□豆云霞 □徐 超（中國水利水電第十一工程局有限公司）

AutoCAD三維立體建模技術在隧洞工程中的應用

□豆云霞 □徐 超（中國水利水電第十一工程局有限公司）

對于復雜建筑物施工測量的外業(yè)計算復雜、易出錯，內業(yè)工程量計算繁瑣，利用CA D三維立體建模配合全站儀進行施工放樣可以簡化外業(yè)繁雜的計算、提高施測效率、保證施測精度，根據已完成測量工作的外業(yè)數據與立體模型比對，可以直觀的反應出施測過程中的錯誤，及時調整和優(yōu)化施測方案，對測量誤差有很好的預見性。

三維立體建模；隧洞工程；應用

0 引言

文章以某導流洞工程為例，利用CAD三維立體建模再剖切斷面的方式對導流洞掌子面設計開挖斷面放線，以此減少測量外業(yè)的計算步驟，簡化計算，提高效率，杜絕測量工作中不必要的人為錯誤，提高施測精度。利用三維立體建模的整體性可以很好的編制工程的施工測量方案，并且根據施測過程中的數據和三維實體結合，及時的整改和優(yōu)化施測方法，及時發(fā)現(xiàn)施測過程中的錯誤，減小導流洞貫通測量誤差。洞身開挖過程中根據外業(yè)采集數據與三維實體結合可以直觀看出導流洞的超欠挖情況，能夠精確快速計算不規(guī)則斷面的超欠挖工程量。

1 工程概況

本工程主要為導流洞與泄洪洞組合。導流洞與泄洪洞部分結合，布置于同一個縱剖面上，全長815 m，坡比2%，其中非結合段長146 m，斷面尺寸為12 m×12.50 m（寬×高）。進口底板高程238.80 m，進口前留高程為247.00 m的巖埂；出口底板高程224.50 m，出口設有挑流鼻坎。洞身采用鋼筋混凝土襯砌，根據圍巖情況，襯砌厚度0.50～1.50 m。其中對于測量任務的施工放樣難點在于進口漸變段和出口挑流鼻坎。

2 技術研究背景

隨著計算機軟件和硬件技術的發(fā)展，以及數學方法的引入，計算機三維技術得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應用，包括機械、建筑、電子、土木、航空航天等工程領域，cad三維建模技術已在生產實際中發(fā)揮了巨大的作用。隨著測量設備的不斷發(fā)展，全站儀三維測量放樣已被廣泛應用，同時隨著計算機應用的普及，AutoCAD軟件制作的三維立體圖在建筑工程行業(yè)也得到逐步應用，但通常只應用在施工組織及效果圖上。

目前CAD三維立體建模技術主要應用于工程設計方面，水利水電工程CAD三維立體建模技術的應用相對落后于其他行業(yè)如電力、石化，其原因主要在于工程設計中的多變性和復雜性，電力、石化行業(yè)的三維設計主要運用于工廠化設計，解決空間管道的布置以及多個專業(yè)空間布置設計協(xié)調問題。工廠設計的標準化，使得CAD三維立體技術的應用便于推廣，同時讓這些行業(yè)設計效率大幅度提高。

在水利水電工程中涉及到大量開挖工程量的計算，傳統(tǒng)的做法是：對于帶狀的開挖，采用剖面法，對于封閉區(qū)域的開挖采用網格法進行計算。在國外，很多采用構造三維模型，采用CAD三維立體建模技術進行開挖計算。

3 技術原理及方法

CAD三維建模技術在復雜建筑物的施工測量中也得到了廣泛的應用。特別是將這項技術已成功應用于隧洞貫通測量中。AutoCAD繪制的圖形通常為二維圖形，為了掌握二維圖形，測量員在面對某些特殊構筑物時要求有較高的空間立體思維，計算公式多且比較復雜；而運用三維立體圖則比較直觀地掌握施工圖紙。因此，在導流洞工程中，對于一些如洞身結構、進口漸變段、出口挑流鼻坎等型體特殊的構筑物，在施工測量中運用三維立體圖形技術，解決了施工測量放樣中計算復雜及工程量計算誤差大等問題，不僅提高了效率、保證了施測精度，而且節(jié)約了成本、為測量人員減少了不必要的麻煩。

在工程施工中，測量外業(yè)經常遇到諸如坐標換算、放樣點坐標空間位置的推算等繁雜過程，特別是對不規(guī)則、曲線形狀、工作量大而二維圖形難以準確表達的工作面，可以通過三維立體模型快速解決問題。

利用usc命令，通過命名(ucsman)把WGS坐標系改為獨立的施工坐標系，然后再次USC指定新原點，繞著z軸旋轉a（a為世界系統(tǒng)與施工系統(tǒng)間的角度換算常數），將其命名為另一坐標系即得不同坐標系間的轉換，運用時只需把該坐標系置為當前。改變坐標系的位置和方向，從而改變圖形基點的布局，實現(xiàn)了與生產相一致，也便于實現(xiàn)圖形的平、剖面圖、渲染效果圖及三維立體圖的操作與運用。

一般立體模型可看成由若干個幾何形體經過堆積和挖剪組合而成的形體。封閉的二維圖形，沿著某一路徑拉伸(extrude)或旋轉(revolve)得到基本的三維形體，三維形體經過并(Union)、差(Subtract)、交(Intersect)的布爾運算形式得到所求的三維形體。

在導流洞工程中，對規(guī)則有序的放樣，如洞身等，三維動態(tài)觀察器(3dorbit)任意旋轉察看三維實體，運用命令(Shademode)就可查看三維實體的著色面或內部三維線框，然后(id)進行查詢，可以輕松得到放樣點的三維坐標。對于進口漸變段、出口挑流鼻坎的混凝土建筑物，只要有一定的變化規(guī)律，假定X樁號一定，需要用測量的y樁號推求對應的高程H，則可以利用現(xiàn)有的三維立體圖，運用(Slice)命令，沿著垂直于X軸與y軸構成的平面并且包含有測量點y樁號的任意不在同一直線上的三點進行剪切，利用(ld)則可查詢其對應的H高程，解決施工放樣中難計算的構筑物的坐標及高程。

在內業(yè)工程量計算中，對于比如進口漸變段、出口挑流鼻坎等復雜型體的開挖量和混凝土澆筑量計算時，利用三維立體建模技術可以方便、快捷、準確的計算。在繪制三維立體模型完成后，要計算某實體模型的體積，首先選中實體，利用cad中（MASSPROP）命令可以方便求得復雜型體的體積。

4 三維立體建模技術在隧洞工程中應用的目的和意義

對于復雜建筑物施工測量的外業(yè)計算復雜、易出錯，內業(yè)工程量計算繁瑣，利用CAD三維立體建模配合全站儀進行施工放樣可以簡化外業(yè)繁雜的計算、提高施測效率、保證施測精度，根據已完成測量工作的外業(yè)數據與立體模型比對，可以直觀的反應出施測過程中的錯誤，及時調整和優(yōu)化施測方案，對測量誤差有很好的預見性。

本工程為隧洞工程，利用CAD三維立體建模再剖切斷面的方式對導流洞掌子面設計開挖斷面放線，以此減少測量外業(yè)的計算步驟，簡化計算，提高效率，杜絕測量工作中不必要的人為錯誤，提高施測精度。利用三維立體建模的整體性可以很好地編制工程的施工測量方案，并且根據施測過程中的數據和三維實體結合，及時的整改和優(yōu)化施測方法，及時發(fā)現(xiàn)施測過程中的錯誤，減小導流洞貫通測量誤差。洞身開挖過程中根據外業(yè)采集數據與三維實體結合可以直觀看出導流洞的超欠挖情況，能夠精確快速計算不規(guī)則斷面的超欠挖工程量。

5 三維立體建模測量具體應用

傳統(tǒng)施工測量和利用利用三維立體建模技術輔助施工測量技術流程見圖1、圖2。

5.1 施工放樣時間上的優(yōu)勢

以導流洞進口漸變段0+015斷面開挖放樣為例，共計輪廓點6個，見圖3。利用傳統(tǒng)施工測量技術完成工作需要約187 min，而利用立體三維建模技術輔助施工測量僅需約80 min。由此可知，利用三維立體建模技術輔助施工測量可節(jié)約時間60%左右，直接增加了測量人員的工作效率，為施工中后續(xù)工作節(jié)約了時間，為工程減少測量人員投入和為加快施工進度創(chuàng)造了有利條件。

圖1 傳統(tǒng)施工測量技術流程圖

圖2 利用三維立體建模技術輔助施工測量流程圖

在導流洞開挖施工中，從測量放線、打鉆、爆破、出渣一個工作循環(huán)需要12 h時間，其中每個工作循環(huán)測量放線環(huán)節(jié)需要耗時80 min，利用三維立體建模技術輔助施工測量每個工作循環(huán)可節(jié)約時間48 min，每月按30 d（60個工作循環(huán)）計算，故每月在原有基礎上可增加兩個工作循環(huán)。在本工程施工高峰期時每月產值750萬元，每12 h產值為750÷60=12.50萬元，利用三維立體建模技術輔助施工測量每月可以為項目增加產值12.5× 2=25萬元。

圖3 導流洞0+015斷面圖

5.2 簡化計算、減少人為錯誤的優(yōu)勢

由傳統(tǒng)測量技術流程圖可知，傳統(tǒng)測量技術步驟較多，耗時較長，在其過程中最容易出現(xiàn)錯誤的地方有計算器程序編制錯誤和現(xiàn)場利用計算器計算放樣參數錯誤；而利用三維立體建模技術輔助施工測量時省去了其中繁雜的計算過程，大大減少了測量放樣過程中的人為錯誤。而傳統(tǒng)施工測量技術在進行復雜型體建筑物放樣時準備工作較為繁瑣，現(xiàn)場放樣時計算復雜、步驟多、容易出錯，而利用三維立體建模技術進行復雜型體建筑物放樣時計算簡單、易操作，只要三維立體模型繪制標準，就可對復雜型體的建筑物進行快速放樣。

6 結語

通過在Cad三維立體建模技術在導流洞施工測量過程中成功采用，使得施工進度加快，縮短了工期，節(jié)省了施工成本，經濟效益顯著。該方法可以供任何工程使用，尤其是結構復雜、異形建筑物的工程借鑒，施工技術容易掌握，易于推廣，利用此技術快速、簡便的施工放樣和工程量計算為工程的測量工作順利開展起到了很大作用。

（責任編輯：趙 鑫）

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2016-08-08