AutoCAD三维立体建模技术在隧洞工程中的应用

2016-11-30豆云霞中国水利水电第十一工程局有限公司

河南水利与南水北调 2016年10期

□豆云霞 □徐超（中国水利水电第十一工程局有限公司）

□豆云霞 □徐超（中国水利水电第十一工程局有限公司）

对于复杂建筑物施工测量的外业计算复杂、易出错，内业工程量计算繁琐，利用CA D三维立体建模配合全站仪进行施工放样可以简化外业繁杂的计算、提高施测效率、保证施测精度，根据已完成测量工作的外业数据与立体模型比对，可以直观的反应出施测过程中的错误，及时调整和优化施测方案，对测量误差有很好的预见性。

三维立体建模；隧洞工程；应用

0 引言

文章以某导流洞工程为例，利用CAD三维立体建模再剖切断面的方式对导流洞掌子面设计开挖断面放线，以此减少测量外业的计算步骤，简化计算，提高效率，杜绝测量工作中不必要的人为错误，提高施测精度。利用三维立体建模的整体性可以很好的编制工程的施工测量方案，并且根据施测过程中的数据和三维实体结合，及时的整改和优化施测方法，及时发现施测过程中的错误，减小导流洞贯通测量误差。洞身开挖过程中根据外业采集数据与三维实体结合可以直观看出导流洞的超欠挖情况，能够精确快速计算不规则断面的超欠挖工程量。

1 工程概况

本工程主要为导流洞与泄洪洞组合。导流洞与泄洪洞部分结合，布置于同一个纵剖面上，全长815 m，坡比2%，其中非结合段长146 m，断面尺寸为12 m×12.50 m（宽×高）。进口底板高程238.80 m，进口前留高程为247.00 m的岩埂；出口底板高程224.50 m，出口设有挑流鼻坎。洞身采用钢筋混凝土衬砌，根据围岩情况，衬砌厚度0.50～1.50 m。其中对于测量任务的施工放样难点在于进口渐变段和出口挑流鼻坎。

2 技术研究背景

随着计算机软件和硬件技术的发展，以及数学方法的引入，计算机三维技术得到了迅速的发展和广泛的应用，包括机械、建筑、电子、土木、航空航天等工程领域，cad三维建模技术已在生产实际中发挥了巨大的作用。随着测量设备的不断发展，全站仪三维测量放样已被广泛应用，同时随着计算机应用的普及，AutoCAD软件制作的三维立体图在建筑工程行业也得到逐步应用，但通常只应用在施工组织及效果图上。

目前CAD三维立体建模技术主要应用于工程设计方面，水利水电工程CAD三维立体建模技术的应用相对落后于其他行业如电力、石化，其原因主要在于工程设计中的多变性和复杂性，电力、石化行业的三维设计主要运用于工厂化设计，解决空间管道的布置以及多个专业空间布置设计协调问题。工厂设计的标准化，使得CAD三维立体技术的应用便于推广，同时让这些行业设计效率大幅度提高。

在水利水电工程中涉及到大量开挖工程量的计算，传统的做法是：对于带状的开挖，采用剖面法，对于封闭区域的开挖采用网格法进行计算。在国外，很多采用构造三维模型，采用CAD三维立体建模技术进行开挖计算。

3 技术原理及方法

CAD三维建模技术在复杂建筑物的施工测量中也得到了广泛的应用。特别是将这项技术已成功应用于隧洞贯通测量中。AutoCAD绘制的图形通常为二维图形，为了掌握二维图形，测量员在面对某些特殊构筑物时要求有较高的空间立体思维，计算公式多且比较复杂；而运用三维立体图则比较直观地掌握施工图纸。因此，在导流洞工程中，对于一些如洞身结构、进口渐变段、出口挑流鼻坎等型体特殊的构筑物，在施工测量中运用三维立体图形技术，解决了施工测量放样中计算复杂及工程量计算误差大等问题，不仅提高了效率、保证了施测精度，而且节约了成本、为测量人员减少了不必要的麻烦。

在工程施工中，测量外业经常遇到诸如坐标换算、放样点坐标空间位置的推算等繁杂过程，特别是对不规则、曲线形状、工作量大而二维图形难以准确表达的工作面，可以通过三维立体模型快速解决问题。

利用usc命令，通过命名(ucsman)把WGS坐标系改为独立的施工坐标系，然后再次USC指定新原点，绕着z轴旋转a（a为世界系统与施工系统间的角度换算常数），将其命名为另一坐标系即得不同坐标系间的转换，运用时只需把该坐标系置为当前。改变坐标系的位置和方向，从而改变图形基点的布局，实现了与生产相一致，也便于实现图形的平、剖面图、渲染效果图及三维立体图的操作与运用。

一般立体模型可看成由若干个几何形体经过堆积和挖剪组合而成的形体。封闭的二维图形，沿着某一路径拉伸(extrude)或旋转(revolve)得到基本的三维形体，三维形体经过并(Union)、差(Subtract)、交(Intersect)的布尔运算形式得到所求的三维形体。

在导流洞工程中，对规则有序的放样，如洞身等，三维动态观察器(3dorbit)任意旋转察看三维实体，运用命令(Shademode)就可查看三维实体的着色面或内部三维线框，然后(id)进行查询，可以轻松得到放样点的三维坐标。对于进口渐变段、出口挑流鼻坎的混凝土建筑物，只要有一定的变化规律，假定X桩号一定，需要用测量的y桩号推求对应的高程H，则可以利用现有的三维立体图，运用(Slice)命令，沿着垂直于X轴与y轴构成的平面并且包含有测量点y桩号的任意不在同一直线上的三点进行剪切，利用(ld)则可查询其对应的H高程，解决施工放样中难计算的构筑物的坐标及高程。

在内业工程量计算中，对于比如进口渐变段、出口挑流鼻坎等复杂型体的开挖量和混凝土浇筑量计算时，利用三维立体建模技术可以方便、快捷、准确的计算。在绘制三维立体模型完成后，要计算某实体模型的体积，首先选中实体，利用cad中（MASSPROP）命令可以方便求得复杂型体的体积。

4 三维立体建模技术在隧洞工程中应用的目的和意义

对于复杂建筑物施工测量的外业计算复杂、易出错，内业工程量计算繁琐，利用CAD三维立体建模配合全站仪进行施工放样可以简化外业繁杂的计算、提高施测效率、保证施测精度，根据已完成测量工作的外业数据与立体模型比对，可以直观的反应出施测过程中的错误，及时调整和优化施测方案，对测量误差有很好的预见性。

本工程为隧洞工程，利用CAD三维立体建模再剖切断面的方式对导流洞掌子面设计开挖断面放线，以此减少测量外业的计算步骤，简化计算，提高效率，杜绝测量工作中不必要的人为错误，提高施测精度。利用三维立体建模的整体性可以很好地编制工程的施工测量方案，并且根据施测过程中的数据和三维实体结合，及时的整改和优化施测方法，及时发现施测过程中的错误，减小导流洞贯通测量误差。洞身开挖过程中根据外业采集数据与三维实体结合可以直观看出导流洞的超欠挖情况，能够精确快速计算不规则断面的超欠挖工程量。

5 三维立体建模测量具体应用

传统施工测量和利用利用三维立体建模技术辅助施工测量技术流程见图1、图2。

5.1 施工放样时间上的优势

以导流洞进口渐变段0+015断面开挖放样为例，共计轮廓点6个，见图3。利用传统施工测量技术完成工作需要约187 min，而利用立体三维建模技术辅助施工测量仅需约80 min。由此可知，利用三维立体建模技术辅助施工测量可节约时间60%左右，直接增加了测量人员的工作效率，为施工中后续工作节约了时间，为工程减少测量人员投入和为加快施工进度创造了有利条件。

图1 传统施工测量技术流程图

图2 利用三维立体建模技术辅助施工测量流程图

在导流洞开挖施工中，从测量放线、打钻、爆破、出渣一个工作循环需要12 h时间，其中每个工作循环测量放线环节需要耗时80 min，利用三维立体建模技术辅助施工测量每个工作循环可节约时间48 min，每月按30 d（60个工作循环）计算，故每月在原有基础上可增加两个工作循环。在本工程施工高峰期时每月产值750万元，每12 h产值为750÷60=12.50万元，利用三维立体建模技术辅助施工测量每月可以为项目增加产值12.5× 2=25万元。

图3 导流洞0+015断面图

5.2 简化计算、减少人为错误的优势

由传统测量技术流程图可知，传统测量技术步骤较多，耗时较长，在其过程中最容易出现错误的地方有计算器程序编制错误和现场利用计算器计算放样参数错误；而利用三维立体建模技术辅助施工测量时省去了其中繁杂的计算过程，大大减少了测量放样过程中的人为错误。而传统施工测量技术在进行复杂型体建筑物放样时准备工作较为繁琐，现场放样时计算复杂、步骤多、容易出错，而利用三维立体建模技术进行复杂型体建筑物放样时计算简单、易操作，只要三维立体模型绘制标准，就可对复杂型体的建筑物进行快速放样。