三维场地设计在水利工程中的应用

通常来说，在水利水电工程设计中，开挖图的绘制较为繁杂。如果采用常规的平面 CAD 绘图软件来设计，难以准确表达设计思想。江西省水利规划设计院基于 GeoPAK Site 三维场地设计软件对浯溪口水利枢纽进行三维开挖辅助设计，取得了良好的效果，其经验可供类似工程参考。

水利工程开挖设计的新方式

浯溪口水利枢纽工程是相对复杂的水利工程，以防洪功能为主，兼顾供水、发电等功能。工程场地设计本来是一个复杂繁琐的过程，即使在二维环境下借助 ZDM 等相关软件插件，也不能很好地表达场地开挖、回填的真实情况。对于地形复杂的水利枢纽工程来说，开挖设计质量很大程度上依赖于设计工程师的三维空间想象力。加上不可避免的重复计算和制图过程，不能不说场地开挖设计变成了一个繁重的设计任务，而且开挖图的绘制还耗时耗力。此外，常规二维开挖图在表达设计成果方面不如三维设计成果那样直观和有空间感，这给实际现场施工带来一定的困难。

由 Bentley 提供的 GeoPAK 是一款集成的土木设计和工程三维设计软件，工程场地开挖主要使用GEOPAK Site 模块来实现场地的开挖设计。GeoPAK Site 是专注于场地开挖的三维设计软件，它具有一整套动态而灵活的场地设计工具，广泛应用于基础开挖项目，如建筑场地平整，渠道、公路和水利枢纽基础开挖等，其出色的内部算法和对计算机运算能力的充分应用，有效地减轻了复杂场地开挖图设计的负担，且其准确快捷的工程量统计也为投资概算精确计算打下了基础。这款三维软件可以按照开挖的先后顺序实现工程的模拟，比二维设计的计算方法更加直观，在指导施工方面更具实用价值。相关人员可以在 MicroStation 中建立枢纽各个组成部分（如重力坝、厂房等）的三维模型。将模型组装完成后，结合建筑物的外轮廓线，以及测量和地质数据，在GeoPAK中可以实现场地的开挖模拟。将测量数据和地址数据导入 GeoPAK 中，把建筑物的外轮廓线投影到设计高程（某点沿铅垂线方向到绝对基面的距离）上，就可以按照设计边坡在原地形上进行放坡（为了防止塌方、确保施工安全，在挖方超过一定深度或填方超过一定高度时，在其边沿放出的足够的边坡），修筑马道等。在建筑物开挖部分有交集的地方，软件可自动进行处理，防止重复计算开挖量。

关键的五个步骤

基于 GeoPAK Site 的开挖辅助设计主要流程有建立三维数字地面模型，提取开挖边界，确定开挖坡比（坡面的垂直高度和水平宽度的比叫做坡比）、范围和方案等，调整、优化设计方案，以及成果整理与出图。浯溪口水利枢纽项目中，开挖设计主要包含以下几个关键步骤：

 ? 第一步：建立三维数字地面模型。首先在Bentley 协同设计平台 MicroStation 上建立各个组成部分的三维模型。

 ? 第二步：提取开挖边界。在枢纽模型总装完成后，搜集所需的测量资料（如前期的DWG工程地形图纸文件），利用等高线、高程点等数据生成GeoPAK 可识别的tin（不规则三角网格）文件。导入原始地形的tin文件，将其作为开挖设计的基准面。

 ? 第三步：模拟开挖顺序。因施工顺序不同，各个不同的构筑物的开挖设计顺序也不同。 GeoPAK 可以按照施工顺序为不同构筑物创建相应的对象，所有对象隶属于统一的场地开挖模型。

 ? 第四步：计算工程量。在开挖设计完成后，再进行工程量统计。

 ? 第五步：根据三维开挖模型生成平面图和剖面图。完成GeoPAK Site 开挖设计后，还要对设计成果进行整理。

远不止于提高效率

基于MicroStation 的GeoPAK Sit 可以充分发挥计算机的自动化、智能化优势，给水利水电工程的设计提供了很大的帮助。三维可视化设计是设计行业的一个发展方向。随着勘测设计业务的日益市场化，业主对工程勘测设计的质量要求越来越高，而对设计周期的要求却越来越短。如果设计院能够采用 GeoPAK Site进行辅助设计，不仅可以快速对设计方案进行比较，还可以在很短的时间内完成设计方案的修改。在开挖和回填工程量的统计上，虽然当前的结果表现方式还不是很理想，但精确程度是很高的。相信随着三维设计软件的进一步发展，越来越多适合水利行业的模块会得到完善，从而大幅提供设计质量和效率。

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