王利超+++呂學(xué)軍++王福增

摘 要： 本文以某核電站核島負(fù)挖工程為例，運(yùn)用CASS和AutoCAD軟件相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)了二維設(shè)計圖紙與實(shí)測離散高程點(diǎn)數(shù)據(jù)基于實(shí)體建模和布爾運(yùn)算的三維可視化土方量計算方法。以及如何運(yùn)用該方法控制負(fù)挖精度、指導(dǎo)工程施工和減少超挖方量，最后，分別利用CASS軟件中DTM法兩期土方量計算功能和三維可視化土石方計算方法，對竣工實(shí)際開挖方量的計算精度進(jìn)行了比較，驗(yàn)證了三維可視化土石方量計算方法的可行性。

關(guān)鍵詞：三維可視化；實(shí)體建模；土石方計算

中圖分類號：TD235 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

目前土石方方量計算的方法有很多種，主要是通過基于AutoCAD平臺的土石方工程量計算軟件進(jìn)行。常用的方法有斷面法、方格網(wǎng)法、等高線法、DTM法等。在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，不同土石方計算方法精度不同，適用范圍也不一樣。其中DTM模型法適用于所有的地形條件， 計算精確度相對較高，在生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用。但該方法缺乏直觀性，無法滿足復(fù)雜情況下大規(guī)模土石方工程的計算需要。

核島負(fù)挖項(xiàng)目具有工期長、規(guī)模大、情況復(fù)雜、負(fù)挖高程要求精度較高等特點(diǎn)。原則上設(shè)計允許值之外的超挖部分不予計費(fèi)，超挖越多，后期使用的替代混凝土越多，直接影響項(xiàng)目成本。所以如何準(zhǔn)確、形象直觀的計算土石方開挖方量、控制超挖方量就顯得尤為重要。利用CASS軟件中的DTM建模和AutoCAD軟件中的實(shí)體建模、實(shí)體編輯、布爾運(yùn)算、實(shí)體查詢功能相結(jié)合的方式能夠?qū)崿F(xiàn)以三維可視化的方法進(jìn)行以上計算。以下就以某核電站4號核島負(fù)挖為例，對三維可視化土石方計算方法的應(yīng)用進(jìn)行探討。

1.三維可視化的實(shí)現(xiàn)

實(shí)體建模技術(shù)是實(shí)現(xiàn)土石方計算三維可視化的核心，實(shí)體建模完成后，再利用AutoCAD軟件中布爾運(yùn)算和實(shí)體查詢功能，就能夠輕松實(shí)現(xiàn)土方量的計算。

1.1實(shí)體建模的定義及方法

在計算機(jī)中構(gòu)造物體模型的過程稱為建模，其中，建立實(shí)體模型的過程稱為實(shí)體建模。實(shí)體模型能夠完整地反映物體的所有形狀信息，能方便地計算實(shí)體的各種物理屬性，是目前運(yùn)用最廣泛的模型。AutoCAD軟件中實(shí)體建模的基本方法有組合法、掃描法和實(shí)體編輯法3種。在實(shí)體建模中，將上述三類方法進(jìn)行組合使用，以創(chuàng)建復(fù)雜的實(shí)體模型。

1.2利用實(shí)體建模技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維可視化

核島負(fù)挖項(xiàng)目中涉及根據(jù)設(shè)計圖紙以及利用采集的離散高程點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)體建模兩種情況。項(xiàng)目的基坑設(shè)計圖紙為平面二維圖紙，要建立負(fù)挖三維模型，首先應(yīng)將坡頂、坡底的相對標(biāo)高或坡度比等信息進(jìn)行轉(zhuǎn)化，計算出各平臺、交點(diǎn)、拐點(diǎn)在廠區(qū)施工坐標(biāo)系下的標(biāo)高H。其次，建立該工程的三維坐標(biāo)系，即以廠區(qū)坐標(biāo)系中的A、B、H分別表示三維坐標(biāo)系中的X、Y、Z軸。最后，利用AutoCAD軟件中的實(shí)體建模和實(shí)體編輯功能將設(shè)計的二維圖紙轉(zhuǎn)化為三維圖紙，實(shí)現(xiàn)負(fù)挖建模，如圖1所示。

在土石方工程開始前，首先應(yīng)使用儀器采集場地的離散高程點(diǎn)數(shù)據(jù)用以建立原始地貌的三維模型。數(shù)據(jù)采集完畢后在CASS軟件下使用“建立DTM”功能對采集的離散高程點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，并通過人工干預(yù)的方式手動完善三角網(wǎng)，最后將建立的DTM轉(zhuǎn)到AutoCAD軟件中經(jīng)過“繪圖-實(shí)體-拉伸”以及“修改-實(shí)體編輯-并集”功能完成原始地貌三維模型的建立。建立的3、4號核島原始地貌DTM及三維模型如圖2所示。

2.三維可視化土石方計算的應(yīng)用實(shí)例

竣工總開挖方量的計算是兩期間開挖方量計算的一種特例情況，三維可視化方法在施工期內(nèi)兩期間開挖方量計算應(yīng)用的部分，將使用竣工總開挖方量計算進(jìn)行說明。計算竣工總開挖方量時，只需建立竣工三維模型，然后利用該三維模型和原始地貌三維模型進(jìn)行實(shí)體編輯。獲得竣工總開挖方量三維模型，并通過實(shí)體查詢功能，查詢其方量。4號核島負(fù)挖工作完成后，使用儀器采集了開挖場地的離散高程點(diǎn)數(shù)據(jù)，并利用該數(shù)據(jù)建立了4號核島負(fù)挖竣工三維模型，如圖3所示。

2.1計算4號核島負(fù)挖竣工實(shí)際開挖方量

計算時首先應(yīng)以竣工實(shí)測離散高程數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立向上拉伸的、頂標(biāo)高大于原始地貌最高點(diǎn)高程的負(fù)挖竣工三維模型。然后將該模型和原始地貌三維模型（如圖2所示）放置到設(shè)計坐標(biāo)系中，求取兩個三維模型的交集。新產(chǎn)生的三維模型即為4號核島負(fù)挖竣工實(shí)際開挖方量三維模型。通過實(shí)體查詢功能，查詢其方量為212037方。計算過程如圖4所示。

2.2計算4號核島負(fù)挖竣工有效開挖方量

有效開挖方量即為在設(shè)計開挖范圍內(nèi)的實(shí)際開挖方量，斷面法、方格網(wǎng)法、等高線法、DTM模型法等常規(guī)計算方法用于計算有效開挖方量時步驟非常煩瑣。但使用三維模型方法可以輕松進(jìn)行該方量的計算。求取已建立的4號核島負(fù)挖竣工三維模型和原始地貌下4號核島設(shè)計總開挖方量三維模型的交集，新產(chǎn)生的三維模型即為4號核島負(fù)挖竣工有效開挖方量三維模型。有效開挖方量在實(shí)際開挖方量中所占的比例大小將直接影響施工單位的項(xiàng)目利潤率，并且對施工單位開挖工藝、施工管理水平的自我評價及改善具有積極的意義。

3.利用三維可視化方法控制工程的開挖精度

核島負(fù)挖項(xiàng)目對開挖精度有較高的要求，三維可視化方法可以形象直觀地展現(xiàn)工程進(jìn)展情況，對于指導(dǎo)工程進(jìn)展、控制開挖精度、控制超挖方量具有很好的指導(dǎo)作用。

首先建立4號核島負(fù)挖竣工未開挖方量三維模型，即計算原始地貌下設(shè)計總開挖方量三維模型和負(fù)挖竣工三維模型的差集。新建立的三維模型即為4號核島負(fù)挖竣工未開挖方量三維模型。在AutoCAD軟件中支持對三維模型的三維動態(tài)觀察，用戶可以根據(jù)自己的需要，任意調(diào)整視角，利用三維動態(tài)觀察器調(diào)整視角的效果如圖5所示。利用已建立完成的4號核島理論場平標(biāo)高下負(fù)挖三維模型和負(fù)挖竣工未開挖方量三維模型，結(jié)合AutoCAD軟件中的三維動態(tài)觀察器、查詢功能，可以計算任意開挖部位距設(shè)計開挖標(biāo)高的差值。利用該方法可以形象直觀的指導(dǎo)生產(chǎn)，控制開挖精度和減少超挖方量。

4.三維可視化方法與DTM法計算開挖方量精度對比分析

在CASS環(huán)境下，使用4號核島負(fù)挖竣工采集的離散點(diǎn)數(shù)據(jù)建立的DTM和3、4號核島原始地貌DTM進(jìn)行兩期間土方量計算，經(jīng)計算開挖土方量為212037方。在本文2.1中使用三維可視化方法進(jìn)行4號核島負(fù)挖竣工實(shí)際開挖方量計算的結(jié)果同樣為212037方，兩者計算結(jié)果一致。經(jīng)分析認(rèn)為，兩者的建模原理一致是產(chǎn)生該現(xiàn)象的根本原因。同時也說明使用三維可視化方法計算的結(jié)果精度可靠。

結(jié)論

本文利用CASS軟件中的DTM建模和AutoCAD軟件中的實(shí)體建模、實(shí)體編輯功能、布爾運(yùn)算相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜情況下土石方計算的三維可視化方法，經(jīng)驗(yàn)證該計算方法精度可靠，并且該方法操作簡便、形象直觀。利用該方法可以形象直觀的指導(dǎo)生產(chǎn)，控制開挖精度和減少超挖方量。

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