基于Civil 3D与Infraworks的边坡开挖模型的三维设计与展示

2018-01-15龙潜周宜红张成

珠江水运 2017年24期

龙潜+周宜红+张成

摘要：目前在我国水利设计行业，采用三维设计已逐渐发展为一种趋势。本文以如美水电站右岸坝肩溢洪道和进水口的边坡开挖为例，着重介绍Civil 3D和Infraworks在水利工程三维设计中的应用流程。建立了地形曲面、放坡曲面和开挖后的地形曲面模型，精确绘制了开挖轮廓线并计算了开挖工程量，渲染并展示了原始地形面貌和设计开挖后的地形面貌。基于Civil 3D和Infraworks的三维设计与展示具有设计通用性强、高精度、易修改和三维可视化等优点，可以作为水利工程设计中的三维设计工具，為水利工程师在设计中提供参考。

关键词：边坡开挖三维设计与展示 Civil 3D Infraworks

在工程设计当中，与传统的二维设计比起来，三维设计具有直观形象，关联性强，易于修改和方便各专业协同设计等优点。尤其随着近年来国家政府大力推进BIM技术的应用与发展，在工程行业采用三维设计是未来发展的必然趋势。在水利行业，虽然已经有昆明院基于BIM理念设计的黄登水电站，但是就目前来看，三维设计在国内水利工程方面的应用还并不成熟，各大设计院仍然是以CAD二维设计与出图为主。实现设计行业的信息化和工业化结合不仅是提升传统设计产业的突破口，还是企业创新发展的重要技术手段。

Civil 3D和Infraworks软件是Autodesk公司基于BIM理念推出的三维土木工程设计软件和三维基础设施设计软件。Civ il 3D软件本身具有强大的3D模型创建功能，当设计要素发生变化时，3D模型自动进行变化，极大降低设计者重复的工作量，解放设计者的思维，使设计者有更多的精力对设计方案进行优化，提高设计质量。infraworks突破性地建立了3D可视化技术，更加高效地管理大型基础设施模型并协助加速设计流程。本文拟就西藏如美水电站右岸坝肩的边坡开挖工程，基于这两款软件研究三维模型的设计与展示流程，通过本文的研究，希望对水利工程中的三维设计与展示工作起到一定的探索作用。

1.工程概况

如美水电站位于西藏自治区芒康县境内，是澜沧江上游河段（西藏境内河段）规划一库七级开发方案的第五个梯级。坝址距芒康县城48km，流域面积7.94万km2，多年平均流量648m3/ s。其枢纽布置格局为：砾石土心墙堆石坝+右岸洞式溢洪道+右岸泄洪洞+右岸放空洞+右岸地下厂房引水发电系统的布置方案。由于碎裂岩体、溢洪道及进水口集中布置，且碎裂岩体、溢洪道及进水口边坡开挖工期对右岸坝肩开挖影响较大，所以右岸坝肩碎裂岩体、溢洪道及进水口（2900m高程以上）开挖及坝体填筑工程是影响主体工程施工的控制性项目。

2.模型建立

2.1原始地形曲面

Civil3d可以利用等高线测绘数据数据建立三维的原始地形曲面。具体步骤如下：通过“创建曲面”命令自定义一个“原始地形曲面”，以“等高线”方式向“原始地形曲面”添加地形数据来自动生成曲面，最后对生成的曲面进行符合性检查，排除奇异点。最终生成的曲面在“对象查看器”中如图1所示。

2.2放坡曲面

在Civil3d中建立右岸坝肩放坡曲面。具体步骤如下：在右岸坝肩2900高程位置绘出放坡要素线，通过放坡创建工具创建出距离7.5m，坡度为0.5，马道宽度为3m，顶高程为3320m的放坡组。因为之后的放坡规则相同，所以采用“复制创建放坡”来完成整个放坡组。最后再由整个放坡组自动生成放坡曲面，如图2所示。

2.3开挖曲面与开挖量计算

在Civil3d中建立右岸坝肩开挖曲面。具体步骤如下：首先，单击放坡曲面，通过调用“三角网曲面：放坡曲面”选项卡下的“分析”工具栏里的“曲面之间的最小距离”命令，选择放坡曲面与原始地形曲面，即可自动生成两个曲面的相交线，也就是开挖轮廓线。自动生成的相交线较传统方法更为精确，可以使最终的设计开挖曲面与原始地形的融合效果达到前所未有的仿真程度；其次，在“三维建模工作空间”内利用“3DPOLY”和“PEDIT”命令将两曲面的相交线合并成一条三维多段线，并将此条三维多段线以“边界”的形式添加到放坡曲面中，从而生成开挖曲面，见图3；最后，将原始地形曲面与开挖曲面“粘贴”到一起形成开挖后的地形曲面，见图4。此外，Civil 3D还可以精确计算两曲面间的开挖方量。具体步骤如下：通过“创建曲面”命令创建一个“三角网体积曲面”，以原始地形曲面作为基准曲面，开挖曲面作为参照曲面，查询其曲面特性即可得开挖方量，计算结果见图5。

2.4三维展示

为了生动地展示开挖后的地形面貌，可以在Infraworks中将该区域的卫星地图与地形信息贴合在一起，从而起到非常好的渲染效果。具体步骤如下：首先在Civil3d中通过“MAPCSASSIGN”命令设置坐标系，本工程根据其地理位置设置坐标系为“Bjing54/a.GK3d/CM-99E”；其次将下载好的区域卫星图片通过“Raster Tools”插入到civil 3d中，尺寸修改合适后再通过“Match”命令将卫星图片与地形图对齐，完成之后保存对图片的修改，并以“world file”的形式导出jgw格式的坐标位置参数文件；最后在Infraworks中创建新模型，设置好相应的坐标系后将地形模型以imx文件格式导入，卫星图片以光栅图片的形式导入。Infraworks软件会自动根据两者在坐标系中的位置对他们进行整合，开挖前和开挖后的地形面貌图分别如图6和图7所示。此外，Infraworks软件还搭载了云平台，可以在手机和平板电脑等移动终端上浏览已经建立好的三维模型，对现场施工人员技术交底大有裨益。