基于GEOPAK Site三维场地设计在浯溪口水利枢纽中的应用

翁发根

(江西省水利规划设计研究院，南昌 330029)



基于GEOPAK Site三维场地设计在浯溪口水利枢纽中的应用

翁发根

(江西省水利规划设计研究院，南昌 330029)

在水利水电工程设计中，开挖图的绘制往往较为繁杂，采用常规的平面CAD 绘图软件进行设计，难以准确表达设计成果。GEOPAK Site是一套动态的专门场地三维设计软件，其模块用来实现现场地的开挖与回填设计。基于GEOPAK Site 三维场地设计软件对浯溪口水利枢纽进行三维开挖辅助设计，取得了良好效果，其经验可供类似工程参考。

水利水电工程；开挖图；GEOPAK Site；浯溪口水利枢纽

0　引　言

工程设计中场地设计是一个繁琐复杂的过程，即使在常规二维设计过程中借助于ZDM 等相关专业制图插件，清楚的表达场地开挖与回填情况也不是十分容易点。对于具有复杂地形的水利枢纽工程来说，开挖图的设计很大程度上取决于设计工程师的三维空间想象能力，加之重复的计算和制图，使得场地开挖图设计成为工程设计的一个难题，绘制常规开挖图耗时耗力，而且容易出错。此外，常规二维开挖图在设计意图及成果上不如三维那样直观和有空间感，从而对指导实际现场施工也会带来一定的影响[1-2]。

GEOPAK Site是Bentley软件公司旗下场地设计的专业三维软件，它拥有一整套动态而又不失灵活的专门场地设计工具，广泛地应用于各个行业的基础工程，如房屋建筑的基坑开挖、渠道设计、公路设计及其水利枢纽工程的大坝基础开挖等，其优秀的三角网算法和对计算机处理器的充分应用，显著地减轻了设计人员复杂场地开挖图设计的负担，且其精准方便的工程量统计也为工程造价的精确计算打下了基础。

文章借助GEOPAK Site 强大的三维模型处理能力，对浯溪口水利枢纽进行三维场地开挖辅助设计，整个设计过程较之传统二维开挖图设计更高效、准确、形象直观，且工程量自动计算。取得了较好的设计成果。

1　概　述

GEOPAK是一款集成的土木工程三维设计软件，工程场地主要使用GEOPAK Site模块来实现场地的开挖、回填设计。在这款三维软件中可以根据开挖对象的先后顺序来实现工程的实际施工模拟，比常规二维的设计成果更加直观，更具实用价值指导施工。

1)在通用设计平台MicroStation中建立建筑物各部位三维模型(重力坝、厂房等)，将分部模型组装完成后，提取建筑物与基础接触的特征轮廓线并结合地形、地质的三维数字模型，在GEOPAK中就可以实现场地的三维可视化设计。

2)将地质资料和数字地模导入GEOPAK中，并将建筑物的特征轮廓线投影到实际设计高程，然后按照给定设计坡比在原地形上进行放坡，修筑马道等。

3)在建筑物基础开挖有交集的地方，软件可自动处理或者人工干预，进而防止重复计算开挖量。

基于GEOPAK Site 的辅助开挖设计主要流程有：①建立三维数字地面模型；②提取建筑物特征轮廓线；③确定开挖坡比、范围、方案等；④调整及优化方案；⑤成果整理及三维抽图、剖切出图。

2　工程项目背景

浯溪口水利枢纽工程是一座以防洪为主，兼顾供水、发电等综合利用的水利工程。枢纽总体布置沿轴线从左至右依次为：左岸碾压混凝土非溢流坝段、表孔溢流坝段、低孔溢流坝段、厂房坝段、右岸碾压混凝土非溢流坝段，重力坝最大坝高 46.80m，坝轴线总长498.62m。

溢流表孔单孔净宽12.0m，共5孔，溢流低孔单孔净宽12.0m，共6孔。厂房采用河床式布置，共3台机，总装机容量32.0MW (2×15MW+ 1×2.0MW)[5]。

3　GEOPAK Site三维开挖设计

首先在MicroStation 建立各部位三维模型，枢纽模型总装完成后，搜集所需的测量资料(前期的DWG工程地形图纸)，利用带数据的等高线、高程点数据、河岸等特征线生成GEOPAK 可识别的tin(不规则三角网格)文件，见图1。

将原地面模型的tin文件导入，并作为开挖设计的原地面(基准面)。将枢纽三维模型参考到开挖文件中(坐标系对应)，建立不同的开挖对象(大坝基坑、上坝公路等)，提取建筑物(重力坝及厂房等)与基础接触的特征轮廓线到当前设计模型，见图2。

在特定的开挖对象中，将建筑物的特征轮廓线作为基本元素线并赋值到对应的设计高程，然后按照给定设计坡比及马道高程进行放坡，依次类推，直到所有开挖对象完成。不同开挖对象的交叉根据设计者需求可以进行人工干预，也可让软件自动进行。

各个不同的构筑物因为所处位置及高程不同，所以开挖顺序也不同。GEOPAK Site 中根据构筑物的施工顺序创建不同的对象(Object)，所有对象隶属于统一的场地开挖模型，通过编辑调整模型里对象的顺序来模拟开挖施工顺序，开挖完成后，进行工程量的统计。

本工程将基坑开挖、左、右岸上坝公路及进厂公路列为不同对象，对整个场地模型放坡，通过调整FIFO顺序来实现开挖顺序模拟，见图3。

图1　原始三维地形图

图2　建筑物外轮廓线

图3　开挖顺序模拟

利用GEOPAK Site开挖后的三维模型，可以迅速快捷统计相应开挖工程量，即使用查询命令，通过三角网格差分法求解工程量。可以是开挖模型对原地面模型得出整体工程量，也可是开挖对象对原地面模型得到局部工程量，同时也可分高程得到详细的工程量，见图4～6。

图4　开挖成果图

图5　枢纽开挖模型

GEOPAK Site三维开挖设计完成之后，根据需要对成果进行整理。由于GEOPAK Site储存了三维开挖设计过程中的所有信息，所以根据需要可以在任意部位进行剖切提取开挖断面图；在顶视图中投影提取开挖设计过程中的要素线、开挖边界以及参考原地形图生成开挖总体平面图，后续根据出图需求进行相应尺寸、高程标注，见图7～8。将上述成果按照常规二维开挖图出图方式进行整理、归类并最终形成设计图纸。

图7　利用三维开挖模型生成平面图

图8　剖切厂房坝段横剖面

4　结　语

4.1优点

GEOPAK Site在Microstation 平台的基础上充分利用计算机的计算能力(三角网差分法)，给水利水电工程的场地设计，尤其是复杂的基坑开挖提供了巨大的支持：

1)GEOPAK Site 的计算精度在很大程度上依赖于于地形测量基础数据以及设计工程师所选用的三角网格精度。相比于常规二维设计通过剖切典型断面计算工程量，能够更准确、迅速的计算工程量，更真实、形象地反应开挖、回填效果。

2)GEOPAK软件有实时设计功能，即通过调整对应设计要素线，重新运算后，整个工程的模型随着更新，使三维场地的开挖、回填变得更加直观，重新运行工程量查询命令可以得到更新后的工程量。

3)对于大范围的场地平整,通过不断调整场地要素线的设计标高，进而得到做到土石方的开挖平衡,大大的提高工作效率。

4)运用GEOPAK Site软件进行辅助设计，能够实时反映场地开挖的三维效果，形象的反映工程整体布置并高效的辅助实际场地开挖，在方案比选优化以及工程量统计上有着无与伦比的快捷，能够更好地管理和组织后续施工。

5)此外，还可以根据三维模型的放坡边界线得出工程的占地面积并指导应用于征地移民工作、检查边坡设计方案的合理性，进而避免过多的高边坡出现。

4.2存在问题

分类区别计算土石方工程量时，需要区分不同的地层属性，这就需要精细的地质资料。GEOPAK 是根据地质钻孔数据并结合地形进行拟和，从而拟合生成地质层的。本项目三维设计开展过程中受实际条件限制，并未根据钻孔拟合工程设计的三维地质模型，这就为基础开挖、边坡设计、工程量统计带来不便，后期类似工程开展时，应建立基于三维地质的数字地面模型。

由于GEOPAK Site目前在国内水利水电行业的应用尚处于探索阶段，一些标准跟国内行业的标准要求不尽相符。因此，很多后续的平面尺寸标注尚需用户自定义，需耗费一定精力在后期成果整理及开挖图出图上。

4.3前景展望

三维可视化设计是水利水电设计行业的一个发展趋势。随着勘测设计工作的市场化，通过竞争业主对设计成果的质量要求将会越来越高，而工程设计周期却越来越短。利用GEOPAK Site进行辅助设计，不仅可以快速地进行工程的方案优选比较，同时对设计方案的修改也能在很短的时间内及时反馈，尤其是在开挖及回填工程量的计算统计上。随着市场的发展，GEOPAK Site后续出图工具也将会越来越完善，越来越多适合国内水利水电行业的模块也将会得到发展，从而使工作效率得到显著的提高。

[1]孙程.基于GEOPAK Site 的三维开挖辅助设计[J].人民长江，2013，44(17):26-28.

[2]赵一新，李政鹏，屈志刚.GEOPAK在前坪水库工程场地开挖的应用及工程优化[J].西北水电，2014 (05):97-99.

[3]苏莹莹.GEOPAK软件在奋斗水库三维设计开挖中的应用[J].黑龙江水利科技，2014，42(4):41-42.

[4]虞松宾.浅谈利用三维设计软件计算某灌区渠道工程量[J].广西水利水电，2009(6):64-67.

[5]江西省水利规划设计院.江西省浯溪口水利枢纽工程初步设计报告[R].南昌：江西省水利规划设计院，2012.

1007-7596(2016)05-0116-04

2016-03-10

翁发根(1985-)，男，河南信阳人，工程师，研究方向为水工结构设计。

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