李　敏

(四川涼山水洛河電力開發(fā)有限公司，四川 成都　610041)

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CAD建模技術在工程計量管理中的應用

李敏

(四川涼山水洛河電力開發(fā)有限公司，四川 成都610041)

Auto CAD作為一套強大的輔助設計軟件，不僅擁有強大的平面設計及制圖能力，而且其精確的三維建模功能亦受到越來越多用戶的歡迎。目前，三維建模功能亦越來越強大，模型不僅能直觀真實地再現(xiàn)場景，其坐標和高程均可采用大地坐標，給人以身臨其境的感覺；正因為此，AutoCAD在工程計量方面也有著其獨到的特點和精準度。

autoCAD建模；工程計量；建模方法；主要問題；優(yōu)缺點比較

1　概　述

傳統(tǒng)的工程計量在水利水電工程中大多采用近似計算的方法，如傳統(tǒng)的土石方測量采用斷面平均法；現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展為采用專業(yè)測繪軟件土石方開挖工程量；其計算的過程和精度均有大幅度的提高，然面對設計復雜、不規(guī)則體型結(jié)構(gòu)的計算，其斷面中的設計線則難以確定，這樣也就難以保證計算結(jié)果的正確性，如利用簡化計算求解不規(guī)則喇叭口結(jié)構(gòu)混凝土工程量，計算結(jié)果繁復，也不直觀，且計算結(jié)果與真實值偏差較大。

AutoCAD建模技術已經(jīng)在工程管理中發(fā)揮著越來越多的作用，包括方案設計，施工組織管理等；然而利用AutoCAD模型屬性中包含的獨特參數(shù)來解決復雜體形的計量問題，卻更為方便和直觀，如水工建筑物中常見的喇叭口、橢圓錐坡、杻面，廠房中的蝸殼、尾水管等結(jié)構(gòu)混凝土工程計量；更值得一提的是利用AutoCAD建模的方式來處理大規(guī)模的測量數(shù)據(jù)，對原始地形地貌建模，形成土石方開挖實體的形狀，然后僅通過查詢及能獲得精確的開挖工程量，使計量工作變得簡單、快捷、精確而直觀。

在AutoCAD中，模型有表面模型和實體模型之分，表面模型缺少體積質(zhì)量等參數(shù)，而我們在工程計量中，大多是需要查詢體積參數(shù)的，故，建立實體模型是我們需要重點掌握的技能。

在AutoCAD中，常見的規(guī)則的幾何形狀(如立方體、球體、圓錐體，棱柱等)的建模均比較容易掌握，其組合使用已經(jīng)得到推廣；因此，在本文中僅重點介紹水利水電工程中較復雜的異型結(jié)構(gòu)的實體建模和用大量測量數(shù)字形成的地形地貌的實體建模的方法和技巧。

2　建模方法

理論上，所有的復雜結(jié)構(gòu)都是由若干簡單的形狀組成，因此，學會使用基本的三維操作命令，并加以合理組合和加減運算等，是三維建模學習的基礎，正確理解圖形，掌握基本操作命令并靈活使用是關鍵。

2.1復雜結(jié)構(gòu)的建模技巧

2.1.1靈活設置用戶坐標

在大地坐標的基礎上確定建筑物的主軸方向及高程，但對結(jié)構(gòu)物來說，它存在各個方向上的不同的主平面，在建造模型時，要根據(jù)需要變換用戶坐標，是非常重要的。

2.1.2重要命令的組合使用

拉伸、剖切、布爾運算、放樣、旋轉(zhuǎn)等是建模中常用的重要命令，配合坐標變換等，可以解決大部分較復雜的結(jié)構(gòu)物的建模問題。

紫平鋪的2號導流洞進水塔及漸變段結(jié)構(gòu)模型，如圖1，進口水平向和豎直向均為不同參數(shù)的橢圓曲線；漸變段則由城門洞型漸變?yōu)轳R蹄形斷面，主要通過拉伸、剖切、布爾運算來實現(xiàn)。

紫平鋪工程右岸為高邊坡(圖2)，除了右岸全部的結(jié)構(gòu)物外，最終的地形地貌根據(jù)設計藍圖標識的尺寸和坡比復原出來，主要通過“剖切”命令即可實現(xiàn)。

印尼ASAHAN NO1電站蝸殼、尾水管結(jié)構(gòu)(圖3)，蝸殼軸線在水平面上轉(zhuǎn)彎，為非圓形軌跡，同時，蝸殼直徑不斷減??；而尾水管的斷面自上而下，斷面由圓形漸變?yōu)閳A臺，繼續(xù)變寬同時變窄，最后變?yōu)樨Q直的大方孔，軌跡由豎直變?yōu)樗剑詈笮毕蛏闲?。該結(jié)構(gòu)為水利水電中復雜結(jié)構(gòu)的代表，最快捷的實體建模方法是采用空間“放樣”的命令來實現(xiàn)。

圖1　紫平鋪工程2#導流洞進水塔結(jié)構(gòu)模型

圖2　紫平鋪工程右岸設計邊坡模型

圖3　印尼ASAHAN NO1工程蝸殼、尾水管結(jié)構(gòu)模型

印尼ASAHAN NO1導流洞的封堵和引水隧洞的開挖襯砌段結(jié)構(gòu)(如圖4)，原有的導流洞與引水洞軸線空間交叉，斷面的形狀和大小均不一樣，有部分混凝土拆除和擴挖；引水洞要重新襯砌，而導流洞則要封堵回填，該部分工程量的表達則主要使用多次且不同方向的空間拉伸，同時按照設計圖紙要求構(gòu)造擴挖補強段模型，然后配合多種多次的布爾運算來實現(xiàn)。

圖4　印尼ASAHAN NO1導流洞的封堵和引水洞的襯砌段

2.2用測量數(shù)據(jù)對復雜地形地貌的建模

2.2.1測量數(shù)據(jù)的展點

測量數(shù)據(jù)來源于各種測量儀器，現(xiàn)代測量儀器以“全站儀”為主，所測數(shù)據(jù)一般為坐標(X,Y,Z)的記事本文件，該數(shù)據(jù)可直接通過CAD軟件或南方測繪(CASS)轉(zhuǎn)換成測區(qū)的地形圖，如，印尼ASAHAN NO1廠區(qū)開挖地形圖(圖5)測點展點后的平面圖，據(jù)此，可以觀察測區(qū)的地形地貌狀況。

圖5　印尼ASAHAN NO1廠區(qū)開挖地形圖

2.2.2拉伸成實體

展點成圖后，地形圖和所有的測點坐標均可見，通過封閉的等高線可以生成地形地貌實體(等高線需作進一步處理，可選擇使用)。另一種更簡單有效的方法是關閉等高線等圖層，打開三角網(wǎng)圖層(三角網(wǎng)亦是地表形狀的描述，其描述精度與等高線一樣，取決于測點的密度)，同時選中所有三角網(wǎng)，沿豎直方向向下“拉伸”成柱體，然后選取“布爾運算合并”所有拉伸的柱體后，測區(qū)地貌實體模型即已完成(圖5)。

2.2.3 繪制生成設計邊坡

根據(jù)設計圖紙在實體圖中確定設計邊坡的位置，坡比，坡面方向等參數(shù)，再順著設計坡比，高程，馬道寬度，坡面方向等參數(shù)“剖切”已生成的原始地形地貌，將其切分成兩部分，一部分為保留的未開挖部分，另一部分即為被挖除部分，其體積即為開挖工程量，成型效果如下(圖6)。

實際開挖計量中，還應涉及土石分界，超、欠挖工程量的情況，其處理原則同上，主要通過布爾運算的“差集”“交集”“并集”等命令可實現(xiàn)土石工程量的分解，完成超、欠挖工程量的模型，如廠房基坑實際超挖工程量模型(圖7)。

3　需要AutoCAD建模解決的主要問題

3.1解決不規(guī)則形狀幾何體的精確計量

水利水電項目中，有許多復雜結(jié)構(gòu)物無法通過初等數(shù)學的計算方法得到精確解，如：大部分泄

圖6　印尼ASAHAN NO1廠區(qū)開挖后效果圖

圖7　印尼ASAHAN NO1廠區(qū)開挖后實際效果及超挖量

洪洞進口的水平斷面、縱剖面均為橢圓曲線，有圓錐曲線，理論上必須用高等數(shù)學的方法才能精確求解混凝土的體積，其計算過程及其繁復，且容易發(fā)生錯誤，在過程計量中幾乎無人使用，然，采用AtuoCAD建模的方式來解決過程計量，計算工程總量，則使問題變得輕松自如，手到擒來；不僅能達到精準的要求，而且有直觀的形象。

3.2處理大量的測量數(shù)據(jù)，解決土石方精確計量問題

傳統(tǒng)的土石方計量均采用斷面平均法，這是一種近似計算法，它對外業(yè)的測量，和內(nèi)業(yè)的數(shù)據(jù)處理均有較高的要求，工作繁復，耗時很長，容易產(chǎn)生錯誤，而且，正常的計算結(jié)果跟精確結(jié)果之間有較大的誤差，有些誤差可能超過10%。

現(xiàn)有使用較廣泛的南方測繪軟件(CASS)亦能快速的展點，并計算開挖工程量，然而，它能計算實際開挖的土石方量，而對設計斷面較復雜的開挖量，卻不易得到準確的得到設計工程量和實際超欠挖工程量，而且結(jié)果只展示斷面，沒有全局，不夠直觀。AutoCAD恰好能解決這些缺點，不僅快速，而且精準、直觀。如印尼ASAHAN NO1項目廠區(qū)地面以上，邊坡分多級邊坡，坡面方向亦多次改變，廠房地面以下基坑的設計尺寸復雜，坡面更加復雜多變(圖8)。

圖8　ASAHAN NO1廠區(qū)地面上下的開挖體型實體圖

4　AutoCAD計量的優(yōu)缺點比較

將目前仍在使用的測量手段及處理方法進行一個簡單對比(表1)后，認為用CAD建模計量存在的主要優(yōu)點是，方便、快速、直觀，精準、使用范圍更廣泛，但，復雜的結(jié)構(gòu)在建模時需要全面識圖，熟悉CAD的建模技術，存在一定的難度，故其推廣和使用也受到一些局限。

5　結(jié)　語

表1　常用的計量測量方法與CAD模型法的比較表

圖9　固滴水電站廠區(qū)樞紐布置圖

Auto CAD作為一套強大的輔助設計軟件，不僅擁有強大的平面設計及制圖能力，而且其精確的三維建模功能亦受到越來越多用戶的歡迎。目前，三維建模功能亦越來越強大，模型不僅能直觀真實地再現(xiàn)場景，其坐標和高程均可采用大地坐標，給人以身臨其境的感覺；正因為此，AutoCAD在工程計量方面也有著其獨到的特點和精準度。AutoCAD建模的技能不僅在工程計量中有著獨到的優(yōu)勢；且在工程管理中，包括復雜方案的設計，技術交底，特殊效果的演示等方面均得到較廣泛的使用，如通過對四川涼山水洛河固滴水電站廠區(qū)結(jié)構(gòu)物模型(圖9)的展示，大部分非專業(yè)人員亦能輕松讀懂項目，更能從圖中直接查看所需要的各種參數(shù)。

(責任編輯：卓政昌)

2016-07-06

N945.12； F407.9；TB9；C93

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1001-2184(2016)04-0141-05

李敏(1973-)，男，四川蒼溪人，高級工程師，從事水電站建設管理工作.