三维场地设计在水利工程中的应用

翁发根

在浯溪口水利枢纽项目中，江西省水利规划设计院借助集成的土木设计和工程三维设计软件GeoPAK Site进行三维开挖辅助设计。借助强大的三维场地运算分析能力，该项目的整个设计过程相对于传统的二维设计更加高效、准确、直观，而且系统能自动计算工程量，取得了较好的设计成果。

水利工程开挖设计的新方式

浯溪口水利枢纽工程是一座以防洪功能为主，兼顾供水、发电等功能的水利工程。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、厂房坝段和右岸碾压混凝土非溢流坝段。其重力坝最大坝高 46.80米，坝轴线总长498.62米。溢流表孔单孔净宽12.0米，共5孔，溢流低孔单孔净宽12.0米，共6孔。厂房采用河床式布置，共3台机，总装机容量32.0兆瓦 （2×15兆瓦+ 1×2.0兆瓦）。可见，浯溪口水利枢纽工程是个相对复杂的水利工程。

工程场地设计本来是一个复杂繁琐的过程，即使在二维环境下借助ZDM 等相关软件插件，也不能很好地表达场地开挖、回填的真实情况。对于地形复杂的水利枢纽工程来说，开挖设计质量很大程度上依赖于设计工程师的三维空间想象力。加上不可避免的重复计算和制图过程，不能不说场地开挖设计变成了一个繁重的设计任务，而且开挖图的绘制还耗时耗力。此外，常规二维开挖图在表达设计成果方面不如三维设计成果那样直观和有空间感，这给实际现场施工带来一定的困难。

为此，在浯溪口水利枢纽项目中，江西省水利规划设计院借助集成的土木设计和工程三维设计软件GeoPAK Site进行三维开挖辅助设计。

由Bentley提供的GeoPAK 是一款集成的土木设计和工程三维设计软件，工程场地开挖主要使用GEOPAK Site模块来实现场地的开挖设计。GeoPAK Site是专注于场地开挖的三维设计软件，它具有一整套动态而灵活的场地设计工具，广泛应用于基础开挖项目，如建筑场地平整，渠道、公路和水利枢纽基础开挖等，其出色的内部算法和对计算机运算能力的充分应用，有效地减轻了复杂场地开挖图设计的负担，且其准确快捷的工程量统计也为投资概算精确计算打下了基础。

这款三维软件可以按照开挖的先后顺序实现工程的模拟，比二维设计的计算方法更加直观，在指导施工方面更具实用价值。相关人员可以在MicroStation中建立枢纽各个组成部分（如重力坝、厂房等）的三维模型。将模型组装完成后，结合建筑物的外轮廓线，以及测量和地质数据，在GeoPAK中可以实现场地的开挖模拟。将测量数据和地址数据导入GeoPAK中，把建筑物的外轮廓线投影到设计高程（某点沿铅垂线方向到绝对基面的距离）上，就可以按照设计边坡在原地形上进行放坡（为了防止塌方、确保施工安全，在挖方超过一定深度或填方超过一定高度时，在其边沿放出的足够的边坡），修筑马道等。在建筑物开挖部分有交集的地方，软件可自动进行处理，防止重复计算开挖量。

关键的五个步骤

基于GeoPAK Site 的开挖辅助设计主要流程有建立三维数字地面模型，提取开挖边界，确定开挖坡比（坡面的垂直高度和水平宽度的比叫做坡比）、范围和方案等，调整、优化设计方案，以及成果整理與出图。浯溪口水利枢纽项目中，开挖设计主要包含以下几个关键步骤：

第一步，建立三维数字地面模型。在浯溪口水利枢纽工程中，江西省水利规划设计院首先在Bentley协同设计平台MicroStation 上建立各个组成部分的三维模型。

第二步，提取开挖边界。在枢纽模型总装完成后，搜集所需的测量资料（如前期的DWG工程地形图纸文件），利用等高线、高程点等数据生成GeoPAK 可识别的tin（不规则三角网格）文件。导入原始地形的tin文件，将其作为开挖设计的基准面。从开挖文件中提取枢纽模型外轮廓线作为开挖的元素线。把重力坝和厂房的外轮廓线（基础轮廓）投影到设计高程上，根据原始地形设计放坡和马道（深坑基础开挖、围堰中的运输道路或平台）等。

第三步，模拟开挖顺序。因施工顺序不同，各个不同的构筑物的开挖设计顺序也不同。GeoPAK 可以按照施工顺序为不同构筑物创建相应的对象，所有对象隶属于统一的场地开挖模型。通过编辑、调整模型中对象的顺序来模拟开挖施工顺序。本工程将基坑，左、右岸上坝公路和进厂公路列为不同对象，对整个场地模型放坡，通过调整FIFO（先入先出队列）顺序来实现开挖顺序模拟。

第四步，计算工程量。在开挖设计完成后，再进行工程量统计。可以直接通过GeoPAK Site的模型查询法实现，即使用查询命令，将开挖后模型和原地面模型进行演算，得出整个工程的开挖和回填的工程量，也可分高程、分构筑物得出相应的工程量。

第五步，根据三维开挖模型生成平面图和剖面图。完成GeoPAK Site开挖设计后，还要对设计成果进行整理。由于GeoPAK Site储存了三维开挖设计的所有信息，因此可以在任何所需位置剖切出开挖剖面图；投影提取、开挖设计过程中的要素线、开挖边界，并参考原地形图生成开挖平面图，根据需要标示相应的尺寸、高程。

远不止于提高效率

基于MicroStation的GeoPAK Sit可以充分发挥计算机的自动化、智能化优势，给水利水电工程的设计提供了很大的帮助。

GeoPAK Site 的计算准确度取决于地形测量基础数据和设计人员所选定的三角网格精度。相比在平面图纸上通过剖切典型断面来计算工程量，GeoPAK Site能更加精确地反映场地的开挖、回填情况。GeoPAK具有实时设计功能，即只要调整设计要素线，整个工程的模型就随之更新，使三维场地的开挖、回填设计成果变得更加直观。如果重新运行工程量查询命令，工程量会随之更新。

运用GeoPAK Site软件进行辅助设计，能够实现场地开挖的三维可视化，直观地反映工程布置情况，并高效地指导场地开挖、比选优化和工程量统计等业务，从而更好地管理和组织后续施工工作。此外，相关人员还可以根据三维模型的放坡边界线得出工程的占地面积，检查放坡设计的合理性，进而避免过多高边坡的出现，使得设计更加合理。

不过在计算土方和石方的工程量时，需要区分地层属性。这就需要得到地质资料作为基础。GeoPAK 是将地质钻孔数据和实际地形信息结合起来生成三维地质模型的。在浯溪口水利枢纽项目三维设计开展过程中，江西省水利规划设计院受实际条件限制，并未采用地质钻孔数据来生成三维地质模型，这就为基础开挖、边坡设计、工程量统计带来一些不便。因此，在后期开展类似项目时，应首先建立基于三维地质的数字地面模型。

由于目前GeoPAK Site在国内水利行业的应用尚处于起步阶段，软件所采用的一些标准跟我国水利行业的要求不统一，很多细部的标注信息需要用户自己定义，江西省水利规划设计院也耗费了不少精力用在后期的成果整理和开挖图出图上。

总而言之，三维可视化设计是设计行业的一个发展方向。随着勘测设计业务的日益市场化，业主对工程勘测设计的质量要求越来越高，而对设计周期的要求却越来越短。如果设计院能够采用GeoPAK Site进行辅助设计，不仅可以快速对设计方案进行比较，还可以在很短的时间内完成设计方案的修改。在开挖和回填工程量的统计上，虽然当前的结果表现方式还不是很理想，但精确程度是很高的。相信随着三维设计软件的进一步发展，越来越多适合水利行业的模块会得到完善，从而大幅提供设计质量和效率。