三维辅助设计在地道方案设计中的应用

孙 健

(中铁城市规划设计院有限公司，安徽芜湖 241000)

随着科学技术的不断发展，三维辅助设计越来越多地应用到工程设计领域，它体现了新的工程设计理念和先进设计水平。在工程实践中，三维手段显示出优越性和高效性，成为工程设计的趋势和方向。现阶段地下结构设计以传统设计手段为主。本人在从事地下结构设计过程中，尝试着引入三维手段，实现了三维建模、施工模拟、立体漫游，取得了较好的效果。

1 三维设计的特点

1)三维设计使所想即所得，设计成果直观清晰，并且立时可见。传统设计手段因为纸张和画笔的局限性，要将对象转化成平面的表现形式，产生大量图、表和说明;施工过程把这些纷繁复杂的图表建造成实体。而三维设计是把对象直接构建成三维模型，它能完全反映建筑物的所有要素和建成的实际效果，在施工之前将工程状貌直观、清楚、准确的表达出来。2)三维手段具有强大的自动检查、纠错和修改功能。与形成那些无关联性的设计文件相比，直接建立三维模型可以排除传统设计过程中常有的错误、遗漏、差异的主要来源，节省时间，使得项目的传递过程更有效率。3)三维建模过程能进行大量结构计算。比如CATIA软件，结构计算是其建模功能的一部分。4)三维手段利于实现参数化设计、协同设计。设置并通过改变参数，就可以建立同一类型的模型。不同专业的多人可以在一个模型文件上进行设计，实现各专业的协同配合。5)三维模型是集成化模型，除了模型本身的所有内容，还能包括与模型有关的整个项目信息，包括管理、造价、变更等信息。6)三维模型通用性、移植性好，可以导入很多应用软件，用途广泛。7)三维手段成果表现形式多样，可以输出立体模型，导出平面图，生成图表，做成多媒体文件。

2 三维手段在地道方案设计中的应用

2.1 概况

地道处于十字路口，平面呈平行四边形布置。周围环境要求地道施工不能影响周边商业运行和交通通畅。主通道结构采用预制矩形钢筋混凝土管节，非开挖顶管施工，顶管井及出入口采用明挖顺筑法施工，开挖深度12.0 m，围护结构为钻孔灌注桩+内支撑结构体系。顶管工作井双向顶进，顶管接收井双向接收。顶管法施工就是在工作坑内借助于顶进设备产生的顶力，克服管道与周围土壤的摩擦力，将机头和管道顶入土中。一节管子完成顶入土层之后，再下第二节管子继续顶进。机头自工作坑内穿过土层一直推进到接收坑内吊起。采用的矩形顶管技术系在当地首次采用，工作原理和施工方法及对环境的影响和要求与一般顶管有很大不同。在方案设计阶段，应用三维手段的目的是结合地道方案，建立地道三维模型，演示矩形顶管工作和方案施工过程及其对周围环境的影响，将工程建设全过程像放电影一样生动地展现出来，以阐明方案理念和顶管工作原理，展示建成效果，充分体现方案优势。笔者选择了达索系列软件(包括 CATIA V5，3DVIA Composer，3DVIA Studio)，辅以其他软件以提高设计效率，美化效果。应用思路是:用CATIA V5建模，用Google sketchup建立周围环境模型，用3DVIA Composer进行施工模拟，用3DVIA Studio进行三维漫游，用“会声会影”后期制作施工模拟和三维漫游展示视频。

2.2 建立三维模型

根据地道建设方案特点，本工程的建模分为三部分:1)地道结构本身，包括通道、出入口和围护结构;2)顶管机等施工机械和汽车模型;3)地道周边环境，包括周围商业建筑物、道路、树木等。CATIAV5建立了一个针对产品整个开发过程的工作环境，对产品在概念设计、详细设计、工程分析、成品定义和制造乃至成品的各个方面进行仿真及整个生命周期中的使用和维护。它已经被广泛应用在航空航天、汽车工业、造船工业等领域。用CATIA V5建立精确的地道结构模型，建模过程如图1所示。

图1 CATIA V5建模示意图

图2 梯道模型

首先，打开CATIA程序界面，进入零件设计模块，从此处进入草图设计模块，绘制地道构件的轮廓线，完成后点击图标回到零件模块，拉伸、旋转轮廓曲线等命令形成构件模型。如在构件上进行开槽、分割、开洞，可选中欲操作的平面，回到草图模块绘制切割轮廓，然后再进入零件设计模块，选择轮廓在模型上执行切割命令。可以在零件模块中修改模型参数，或者进入草图模块修改草图参数，模型会自动相应更新。零件设计是一个循环的过程，直到模型符合设计要求。零件设计模块的建模成果是part文件。打开零件组装模块。导入各构件模型的part文件，按照构件之间的相互约束关系，比如接触、对齐、平行等将构件安装在一起，建立完整的构筑物模型。在组装过程中如果发现构件模型错误或者设计更改，可以在相应的part文件里修改并保存，然后再回到组装模块，执行更新命令。组装模块的成果是product文件。建立的三维模型如图2～图8所示。获得施工机械(如顶管机、千斤顶、吊车、货车)和汽车模型有两条途径:1)在达索官网上查找，那里有大量的三维模型资源，合适的模型直接拿来用，比如载重汽车、推土机等;2)在网络上找不到合适的模型的，如顶管机模型，可根据相关资料，用CATIA V5软件建立模型，如图9所示。这样做既满足了需要，又提高了效率。用Google sketchup建立辅助构筑物和周围环境模型。主要考虑以下三点:1)Google sketchup里有丰富的环境模型，它建立的环境模型美观、逼真;2)环境建模不需要精确的尺寸和严格的约束关系，用Google sketchup建模效率高、速度快，节省了不少时间。3)Google sketchup和CATIA V5建立的模型可以互通互用。周围环境如图10所示。经过上述工作，就建立了完整的地道三维模型。

图3 电梯模型

图4 顶管管节模型

图5 通道模型

图6 出入口模型

图7 地道结构模型

图8 地道整体模型

图9 顶管机模型

图10 地道和周边环境模型

2.3 施工模拟

3DVIA Composer使用CATIA V5建立的模型信息，通过3D动画和创建交互产品文档更好地传达产品信息，功能丰富，灵活多样。

将建立的地道三维模型导入3DVIA Composer，根据方案中的施工方法、流程与进度安排，将施工到不同阶段时的模型状态安排在时间轴上，形成3DVIA Composer程序中特有的关键帧。关键帧包括整个模型的所有元素，可以设定隐藏/显示功能安排各元素出现的先后顺序，设定不同位置模拟元素的移动和动作，设定模型属性模拟状态的渐变、突变。点击播放后，3DVIA Composer就可以按照时间轴上关键帧的顺序连续的放映，和放映电影的原理一样。比如矩形顶管机，在关键帧中安排它从隐藏状态转为显示，位置处在坑边、坑底，钻头在特定时间的状态，放映时动画中就表现出顶管机出现、从坑边向坑底移动、钻头旋转挖土的连续动作。地道处于热闹繁华的商业中心地带，施工临时设施的布设和交通组织对周围的商业活动影响很大。方案设计对此提出了解决办法，用3DVIA Composer模拟了施工期间临时设施布设对周围建(构)筑物及商业的影响及对十字路口人流、车流的组织、分流等。

2.4 三维漫游

3DVIA Studio以完全的可视化模式，实现虚拟环境仿真到3D互动操作，制作流程全面、灵活，渲染能力出色，使人身临其境。

将三维模型导入3DVIA Studio，利用libraries菜单中预设的天空、灯光、贴图等渲染地道周围的自然环境。对地道内部进行修饰，把出入口盖板设置成透明玻璃效果。用贴图功能给通道地面赋予材质，给侧墙增加粉刷效果，导入壁画装饰通道，对顶板增加天花板图案和光源。

从达索官网上下载人物模型和控制人物动作的behaviors块导入模型，设置控制人物漫游路线的curves，实现从用键盘控制人物或者设置自动行走模式漫游，可以在地道外大街上散步，漫游整个地道周围环境。从地道出入口进入通道，在地道漫游，从通道穿越道路，走到另一个出口，演示地道建成运行情况。在3DVIA Studio中的漫游是地道建成后的切身体验。

3 效果

通过展示三维模型，直观的表现形式，使不懂工程也不懂设计图纸的人，也能从三维成果中体会和理解设计意图，提出各领域自己的意见。播放模拟动画演示顶管施工过程，及施工期间临时设施布设及对十字路口人流、车流的组织疏导，使在该地首次运用的矩形顶管工法得到当地业主认可。虚拟场景的漫游，形象逼真地展现了地道建成后的运行效果。三维设计手段的应用显示出新的工程设计理念、先进设计水平和表现效果上的巨大优势。

4 结语

将三维手段应用于地下结构设计还处于探索阶段。采用达索系列软件CATIA V5对地道精确建模，成果直观，立时可见;设计差错少，效率高;能进行结构计算;模型通用性强;能够实现参数化、集成化设计，协同设计;采用3DVIA Composer模拟地道施工及对周围环境的影响，采用3DVIA Studio进行三维漫游，使三维成果表现形式多样，使地道的方案设计获得了良好评价。

［1］董甲甲，杨 磊，杜燕林，等.基于CATIA的重力坝可视化设计［J］.水利水电科技进展，2010，30(5)：57-60.

［2］张 丽，郭 菲，董 甲，等.基于 CATIA的三维配筋技术研究［J］.人民黄河，2013，35(3)：82-83.