何 強(qiáng)

（湖南省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究總院 長沙市 410007）

1 概 述

開挖圖的設(shè)計(jì)一般是在二維CAD平臺上進(jìn)行，借助類似ZDM插件來完成的，對于建筑物結(jié)構(gòu)和所處場地較為簡單的工程，這種方法能夠給出良好的設(shè)計(jì)成果。但是，對于建筑物結(jié)構(gòu)和所處場地均復(fù)雜的水電工程而言，該法難以取得令人滿意的效果；同時(shí)在設(shè)計(jì)過程中，需要設(shè)計(jì)者具有較強(qiáng)的三維空間想象能力，加重了設(shè)計(jì)者的負(fù)擔(dān)，使得開挖圖的繪制耗時(shí)耗力。

GEOPAK Site是一種適用于工程基礎(chǔ)項(xiàng)目設(shè)計(jì)的有力而完善的工具，如設(shè)計(jì)各類建筑場地、水壩、料場、停車場、棄渣場的相關(guān)場地設(shè)施、工廠的場地、排水系統(tǒng)等。其優(yōu)秀的內(nèi)部算法和對計(jì)算機(jī)運(yùn)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(jì)的負(fù)擔(dān)。

本文借助GEOPAK Site強(qiáng)大的三維場地運(yùn)算分析能力，對毛俊水庫工程進(jìn)行三維開挖輔助設(shè)計(jì)，整個(gè)設(shè)計(jì)過程相對于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法較為輕松和準(zhǔn)確，取得了較好的設(shè)計(jì)成果。限于篇幅，本文以毛俊水庫工程中開挖難度最大的首部樞紐為例，介紹GEOPAK Site輔助設(shè)計(jì)開挖過程。

2 工程簡介

毛俊水庫工程壩址位于湖南省永州市藍(lán)山縣湘江二級支流、舂陵水一級支流俊水中下游，是一座以灌溉為主，結(jié)合供水、兼顧發(fā)電等綜合利用效益的大二型水庫。

2.1 樞紐建筑物

本工程建筑物包括攔河大壩、水庫電站、渠首電站等。

樞紐建筑物的三維模型如圖1所示。

圖1 毛俊水庫樞紐建筑物模型

2.2 樞紐區(qū)地質(zhì)

壩區(qū)內(nèi)出露地層較簡單，主要為寒武系地層及泥盆系地層，主要由灰綠色淺變質(zhì)石英砂巖、長石石英砂巖夾板巖、炭質(zhì)板巖，暗紫紅、灰白色中厚層石英細(xì)砂巖夾（互）粉砂巖，與上游的寒武系地層呈角度不整合接觸關(guān)系。

3 GEOPAK Site輔助設(shè)計(jì)

基于GEOPAK Site的開挖輔助設(shè)計(jì)主要流程有：①三維地形建模；②開挖邊界提?。虎鄞_定開挖原則、方案；④GEOPAK Site進(jìn)行開挖及優(yōu)化設(shè)計(jì)；⑤成果整理出圖。

3.1 地形建模、邊界提取

GEOPAK Site提供了多種數(shù)據(jù)接口，既可根據(jù)文本地形點(diǎn)信息生成三維地形圖，也可通過平面CAD地形及數(shù)字標(biāo)高圖生成三維地形。

毛俊水庫工程根據(jù)測繪專業(yè)提供的平面CAD地形圖提取GEOPAK Site所需的三維地形信息，生成記錄地形空間幾何信息的dat文件。特別需要注意的是，在地形提取之前的單位設(shè)置問題，通過反復(fù)實(shí)踐CAD到GEOPAK Site的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程，筆者有以下經(jīng)驗(yàn)可供參考：

（1）原始的dwg格式文件，不存在單位設(shè)置，而只默認(rèn)了10000像素/單位的設(shè)定，而GEOPAK則有單位的設(shè)置，因此，在提取之前，應(yīng)將CAD中的圖形單位設(shè)置成“米”，再新建一個(gè)10000像素/米的GEOPAK種子文件與其對應(yīng)，最后進(jìn)行提取工作。

（2）對于國外工程較多以英寸為單位，此時(shí)在CAD中圖形單位要設(shè)置成“英寸”，GEOPAK Site中的種子文件保持對應(yīng)。

（3）若使用其他手段獲取地形數(shù)據(jù)，則應(yīng)事先了解清楚其記錄數(shù)據(jù)所使用的單位精度，避免出現(xiàn)不一致的情況。

通過以上設(shè)置，即可保證地形信息在轉(zhuǎn)換時(shí)準(zhǔn)確無誤。得到毛俊水庫整個(gè)工程區(qū)域的三維地形圖，如圖2所示。

地形提取完畢后，根據(jù)建筑物的布置情況，在地形圖中確定開挖邊界。為了便于在后續(xù)的開挖過程中，直觀地觀察開挖情況，建議開挖邊界按實(shí)際開挖高程繪制。

3.2 進(jìn)行開挖及優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)工程區(qū)域的地質(zhì)條件，壩址區(qū)兩岸山坡坡腳和河床中均有基巖零星出露，地質(zhì)條件較好，開挖坡比多選擇1∶0.5。開挖成果見圖3。

圖2 原始三維地形圖

圖3 三維開挖成果圖

大壩左岸邊坡原設(shè)計(jì)開挖方案為從各壩段底部高程起，采用1∶0.5的坡比放至地面，每10 m設(shè)一級馬道，馬道寬度按2 m設(shè)計(jì)。因二維表達(dá)方式的局限性，原CAD中繪制出的開挖圖與實(shí)際情況相去甚遠(yuǎn)。

在使用了GEOPAK Site進(jìn)行設(shè)計(jì)之后，形成的三維開挖圖如圖4所示，因?yàn)槭侨S模型，設(shè)計(jì)人員可以非常直觀的進(jìn)行工作，可以在保證馬道設(shè)計(jì)寬度的前提，繪制出完全擬合原始地形的開挖線。

在開挖設(shè)計(jì)過程中，使用Volumes工具條對開挖工程量進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)控，如圖5所示，因?yàn)槭腔谌S模型進(jìn)行的開挖設(shè)計(jì)，統(tǒng)計(jì)出來的數(shù)據(jù)是基于三維空間點(diǎn)位形成的網(wǎng)格體進(jìn)行的運(yùn)算，準(zhǔn)確度相較于網(wǎng)格面劃分法要精確許多。

圖5 自動統(tǒng)計(jì)挖填方量

可以根據(jù)設(shè)計(jì)需要進(jìn)行開挖方量的分層統(tǒng)計(jì)，對于優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)以及為施工專業(yè)提交開挖方案提供了參考依據(jù)。

開挖方案初步確定之后，通過DrainageTools工具條，對開挖區(qū)域進(jìn)行了排水分析，如圖6所示，為開挖區(qū)域截水溝布置提供依據(jù)。

圖6 開挖區(qū)排水分析界面

3.3 成果整理

GEOPAK Site開挖完畢之后，需要進(jìn)行成果整理：

（1）更改顯示樣式，使平面圖符合常用二維圖面顯示習(xí)慣，如圖7所示。

（2）切取所需開挖剖面圖，因?yàn)镚EOPAK Site儲存了三維開挖的所有信息，所以可以在任何所需位置切出開挖剖面圖。

圖7 二維顯示模式下的開挖平面

（3）進(jìn)行相應(yīng)尺寸、高程標(biāo)注，只需要進(jìn)行一些尺寸標(biāo)注和文字說明，將保存的視圖參考置圖框之中，即可出圖。

4 結(jié)語

在運(yùn)用GEOPAK Site進(jìn)行毛俊水庫工程開挖圖輔助設(shè)計(jì)的過程中，筆者發(fā)現(xiàn)該設(shè)計(jì)過程有如下幾點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)。

（1）準(zhǔn)確、高效設(shè)計(jì)。通過軟件自身算法與計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的結(jié)合，在保證開挖中各種邊界線、坡線準(zhǔn)確性的同時(shí)，使得開挖設(shè)計(jì)過程更加高效。

（2）開挖自動化程度高。開挖圖的傳統(tǒng)繪制過程中，對于放坡邊界線往往需要人工計(jì)算，即便是借助ZDM等插件也難以放出高程漸變坡底線的坡頂線，GEOPAK Site則能夠通過需要的參數(shù)自動進(jìn)行這些工作，將設(shè)計(jì)者從繁瑣的計(jì)算中解放出來。

（3）便于優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過修改放坡坡比參數(shù)能夠即時(shí)查看放坡邊界、工程量、開挖剖面情況，相較于傳統(tǒng)方法，更便于優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（4）成圖方便。傳統(tǒng)繪圖方法，往往需要設(shè)計(jì)者同時(shí)畫出開挖平面圖、開挖剖面圖，而GEOPAK Site輔助設(shè)計(jì)過程中，平面開挖圖、剖面開挖圖均可在GEOPAK Site中自動生成，僅需適當(dāng)標(biāo)注即可滿足設(shè)計(jì)出圖要求。

（5）施工級深度設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)后的模型，可以在GEOPAK Site中進(jìn)行一些列的分析計(jì)算，結(jié)合施工方案進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。