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）

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)計算復(fù)雜、易出錯，內(nèi)業(yè)工程量計算繁瑣，利用CA D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(yīng)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(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)計開挖斷面放線，以此減少測量外業(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)和三維實體結(jié)合，及時的整改和優(yōu)化施測方法，及時發(fā)現(xiàn)施測過程中的錯誤，減小導(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）。進口底板高程238.80 m，進口前留高程為247.00 m的巖埂；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)的施工放樣難點在于進口漸變段和出口挑流鼻坎。

2 技術(shù)研究背景

隨著計算機軟件和硬件技術(shù)的發(fā)展，以及數(shù)學(xué)方法的引入，計算機三維技術(shù)得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，包括機械、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，同時隨著計算機應(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)計中的多變性和復(fù)雜性，電力、石化行業(yè)的三維設(shè)計主要運用于工廠化設(shè)計，解決空間管道的布置以及多個專業(yè)空間布置設(shè)計協(xié)調(diào)問題。工廠設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化，使得CAD三維立體技術(shù)的應(yīng)用便于推廣，同時讓這些行業(yè)設(shè)計效率大幅度提高。

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)格法進行計算。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)進行開挖計算。

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)筑物時要求有較高的空間立體思維，計算公式多且比較復(fù)雜；而運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，在施工測量中運用三維立體圖形技術(shù)，解決了施工測量放樣中計算復(fù)雜及工程量計算誤差大等問題，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)系改為獨立的施工坐標(biāo)系，然后再次USC指定新原點，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，運用時只需把該坐標(biāo)系置為當(dāng)前。改變坐標(biāo)系的位置和方向，從而改變圖形基點的布局，實現(xiàn)了與生產(chǎn)相一致，也便于實現(xiàn)圖形的平、剖面圖、渲染效果圖及三維立體圖的操作與運用。

一般立體模型可看成由若干個幾何形體經(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，三維動態(tài)觀察器(3dorbit)任意旋轉(zhuǎn)察看三維實體，運用命令(Shademode)就可查看三維實體的著色面或內(nèi)部三維線框，然后(id)進行查詢，可以輕松得到放樣點的三維坐標(biāo)。對于進口漸變段、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y樁號的任意不在同一直線上的三點進行剪切，利用(ld)則可查詢其對應(yīng)的H高程，解決施工放樣中難計算的構(gòu)筑物的坐標(biāo)及高程。

在內(nèi)業(yè)工程量計算中，對于比如進口漸變段、出口挑流鼻坎等復(fù)雜型體的開挖量和混凝土澆筑量計算時，利用三維立體建模技術(shù)可以方便、快捷、準(zhǔn)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(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)計算復(fù)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(yīng)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(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)計開挖斷面放線，以此減少測量外業(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(jié)合，及時的整改和優(yōu)化施測方法，及時發(fā)現(xiàn)施測過程中的錯誤，減小導(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 施工放樣時間上的優(yōu)勢

以導(dǎo)流洞進口漸變段0+015斷面開挖放樣為例，共計輪廓點6個，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。

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、出渣一個工作循環(huán)需要12 h時間，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(shù)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，故每月在原有基礎(chǔ)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=12.50萬元，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 簡化計算、減少人為錯誤的優(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，耗時較長，在其過程中最容易出現(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(shù)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。而傳統(tǒng)施工測量技術(shù)在進行復(fù)雜型體建筑物放樣時準(zhǔn)備工作較為繁瑣，現(xiàn)場放樣時計算復(fù)雜、步驟多、容易出錯，而利用三維立體建模技術(shù)進行復(fù)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(biāo)準(zhǔn)，就可對復(fù)雜型體的建筑物進行快速放樣。

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，使得施工進度加快，縮短了工期，節(jié)省了施工成本，經(jīng)濟效益顯著。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