陳 瑜

(甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000)

1 棄渣場(chǎng)設(shè)計(jì)思路

Civil 3D(簡(jiǎn)稱C3D，下同)涉及地質(zhì)、勘測(cè)、道路、橋梁、水利工程等行業(yè)，同時(shí)還能夠進(jìn)行測(cè)量、三維地形處理、挖填量計(jì)算、場(chǎng)地設(shè)計(jì)、公路設(shè)計(jì)等專業(yè)設(shè)計(jì)[1]，功能十分強(qiáng)大。作為一名水利設(shè)計(jì)人員，筆者通過學(xué)習(xí)和了解棄渣場(chǎng)三維建模方法，掌握了C3D在棄渣場(chǎng)設(shè)計(jì)中應(yīng)用的思路。

渣場(chǎng)設(shè)計(jì)，特別是填溝型、截洪型渣場(chǎng)，首先要考慮容渣量，然后確定渣場(chǎng)位置。棄渣場(chǎng)設(shè)計(jì)的常規(guī)方法是根據(jù)實(shí)測(cè)地形圖資料繪制棄渣場(chǎng)平面布置草圖及縱斷面布置圖，然后通過平面布置圖和斷面計(jì)算容渣量。容渣量采用常規(guī)計(jì)算方法，工作量大且精度較低。雖然借助軟件如ZDM輔助設(shè)計(jì)軟件等能有效計(jì)算容渣量，但計(jì)算過程繁瑣，需要進(jìn)行多次反復(fù)試算，效率低下，棄渣場(chǎng)容渣量一旦發(fā)生調(diào)整，則需要多次反復(fù)計(jì)算，無法實(shí)現(xiàn)及時(shí)動(dòng)態(tài)更新，故而容渣量計(jì)算是棄渣場(chǎng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一。針對(duì)以上問題，本文以甘肅省引洮供水二期工程棄渣場(chǎng)設(shè)計(jì)為例，運(yùn)用C3D開展設(shè)計(jì)，不僅能精確計(jì)算棄渣場(chǎng)容渣量，還能有效得到棄渣場(chǎng)三維建模效果。同時(shí)對(duì)溝道型棄渣場(chǎng)平面三維建模的優(yōu)點(diǎn)和方法進(jìn)行總結(jié)，為具備復(fù)雜地形條件的溝道型棄渣場(chǎng)水土保持工程設(shè)計(jì)建模提供參考和幫助。

2 主要技術(shù)路線及建模步驟

在本文的棄渣場(chǎng)建模設(shè)計(jì)中，首先進(jìn)行原始數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)處理完畢后，結(jié)合實(shí)測(cè)2000坐標(biāo)系地形圖，通過先創(chuàng)建再定義的步驟，將地形圖添加到C3D中；然后初步確定溝道型棄渣場(chǎng)擋渣墻軸線位置、設(shè)計(jì)邊坡比、分級(jí)馬道寬度、每級(jí)堆渣高度等，創(chuàng)建棄渣場(chǎng)三維地形；最后結(jié)合棄渣場(chǎng)地形和原始地形計(jì)算容渣量，依據(jù)容渣量計(jì)算值進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，直至容渣量達(dá)到設(shè)計(jì)要求[2]。本文的主要技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線

3 三維建模過程

3.1 原始數(shù)據(jù)處理

C3D建模的數(shù)據(jù)源主要有點(diǎn)、GCD、DGX、DEM、Landxml等，拿到棄渣場(chǎng)地形圖后，需先對(duì)地形圖進(jìn)行分析，主要看以上數(shù)據(jù)源是否有正確的高程值，其次再編輯查看DGX和GCD等是否各存在一個(gè)圖層，將無用的圖層關(guān)掉。

3.2 創(chuàng)建地形曲面

在C3D中，三維地形被稱之為曲面。C3D創(chuàng)建地形曲面步驟為先創(chuàng)建再定義。

(1)先創(chuàng)建。 創(chuàng)建三維地形的步驟是：①在工具空間右鍵“曲面”，選擇“創(chuàng)建曲面”。②彈出“創(chuàng)建曲面”對(duì)話框，選擇曲面類型，指定曲面圖層(可選)。③輸入曲面名稱(地形曲面)和描述，指定曲面樣式和渲染材質(zhì)。④單擊“確定”即可完成。

(2)再定義。C3D軟件定義曲面的方法主要有添加點(diǎn)、點(diǎn)編組、多段線、GCD、DGX、特征線等形式。本文通過添加DGX來定義曲面。主要步驟為：選擇地形圖中的等高線→右鍵選擇類似對(duì)象→原始地形曲面→定義→等高線右鍵→添加，選擇對(duì)象查看器，查看生成的地形曲面效果。

然而，采用等高線定義曲面時(shí)，地形圖中難免會(huì)存在一些錯(cuò)誤的高程點(diǎn)，稱為“錯(cuò)差點(diǎn)”，可以通過如下操作來排除錯(cuò)差點(diǎn)：選擇曲面→曲面特性→定義→生成→排除低于某值的高程或排除高于某值的高程或使用三角形最大邊長(zhǎng)。

3.3 創(chuàng)建棄渣場(chǎng)曲面

3.3.1創(chuàng)建簡(jiǎn)單溝道型棄渣場(chǎng)曲面

C3D在進(jìn)行簡(jiǎn)單地形棄渣場(chǎng)設(shè)計(jì)(本文主要探討溝道型棄渣場(chǎng)，下同)時(shí)一般采用放坡法創(chuàng)建，即運(yùn)用軟件自帶的放坡標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行放坡。放坡法具體創(chuàng)建步驟如下。

(1)新建場(chǎng)地，場(chǎng)地?zé)o樣式。

(2)根據(jù)地形圖確定棄渣場(chǎng)位置，用多段線或要素線繪制出擋渣墻軸線位置，并賦予相應(yīng)的高程。為了使放坡后實(shí)體模型能很好的與原地面地形相契合，將擋渣墻軸線兩端適當(dāng)進(jìn)行延伸。

(3)初步確定棄渣場(chǎng)坡比，一般為1∶2，堆渣高度以及分級(jí)馬道寬度。

(4)通過指定的放坡規(guī)則，讓C3D自動(dòng)創(chuàng)建放坡和放坡組，并通過放坡組創(chuàng)建設(shè)計(jì)曲面，計(jì)算其體積、平衡土方量。放坡有歸屬關(guān)系，放坡操作必須在相對(duì)應(yīng)的放坡組里。放坡規(guī)則為軟件自帶4種規(guī)則，可根據(jù)棄渣場(chǎng)堆渣方式，選擇相應(yīng)的放坡標(biāo)準(zhǔn)，在前一個(gè)放坡的基礎(chǔ)上繼續(xù)放坡，重復(fù)以上操作，直至渣頂平臺(tái)，最后渣頂平臺(tái)放坡需延長(zhǎng)，以便放坡后實(shí)體模型能很好的與原地面地形相契合。

(5)棄場(chǎng)挖填方量計(jì)算。具體步驟為：?jiǎn)螕簟皠?chuàng)建新體積曲面”按鈕，彈出新建體積曲面對(duì)話框。該對(duì)話框中兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是“基準(zhǔn)曲面”和“對(duì)照曲面”，其中“基準(zhǔn)曲面”選擇“原始地形”、“對(duì)照曲面”選擇“棄渣場(chǎng)地形”、“體積面板”中生成計(jì)算結(jié)果，得到棄渣場(chǎng)填方量后，判斷是否滿足計(jì)劃棄渣量，如滿足則進(jìn)行排水、擋墻等線路創(chuàng)建，如不滿足，重復(fù)放坡操作，直至滿足位置。

(6)單擊分析按鈕→地面數(shù)據(jù)→曲面之間最小距離→回車→依次選擇原始地形和棄渣場(chǎng)地形，求得棄渣場(chǎng)邊界，為三維多段(3D PL)線，選擇→右鍵選擇類似對(duì)象→修改工具選項(xiàng)版→設(shè)計(jì)→將三維多段三維多段(3D PL)線轉(zhuǎn)為二維多段(2D PL)線，將二維多段(2D PL)線賦值統(tǒng)一高程，連接閉合。

(7)在工具空間右鍵“棄渣場(chǎng)曲面”，選擇“定義”→邊界，選擇外部，利用生成的邊界線對(duì)棄渣場(chǎng)曲面添加外部邊界。

(8)在工具空間界面，點(diǎn)擊曲面，在下拉界面中分別選擇地形曲面和棄渣場(chǎng)曲面，點(diǎn)擊對(duì)象查看器查看曲面模型效果。放坡法生成的棄渣場(chǎng)曲面及平面圖如圖2—3所示。

圖2 放坡法生成的棄渣場(chǎng)曲面圖

圖3 放坡法生成的棄渣場(chǎng)平面圖

3.3.2創(chuàng)建復(fù)雜溝道型棄渣場(chǎng)曲面

放坡法對(duì)于有多個(gè)支溝的復(fù)雜溝道型棄渣場(chǎng)則難以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求。因此，本文對(duì)復(fù)雜地形棄渣場(chǎng)進(jìn)行重復(fù)多次建模設(shè)計(jì)，總結(jié)出采用特征線法來構(gòu)建曲面，可以創(chuàng)建任意的邊坡形態(tài)。特征線法具體創(chuàng)建步驟如下。

(1)依據(jù)實(shí)測(cè)地形圖，創(chuàng)建棄渣場(chǎng)曲面。

(2)根據(jù)地形情況選定渣場(chǎng)位置，分析確定擋渣墻軸線位置，用多段線繪制出擋渣墻軸線，并賦予其高程，并用添加特征線法將多段線添加成特征線，具體操作如下：選擇棄渣場(chǎng)曲面→定義→選擇特征線→右鍵單擊添加，將帶高程的擋渣墻軸線多段線添加為特征線，手動(dòng)建立三角網(wǎng)曲面。

(3)初步確定堆渣邊坡比，一般為1∶2，堆渣高度、各級(jí)馬道寬度。

(4)擋墻軸線沿兩側(cè)延伸，先向上方偏移3～4m即為馬道寬度，利用多段線功能，繪制偏移后的馬道邊界，并賦予其高程，高程值為擋渣墻軸線高程；同時(shí)對(duì)此條線再進(jìn)行偏移，并設(shè)定偏移后線段高程，再重復(fù)前兩次操作。

若為多個(gè)支溝的復(fù)雜溝道，則根據(jù)溝道中心線走勢(shì)適當(dāng)設(shè)置平臺(tái)邊界，用多段線繪制出平臺(tái)并賦予其高程，然后將其添加為特征線，手動(dòng)建立三角網(wǎng)曲面，反復(fù)操作以上步驟，直至渣頂，在棄渣場(chǎng)周邊繪制一條多段線，并盡量延長(zhǎng)超過渣頂范圍，與擋渣墻，各級(jí)馬道或平臺(tái)邊界連接，形成閉合的棄渣場(chǎng)界限，并將其添加為特征線。

重復(fù)3.3.1小節(jié)第(5)—(8)步，特征線法生成的棄渣場(chǎng)曲面及平面圖如圖4—5所示。

圖4 特征線法生成的棄渣場(chǎng)曲面圖

圖5 特征線法生成的棄渣場(chǎng)平面圖

4 結(jié)論

(1)本文提出了基于C3D軟件的棄渣場(chǎng)平面三維設(shè)計(jì)方法。利用該軟件能快建模，實(shí)時(shí)查看及編輯地形圖，及時(shí)避開地形圖錯(cuò)誤對(duì)工程設(shè)計(jì)造成的影響[3]。同時(shí)，該軟件能為水土保持設(shè)計(jì)工作提供較為先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法和技術(shù)手段。

(2)計(jì)算土石方量方面，該軟件計(jì)算挖填量更加高效精準(zhǔn)，速度明顯高于其他同類軟件[4]。

(3)C3D可以創(chuàng)建任意的邊坡形態(tài)，還能根據(jù)容渣量調(diào)整等情況實(shí)施動(dòng)態(tài)更新，極大地提高了效率。

(4)本文僅提出了溝道型棄渣場(chǎng)平面建模方法，對(duì)于坡地型、臨河型等其他類型棄渣場(chǎng)未提出建模方法，函需進(jìn)一步研究。