坐標應用；圖1為未做消隱處理的導流洞進口漸變段三維線框圖。

圖1 導流洞口漸變段三維線框圖

在導流洞工程中，對規(guī)則有序部位的放樣，如洞身段，使用三維動態(tài)觀察器（3dorbit）命令任意旋轉(zhuǎn)查看三維實體，在使用著色命令（Shademode）就可以查看三維實體的著色面或內(nèi)部三維線框，然后使用查詢命令（id）進行查詢，就可以準確得到需要放樣部位的坐標點的三維坐標。對于進口漸變段、出口挑流鼻坎等異形建筑物，需要提取坐標時，假定X樁號一定，需要用測量的Y樁號推求對應的高程H，則可以利用現(xiàn)有的三維立體圖，使用剖切（Slice）命令，沿著垂直于X軸與Y軸構成的平面并且包含有測量點Y樁號的任意不在同一直線上的三點進行剪切，利用查詢（ld）命令則可查詢其對應的H高程，解決施工放樣中難計算的構筑物的坐標及高程。

在內(nèi)業(yè)工程量計算中，對于進口漸變段、出口挑流鼻坎等復雜型體的開挖量和混凝土澆筑量計算時，利用三維立體建模技術可以方便、快捷、準確的計算。在繪制三維立體模型完成后，要計算某實體模型的體積，首先選中實體，利用CAD中（MASSPROP）命令可以方便求得復雜型體的體積。

CAD三維建模技術成功應用于導流洞貫通測量后，在后續(xù)復雜建筑物的施工測量中也得到了廣泛的應用。在施工測量中運用三維立體圖形技術，極大地解決了施工測量放樣中計算復雜和工程量計算誤差大等問題，提高了效率、保證了施測精度，而且節(jié)約了成本、為測量技術人員減少了不必要的麻煩。

4 三維立體建模技術在導流洞工程中應用的目的和意義

復雜建筑物施工測量的外業(yè)計算復雜、易出錯，內(nèi)業(yè)工程量計算繁瑣，利用CAD三維立體建模配合全站儀進行施工放樣可以簡化外業(yè)繁雜的計算、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，可以直觀的反應出施測過程中的錯誤，及時調(diào)整和優(yōu)化施測方案，對測量誤差有很好的預見性。

本次研究應用對象為導流洞工程，利用CAD三維立體建模再剖切斷面的方式對導流洞掌子面設計開挖斷面放線，以減少測量外業(yè)的計算步驟，簡化計算，提高效率，杜絕測量工作中不必要的人為錯誤，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)和三維實體結合，及時整改和優(yōu)化施測方法，及時發(fā)現(xiàn)施測過程中的錯誤，減小導流洞貫通測量誤差。洞身開挖過程中根據(jù)外業(yè)采集數(shù)據(jù)與三維實體結合可以直觀看出導流洞的超欠挖情況，能夠精確快速計算不規(guī)則斷面的超欠挖工程量。

5 三維立體建模技術的優(yōu)勢

5.1 施工放樣時間上的優(yōu)勢

利用三維建模技術輔助施工測量和傳統(tǒng)施工測量技術流程對比見圖2、3。

圖2 利用三維立體建模技術輔助施工測量流程圖

圖3 傳統(tǒng)施工測量技術流程圖

利用三維立體建模技術輔助施工測量可節(jié)約時間60%左右，直接提高了測量人員的工作效率，為施工中后續(xù)工作節(jié)約了時間，為工程減少測量人員投入和為加快施工進度創(chuàng)造了有利條件。

在導流洞開挖施工中，從測量放線、打鉆、爆破、出渣一個工作循環(huán)需要12 h，其中每個工作循環(huán)測量放線環(huán)節(jié)需要耗時80 min，利用三維立體建模技術輔助施工測量每個工作循環(huán)可節(jié)約時間48 min，每月按30 d（60個工作循環(huán)）計算，可在原有基礎上可增加兩個工作循環(huán)。在本工程施工高峰期時每月產(chǎn)值750萬元，每12 h產(chǎn)值為750÷60=12.5萬元，利用三維立體建模技術輔助施工測量每月可以為項目增加產(chǎn)值12.5×2=25萬元。

圖4 進口漸變段三維立體模型1

圖5 進口漸變段三維立體模型2

圖6 進口漸變段三維立體模型3

圖7 導流洞0+015斷面

表2 導流洞0+015斷面坐標表

5.2 簡化計算、減少人為錯誤的優(yōu)勢

由傳統(tǒng)測量技術流程圖可知，傳統(tǒng)測量技術步驟較多，耗時較長，過程中最容易出現(xiàn)錯誤的地方有計算器程序編制錯誤和現(xiàn)場利用計算器計算放樣參數(shù)錯誤；而利用三維立體建模技術輔助施工測量時省去了其中繁雜的計算過程，大大減少了測量放樣過程中的人為錯誤。傳統(tǒng)施工測量技術在進行復雜型體建筑物放樣時準備工作較為繁瑣，現(xiàn)場放樣時計算復雜、步驟多、容易出錯，而利用三維立體建模技術進行復雜型體建筑物放樣時計算簡單、易操作，只要三維立體模型繪制標準，就可對復雜型體的建筑物進行快速放樣。

CAD三維立體建模技術已在導流洞施工測量過程中成功采用，利用此技術快速、簡便的施工放樣和工程量計算為導流洞工程的測量工作順利開展起到了很大作用。

6 總結

通過這次應用三維立體建模技術相比傳統(tǒng)計算施測可節(jié)約時間60%左右，直接提高了測量人員的工作效率，為施工中后續(xù)工作節(jié)約了時間，為工程減少測量人員投入和加快施工進度創(chuàng)造了有利條件，節(jié)約了項目固定成本。

此次CAD三維立體建模技術在導流洞施工測量中應用較為成功，根據(jù)施測過程中的數(shù)據(jù)和三維實體結合，及時整改和優(yōu)化施測方法，及時發(fā)現(xiàn)施測過程中的錯誤，減小導流洞貫通測量誤差，同時能夠精確快速計算不規(guī)則斷面的超欠挖工程量，對類似的工程項目有一定參考意義。

（責任編輯：劉征湛）

Application of CAD 3D model in transfixion survey of diversion tunnel

ZHENG Hong-xi
(Binchuan Hydropower Co.,Ltd.of China Datang Corporation,Dayao 675400,China)

CAD 3D modeling was completed before the sectional drawings are extracted.In the course of diversion tunnel excavation,the coordinates of setting-out points were extracted from the CAD drawings according to the advancing progress of heading face,which permits less field survey works,simplified calculation,higher efficiency and construction survey accuracy,prevents human mistake.The integrity of 3D model is helpful for the drafting of construction survey scheme.By combining the field measurement data with 3D entity,survey methods may be corrected or optimized timely;measurement mistakes may be found out;transfixion survey error of diversion tunnel may be reduced;excessive or insufficient excavation become visual;accurate and quick calculation of excavation quantities for irregular profiles is possible,so as to accelerate survey setting out speed.

CAD 3D model;diversion tunnel;transfixion survey

TP391.72

B

1003-1510（2016）06-0060-04

聲 明

《廣西水利水電》編輯部

2016-09-01

鄭紅璽（1982-），男，甘肅民樂人，大唐賓川水電有限責任公司工程師，學士，主要從事水利水電工程技術管理工作。

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