翁發(fā)根

在浯溪口水利樞紐項目中，江西省水利規(guī)劃設(shè)計院借助集成的土木設(shè)計和工程三維設(shè)計軟件GeoPAK Site進行三維開挖輔助設(shè)計。借助強大的三維場地運算分析能力，該項目的整個設(shè)計過程相對于傳統(tǒng)的二維設(shè)計更加高效、準(zhǔn)確、直觀，而且系統(tǒng)能自動計算工程量，取得了較好的設(shè)計成果。

水利工程開挖設(shè)計的新方式

浯溪口水利樞紐工程是一座以防洪功能為主，兼顧供水、發(fā)電等功能的水利工程。樞紐總體布置沿軸線從左至右依次為：左岸碾壓混凝土非溢流壩段、表孔溢流壩段、低孔溢流壩段、廠房壩段和右岸碾壓混凝土非溢流壩段。其重力壩最大壩高 46.80米，壩軸線總長498.62米。溢流表孔單孔凈寬12.0米，共5孔，溢流低孔單孔凈寬12.0米，共6孔。廠房采用河床式布置，共3臺機，總裝機容量32.0兆瓦 （2×15兆瓦+ 1×2.0兆瓦）?？梢姡聪谒麡屑~工程是個相對復(fù)雜的水利工程。

工程場地設(shè)計本來是一個復(fù)雜繁瑣的過程，即使在二維環(huán)境下借助ZDM 等相關(guān)軟件插件，也不能很好地表達場地開挖、回填的真實情況。對于地形復(fù)雜的水利樞紐工程來說，開挖設(shè)計質(zhì)量很大程度上依賴于設(shè)計工程師的三維空間想象力。加上不可避免的重復(fù)計算和制圖過程，不能不說場地開挖設(shè)計變成了一個繁重的設(shè)計任務(wù)，而且開挖圖的繪制還耗時耗力。此外，常規(guī)二維開挖圖在表達設(shè)計成果方面不如三維設(shè)計成果那樣直觀和有空間感，這給實際現(xiàn)場施工帶來一定的困難。

為此，在浯溪口水利樞紐項目中，江西省水利規(guī)劃設(shè)計院借助集成的土木設(shè)計和工程三維設(shè)計軟件GeoPAK Site進行三維開挖輔助設(shè)計。

由Bentley提供的GeoPAK 是一款集成的土木設(shè)計和工程三維設(shè)計軟件，工程場地開挖主要使用GEOPAK Site模塊來實現(xiàn)場地的開挖設(shè)計。GeoPAK Site是專注于場地開挖的三維設(shè)計軟件，它具有一整套動態(tài)而靈活的場地設(shè)計工具，廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)開挖項目，如建筑場地平整，渠道、公路和水利樞紐基礎(chǔ)開挖等，其出色的內(nèi)部算法和對計算機運算能力的充分應(yīng)用，有效地減輕了復(fù)雜場地開挖圖設(shè)計的負(fù)擔(dān)，且其準(zhǔn)確快捷的工程量統(tǒng)計也為投資概算精確計算打下了基礎(chǔ)。

這款三維軟件可以按照開挖的先后順序?qū)崿F(xiàn)工程的模擬，比二維設(shè)計的計算方法更加直觀，在指導(dǎo)施工方面更具實用價值。相關(guān)人員可以在MicroStation中建立樞紐各個組成部分（如重力壩、廠房等）的三維模型。將模型組裝完成后，結(jié)合建筑物的外輪廓線，以及測量和地質(zhì)數(shù)據(jù)，在GeoPAK中可以實現(xiàn)場地的開挖模擬。將測量數(shù)據(jù)和地址數(shù)據(jù)導(dǎo)入GeoPAK中，把建筑物的外輪廓線投影到設(shè)計高程（某點沿鉛垂線方向到絕對基面的距離）上，就可以按照設(shè)計邊坡在原地形上進行放坡（為了防止塌方、確保施工安全，在挖方超過一定深度或填方超過一定高度時，在其邊沿放出的足夠的邊坡），修筑馬道等。在建筑物開挖部分有交集的地方，軟件可自動進行處理，防止重復(fù)計算開挖量。

關(guān)鍵的五個步驟

基于GeoPAK Site 的開挖輔助設(shè)計主要流程有建立三維數(shù)字地面模型，提取開挖邊界，確定開挖坡比（坡面的垂直高度和水平寬度的比叫做坡比）、范圍和方案等，調(diào)整、優(yōu)化設(shè)計方案，以及成果整理與出圖。浯溪口水利樞紐項目中，開挖設(shè)計主要包含以下幾個關(guān)鍵步驟：

第一步，建立三維數(shù)字地面模型。在浯溪口水利樞紐工程中，江西省水利規(guī)劃設(shè)計院首先在Bentley協(xié)同設(shè)計平臺MicroStation 上建立各個組成部分的三維模型。

第二步，提取開挖邊界。在樞紐模型總裝完成后，搜集所需的測量資料（如前期的DWG工程地形圖紙文件），利用等高線、高程點等數(shù)據(jù)生成GeoPAK 可識別的tin（不規(guī)則三角網(wǎng)格）文件。導(dǎo)入原始地形的tin文件，將其作為開挖設(shè)計的基準(zhǔn)面。從開挖文件中提取樞紐模型外輪廓線作為開挖的元素線。把重力壩和廠房的外輪廓線（基礎(chǔ)輪廓）投影到設(shè)計高程上，根據(jù)原始地形設(shè)計放坡和馬道（深坑基礎(chǔ)開挖、圍堰中的運輸?shù)缆坊蚱脚_）等。

第三步，模擬開挖順序。因施工順序不同，各個不同的構(gòu)筑物的開挖設(shè)計順序也不同。GeoPAK 可以按照施工順序為不同構(gòu)筑物創(chuàng)建相應(yīng)的對象，所有對象隸屬于統(tǒng)一的場地開挖模型。通過編輯、調(diào)整模型中對象的順序來模擬開挖施工順序。本工程將基坑，左、右岸上壩公路和進廠公路列為不同對象，對整個場地模型放坡，通過調(diào)整FIFO（先入先出隊列）順序來實現(xiàn)開挖順序模擬。

第四步，計算工程量。在開挖設(shè)計完成后，再進行工程量統(tǒng)計。可以直接通過GeoPAK Site的模型查詢法實現(xiàn)，即使用查詢命令，將開挖后模型和原地面模型進行演算，得出整個工程的開挖和回填的工程量，也可分高程、分構(gòu)筑物得出相應(yīng)的工程量。

第五步，根據(jù)三維開挖模型生成平面圖和剖面圖。完成GeoPAK Site開挖設(shè)計后，還要對設(shè)計成果進行整理。由于GeoPAK Site儲存了三維開挖設(shè)計的所有信息，因此可以在任何所需位置剖切出開挖剖面圖；投影提取、開挖設(shè)計過程中的要素線、開挖邊界，并參考原地形圖生成開挖平面圖，根據(jù)需要標(biāo)示相應(yīng)的尺寸、高程。

遠(yuǎn)不止于提高效率

基于MicroStation的GeoPAK Sit可以充分發(fā)揮計算機的自動化、智能化優(yōu)勢，給水利水電工程的設(shè)計提供了很大的幫助。

GeoPAK Site 的計算準(zhǔn)確度取決于地形測量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和設(shè)計人員所選定的三角網(wǎng)格精度。相比在平面圖紙上通過剖切典型斷面來計算工程量，GeoPAK Site能更加精確地反映場地的開挖、回填情況。GeoPAK具有實時設(shè)計功能，即只要調(diào)整設(shè)計要素線，整個工程的模型就隨之更新，使三維場地的開挖、回填設(shè)計成果變得更加直觀。如果重新運行工程量查詢命令，工程量會隨之更新。

運用GeoPAK Site軟件進行輔助設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)場地開挖的三維可視化，直觀地反映工程布置情況，并高效地指導(dǎo)場地開挖、比選優(yōu)化和工程量統(tǒng)計等業(yè)務(wù)，從而更好地管理和組織后續(xù)施工工作。此外，相關(guān)人員還可以根據(jù)三維模型的放坡邊界線得出工程的占地面積，檢查放坡設(shè)計的合理性，進而避免過多高邊坡的出現(xiàn)，使得設(shè)計更加合理。

不過在計算土方和石方的工程量時，需要區(qū)分地層屬性。這就需要得到地質(zhì)資料作為基礎(chǔ)。GeoPAK 是將地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)和實際地形信息結(jié)合起來生成三維地質(zhì)模型的。在浯溪口水利樞紐項目三維設(shè)計開展過程中，江西省水利規(guī)劃設(shè)計院受實際條件限制，并未采用地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)來生成三維地質(zhì)模型，這就為基礎(chǔ)開挖、邊坡設(shè)計、工程量統(tǒng)計帶來一些不便。因此，在后期開展類似項目時，應(yīng)首先建立基于三維地質(zhì)的數(shù)字地面模型。

由于目前GeoPAK Site在國內(nèi)水利行業(yè)的應(yīng)用尚處于起步階段，軟件所采用的一些標(biāo)準(zhǔn)跟我國水利行業(yè)的要求不統(tǒng)一，很多細(xì)部的標(biāo)注信息需要用戶自己定義，江西省水利規(guī)劃設(shè)計院也耗費了不少精力用在后期的成果整理和開挖圖出圖上。

總而言之，三維可視化設(shè)計是設(shè)計行業(yè)的一個發(fā)展方向。隨著勘測設(shè)計業(yè)務(wù)的日益市場化，業(yè)主對工程勘測設(shè)計的質(zhì)量要求越來越高，而對設(shè)計周期的要求卻越來越短。如果設(shè)計院能夠采用GeoPAK Site進行輔助設(shè)計，不僅可以快速對設(shè)計方案進行比較，還可以在很短的時間內(nèi)完成設(shè)計方案的修改。在開挖和回填工程量的統(tǒng)計上，雖然當(dāng)前的結(jié)果表現(xiàn)方式還不是很理想，但精確程度是很高的。相信隨著三維設(shè)計軟件的進一步發(fā)展，越來越多適合水利行業(yè)的模塊會得到完善，從而大幅提供設(shè)計質(zhì)量和效率。