基于GEOPAK Site在南新泾泵闸工程中三维场地设计应用的思考

张海丽，张 群，王红霞

（上海勘测设计研究院有限公司，上海 200080）

1 问题的提出

采用常规的二维方法进行工程项目的场地挖填设计是相当繁琐复杂的工作，不仅需要设计者较强的三维空间想象能力，而且反复修改图纸及多次计算挖填方量的工作量巨大，严重影响设计效率。相对而言，GEOPAK Site具有强大且丰富的三维场地设计功能，能快速地建立三维场地模型；高效地处理地形挖填并自动地统计相应的工程量；同时可以立体直观地展示地形挖填的三维效果；并且可以根据施工组织进度计划动态地模拟施工进度，实现了三维场地设计的全程服务，显著地提高了设计效率与质量[1-4]。

GEOPAK Site是Bently公司旗下的一款专业进行三维场地设计的软件，它拥有一套功能完善且作用强大的三维场地设计工具，可以广泛适用于各类工程的场地设计、挖填方量统计、施工进度模拟。基于三角网算法自动生成的场地挖填设计，显著减少设计人员绘制二维地形挖填图的压力；自动精确地统计挖填方量，为提供精准报价打下扎实基础；施工进度模拟的三维演示，为更好地展示工程设计意图提供便利。

2 工程概况

南新泾泵闸工程位于上海市闵行区的市区，等别为I等工程，其工程内容为新建1座净宽12.0 m的南新泾水闸与1座流量40 m3/s的单向排涝泵站。泵闸采用“泵+闸”单边布置的方式，拟建水闸布置在西侧，泵站布置在河道东侧，安装检修间布置在泵房东侧，长8.5 m，满足1台机组的检修需要。本工程西岸为民居密集区，东岸为市政道路，沿线地下有市政管线通过，基坑无放坡开挖空间，需采取基坑围护措施，以减少对周边建筑的影响。经综合考虑各种因素，本工程基坑围护结构采用钻孔灌注桩结合桩后设置止水帷幕的围护型式[5]。

本文基于GEOPAK Site对南新泾泵闸工程进行三维场地设计，并自动统计相应的挖填方量，动态模拟三维场地设计的施工进度。整个工作过程相对于传统的二维设计方法省时省力，成果更能满足工程设计需求。

3 GEOPAK Site三维场地设计功能在南新泾泵闸工程的应用

基于GEOPAK Site三维场地设计功能在南新泾泵闸工程应用的主要流程有:①采用GEOPAK Site的Extract、Build、Load命令将初始的地形数据（包括文本数据、地形图等多种数据格式）生成三维数字地面模型；②以三维数字地面模型作为基础资料，用Site Modeler工具组对基础地形进行挖填高程、范围、边坡设计；③设计方案分析及优化；④用GEOPAK Site的统计工具自动进行挖填方量计算；⑤用Animation工具组模拟场地挖填设计及基坑围护模型的施工进度安排。

3.1 三维场地模型建立

根据南新泾泵闸地形资料（dwg格式），通过GEOPAK Site提取地形总图上的高程点，再将该图上的高程点转换成三维数字地面模型（tin格式）[6]（见图1）。同时用Bently旗下的AECOsim Building Designer建立南新泾泵闸主体工程的三维模型及基坑围护模型，以便后续模型的拼接、互相校核及施工进度模拟。

图 1 三维数字地面模型图

在三维场地模型建立过程中，有以下特点:①Autocad不存在单位概念，一般的cad地形总图默认以1个尺寸表示1 m长度，而GEOPAK Site存在单位设置，因此需要在转换三维数字地面模型之前将GEOPAK Site的图形单位设置成“m”，以避免模型转换及拼接的单位误差；②由于地形的高程点数据众多，个别数据可能存在数量级的误差，而三维场地模型的精度及合理性主要取决于地形数据的准确度，所以设计者务必要仔细核查三维场地模型，对于不合理的数据一定要及时修改处理。

3.2 场地挖填设计

依据建筑物的规划选址，在三维场地模型对应的位置分别建立相应的建筑物底部边界（淀浦河防冲槽、淀浦河海漫段、淀浦河消力池、淀浦河出水池、闸室、泵房、南新泾进水池、南新泾消力池、南新泾海漫段、南新泾渐变段、南新泾防冲槽、南新泾侧围堰、淀浦河侧围堰），利用GEOPAK Site软件的场地设计模块，分别对工程区域底部边界赋予设计高程，并按照设计原则，选择合适的挖填坡比进行挖填设计。因为本工程的基坑围护结构采用钻孔灌注桩结合桩后设置止水帷幕的围护型式，故南新泾泵闸工程均采用垂直挖填。场地设计基面见图2，基坑维护模型及建筑物主体模型见图3，场地挖填模型见图4。

图 2 场地设计基面图

图3 基坑围护模型及建筑物主体模型图

图 4 场地挖填模型图

在场地挖填设计中，有以下特点:①分别对不同建筑物的设计基面赋予相应的设计高程，然后按照设计坡度进行放坡，其中不同建筑物的挖填顺序应结合实际情况，利用Model→Edit→FIFO命令手动调整先后顺序，直至完成所有建筑物的场地挖填设计；②在建模过程中，不仅可以实时旋转所建模型，而且可以利用Analysis中的Prof i le命令切取任意剖面，以核查是否建模有误；同时参考南新泾泵闸的基坑围护模型、建筑物主体模型，互相检查校核平面位置是否嵌合，底部高程是否一致。

3.3 挖填方量统计

在确认三维场地设计无误后，利用Analysis中的Volumes命令迅速精确地获取相应的挖填方量，该量可以是原地面到不同建筑物的局部工程量，也可以是原地面至三维场地设计模型的整体工程量，同时也可分高程得到分阶段的工程量。相对于传统的二维计算方法，GEOPAK Site的自动统计挖填方量功能无论在计算速度方面还是在结果精度层面均有着无与伦比的优势，本工程的各部位挖填方量的自动统计结果见表1。

表 1 南新泾泵闸工程挖填方量表

3.4 施工进度模拟

南新泾泵闸工程的场地设计、基坑围护及建筑物主体浇筑按照以下顺序进行施工:施工围护钻孔灌注桩→高压旋喷桩（树根桩）→围堰施工→基坑抽水→东岸基坑开挖至1.50 m高程（西岸回填至1.50 m高程）→施工基础处理钻孔灌注桩（含施工双轴水泥搅拌桩）→第一道混凝土支撑→基坑开挖至0.60 m高程→第二道钢管支撑→基坑开挖至-1.90 m高程→第三道钢管支撑→基坑开挖到设计底高程→施工泵站底板→拆除第三道钢管支撑→施工泵站墩墙、水闸底板→拆除第二道钢管支撑→施工上部结构→拆除第一道混凝土支撑[5]。

将三维场地设计模型可视化转成dgn格式后，与基坑围护模型及建筑物主体模型merge成一体，按照上述施工进度计划进行施工进度模拟，形成三维动态视频，以便立体直观地展示施工意图和效果。

4 结 语

本文基于专业的三维场地设计软件GEOPAK Site，快速地生成三维地形模型，并进行挖填设计得到连续完整的开挖边界，以减少工程施工对周边环境的影响；同时基于软件自动统计挖填方量的功能，为工程施工挖填方量准确报价提供依据；最后根据工程施工组织进度设计，完成挖填施工模拟，以指导后期施工，减少施工安全事故。

4.1 优 点

GEOPAK Site是BIM技术大力推广的强有力后盾，其主要的优点如下:

（1）立体直观的三维模型相比扁平抽象的二维图形，在加强理解方面、向外展示方面有着与生俱来的优势，而且设计三维化也是目前的趋势所在。

（2）显著地减少了传统CAD二维地形挖填图的绘制与修改的工作量；相对于Powercivil，其更能适应复杂情况的场地设计，功能更强大。

（3）它的联动修改功能，避免由于设计变更或者个人失误而造成的返工工作量。

（4）利用GEOPAK Site不同放坡比例可以快速比较各方案的占地面积，以估算征地移民的经济指标、边坡设计方案的合理性，显著提高设计效率。

（5）通过试调场地的设计高程来平衡大范围场地整平的挖填方量，大幅度地减少传统的试算工作量。

（6）相对于ZDM用平均断面法估算工程量的传统方法，其挖填方量自动统计功能省时省力，显著提高了设计质量。

4.2 不足之处

GEOPAK Site的市场应用率目前并不是很高，三维场地设计还处在发展阶段，有些功能还有待加强。

（1）GEOPAK Site目前还不能完全自动地实现场地挖填的撤销回退命令，在进行复杂的场地设计时需要步步为营。

（2）GEOPAK Site目前还没有与相关计算软件结合（如边坡稳定分析软件），不便于三维正向设计。

（3）GEOPAK Site的示坡线长短不能人为修改，有少数功能需要依靠重启软件响应，软件的友好度和灵敏性还有待加强。

（4）GEOPAK Site的场地挖填坡度均不能小于1:0.01，目前只能以1:0.01的坡度近似等价于垂直挖填，其精度还有待进一步加强。

（5）GEOPAK Site目前还没实现出图标准自定义功能，每次出图都要根据出图标准进行二次修改，其标准定制功能还有待进一步完善。

4.3 前景展望

随着勘测设计行业的充分市场化及BIM技术的大力推广，业主给予的设计周期越来越短，设计三维化的要求程度越来越高，三维设计是当下设计行业提高工作效率及提升成果质量的发展趋势和必经之路。利用GEOPAK Site进行三维场地设计，相对传统二维设计有明显的优势，相信随着市场越来越激烈，GEOPAK Site的普及应用指日可待。