AutoCAD三維立體建模技術(shù)在隧洞工程中的應(yīng)用

1、Aut oCAD 三維 立體建模技 術(shù)在隧洞 工程中的應(yīng) 用豆云霞徐超摘要 復(fù)雜建筑物施工測(cè)量外業(yè)工作計(jì)算復(fù)雜、易出錯(cuò)；內(nèi)業(yè)工程量計(jì)算繁瑣，利用CAD三維立體建模配合全站儀進(jìn)行施工放樣， 可以簡(jiǎn)化外業(yè)繁雜的計(jì)算工作、 提高施測(cè)效率、 保證施測(cè)精度。本課題根據(jù)已完成測(cè)量工作的外業(yè)數(shù)據(jù)與立體模型比對(duì)，可以直觀的反 應(yīng)施測(cè)過程中的錯(cuò)誤，及時(shí)調(diào)整和優(yōu)化施測(cè)方案，對(duì)測(cè)量誤差控制有很好的預(yù)見性。關(guān)鍵詞 三維立體建模隧洞工程應(yīng)用1 引言本文以某導(dǎo)流洞工程為例， 利用CADE維立體建模再剖切斷面的方式，對(duì)導(dǎo)流洞掌子面設(shè)計(jì)開挖斷面放線，以此減少測(cè)量外業(yè)的計(jì)算步驟，簡(jiǎn)化計(jì)算，提高效率，杜 絕測(cè)量工作中不必要的人為

2、錯(cuò)誤，提高施測(cè)精度。利用三維立體建模的整體性可以很好的編制工程施工測(cè)量方案，并且根據(jù)施測(cè)過程中的數(shù)據(jù)和三維實(shí)體結(jié)合，及時(shí)整改能夠精和優(yōu)化施測(cè)方法，及時(shí)發(fā)現(xiàn)施測(cè)過程中的錯(cuò)誤，減小導(dǎo)流洞貫通測(cè)量誤差。洞身開挖 過程中根據(jù)外業(yè)采集數(shù)據(jù)與三維實(shí)體結(jié)合可以直觀看出導(dǎo)流洞的超欠挖情況， 確快速計(jì)算不規(guī)則斷面的超欠挖工程量。2 工程概況全 進(jìn)口底本工程泄洪洞由導(dǎo)流洞改造后形成， 導(dǎo)流洞與泄洪洞布置于同一個(gè)縱剖面上， 長(zhǎng)815m坡比2%其中非利用段長(zhǎng) 146m斷面尺寸為12X 12.5m （寬X高）。板高程238.8m ,進(jìn)口前入口處預(yù)留高程 247.0m的巖?。怀隹诘装甯叱?224.5m ,出口 設(shè)有挑流鼻

3、坎。洞身二次支護(hù)采用鋼筋混凝土襯砌，根據(jù)圍巖情況，襯砌厚度0.51.5m。其中測(cè)量施工放樣的難點(diǎn)在于進(jìn)口漸變段和出口挑流鼻坎段。3 技術(shù)研究背景隨著計(jì)算機(jī)軟件和硬件技術(shù)的發(fā)展， 以及數(shù)學(xué)方法的引入， 計(jì)算機(jī)三維技術(shù)得到 了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，包括機(jī)械、建筑、電子、土木、航空航天等工程領(lǐng)域， CAD三維建模技術(shù)已在生產(chǎn)實(shí)際中發(fā)揮了巨大的作用。隨著測(cè)量設(shè)備的不斷發(fā)展，全 站儀三維測(cè)量放樣已被廣泛應(yīng)用，同時(shí)隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的普及，AutoCAD軟件制作的三維立體圖在建筑工程行業(yè)也得到逐步應(yīng)用，但通常只應(yīng)用在施工組織及效果圖上。目前CAC三維立體建模技術(shù)主要應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)方面，水利水電工程 CAD三

4、維立體建模技術(shù)的應(yīng)用相對(duì)落后于其他行業(yè)如電力、 石化， 其原因主要在于工程設(shè)計(jì)中的 多變性和復(fù)雜性，電力、石化行業(yè)的三維設(shè)計(jì)主要運(yùn)用于工廠化設(shè)計(jì)，解決空間管道的布置以及多個(gè)專業(yè)空間布置設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)問題。工廠設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化，使得CAC三維立體技術(shù)的應(yīng)用便于推廣，同時(shí)讓這些行業(yè)設(shè)計(jì)效率大幅度提高。在水利水電工程中涉及到大量開挖工程量的計(jì)算， 傳統(tǒng)的做法是： 對(duì)于帶狀的開 挖，采用剖面法，對(duì)于封閉區(qū)域的開挖采用網(wǎng)格法進(jìn)行計(jì)算。在國(guó)外，很多采用構(gòu)造 三維模型，采用 CADE維立體建模技術(shù)進(jìn)行開挖計(jì)算。4 技術(shù)原理及方法AutoCAD繪制的圖形通常為二維圖形，為了掌握二維圖形，測(cè)量員在面對(duì)某些特 殊構(gòu)筑物時(shí)要

5、求有較高的空間立體思維， 計(jì)算公式多且比較復(fù)雜； 而運(yùn)用三維立體圖 則比較直觀地掌握施工圖紙。因此，在導(dǎo)流洞工程中，對(duì)于洞身結(jié)構(gòu)、進(jìn)口漸變段、 出口挑流鼻坎等型體特殊的構(gòu)筑物，在施工測(cè)量中，運(yùn)用三維立體圖形技術(shù)，解決了 施工測(cè)量放樣中計(jì)算復(fù)雜及工程量計(jì)算誤差大等問題。不僅提高了效率、 保證了施測(cè)精度，而且節(jié)約了成本、為我們測(cè)量人員減少了不必要的麻煩。在工程施工中， 測(cè)量外業(yè)經(jīng)常遇到諸如坐標(biāo)換算、 放樣點(diǎn)坐標(biāo)空間位置的推算等 繁雜過程， 特別是對(duì)不規(guī)則、 曲線形狀、 工作量大而二維圖形難以準(zhǔn)確表達(dá)的工作面， 可以通過三維立體模型快速解決問題。利用use命令，通過命名(uesman)把WG坐標(biāo)系改

6、為獨(dú)立的施工坐標(biāo)系，然后再次USC旨定新原點(diǎn)，繞著 z軸旋轉(zhuǎn)a (a為世界系統(tǒng)與施工系統(tǒng)間的角度換算常數(shù))，將其命名為另一坐標(biāo)系即得不同坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換，運(yùn)用時(shí)只需把該坐標(biāo)系置為當(dāng)前。 改變坐標(biāo)系的位置和方向，從而改變圖形基點(diǎn)的布局，實(shí)現(xiàn)了與生產(chǎn)相一致，也便于 實(shí)現(xiàn)圖形的平、剖面圖、渲染效果圖及三維立體圖的操作與運(yùn)用。一般立體模型可看成由若干個(gè)幾何形體經(jīng)過堆積和裁剪組合而成的形體。封閉的二維圖形， 沿著某一路徑拉伸 (extrude) 或旋轉(zhuǎn) (revolve) 得到基本的三維形體， 三維形體 經(jīng)過并(Union)、差(Subtract)、交(Intersect) 的布爾運(yùn)算形式得到所求的三維形

7、體。在導(dǎo)流洞工程中，對(duì)規(guī)則有序的放樣，如洞身等，三維動(dòng)態(tài)觀察器(3dorbit) 任意旋轉(zhuǎn)察看三維實(shí)體，運(yùn)用命令(Shademode)就可查看三維實(shí)體的著色面或內(nèi)部三維線框，然后 (id) 進(jìn)行查詢，可以輕松得到放樣點(diǎn)的三維坐標(biāo)。對(duì)于進(jìn)口漸變段、出口 挑流鼻坎等混凝土建筑物，只要有一定的變化規(guī)律，假定X 樁號(hào)一定，需要用測(cè)量的y樁號(hào)推求對(duì)應(yīng)的高程 H,則可以利用現(xiàn)有的三維立體圖，運(yùn)用(Slice)命令，沿著垂直于X軸與y軸構(gòu)成的平面并且包含有測(cè)量點(diǎn)y樁號(hào)的任意不在同一直線上的三點(diǎn)進(jìn)行剪切，利用(ld)則可查詢其對(duì)應(yīng)的 H高程，解決施工放樣中難以計(jì)算的構(gòu)筑物的坐 標(biāo)及高程。在測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)工程量計(jì)算中

8、， 對(duì)于比如進(jìn)口漸變段、 出口挑流鼻坎等復(fù)雜型體的開 挖量和混凝土澆筑量計(jì)算時(shí)，利用三維立體建模技術(shù)可以方便、快捷、準(zhǔn)確的計(jì)算。CAD中在繪制三維立體模型完成后，要計(jì)算某實(shí)體模型的體積，首先選中實(shí)體，利用(MASS PROF命令可以方便求得復(fù)雜型體的體積。5三維立體建模技術(shù)在隧洞工程中應(yīng)用的目的和意義復(fù)雜建筑物施工測(cè)量外業(yè)工作計(jì)算復(fù)雜、易出錯(cuò)，內(nèi)業(yè)工程量計(jì)算繁瑣，利用 CAD三維立體建模配合全站儀進(jìn)行施工放樣可以簡(jiǎn)化外業(yè)繁雜的計(jì)算、提高施測(cè)效率、保證施測(cè)精度，根據(jù)已完成測(cè)量工作的外業(yè)數(shù)據(jù)與立體模型比對(duì)，可以直觀的反應(yīng)出施測(cè)過程中的錯(cuò)誤，及時(shí)調(diào)整和優(yōu)化施測(cè)方案，對(duì)測(cè)量誤差有很好的預(yù)見性。本工程為

9、隧洞工程，利用 CAD三維立體建模再剖切斷面的方式對(duì)導(dǎo)流洞掌子面設(shè) 計(jì)開挖斷面放線，以此減少測(cè)量外業(yè)的計(jì)算步驟，簡(jiǎn)化計(jì)算，提高效率，杜絕測(cè)量工 作中不必要的人為錯(cuò)誤，提高施測(cè)精度。利用三維立體建模的整體性可以很好的編制 工程的施工測(cè)量方案，并且根據(jù)施測(cè)過程中的數(shù)據(jù)和三維實(shí)體結(jié)合，及時(shí)的整改和優(yōu) 化施測(cè)方法，及時(shí)發(fā)現(xiàn)施測(cè)過程中的錯(cuò)誤，減小導(dǎo)流洞貫通測(cè)量誤差。洞身開挖過程中根據(jù)外業(yè)采集數(shù)據(jù)與三維實(shí)體結(jié)合可以直觀看出導(dǎo)流洞的超欠挖情況，能夠精確快 速計(jì)算不規(guī)則斷面的超欠挖工程量。6三維立體建模測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用6.1利用三維立體建模技術(shù)輔助施工測(cè)量流程圖與傳統(tǒng)施工測(cè)量工藝流程對(duì)比2。傳統(tǒng)測(cè)量流程圖見圖1

10、，利用三維立體建模技術(shù)輔助施工測(cè)量流程圖見圖熟悉施工圖繪制二維圖 編制計(jì)算器程序準(zhǔn)備各種放樣數(shù)據(jù)及圖紙 現(xiàn)場(chǎng)全站儀測(cè)得三維坐標(biāo) 利用計(jì)算器計(jì)算放樣參數(shù) 與圖紙和和放樣數(shù)據(jù)比對(duì)1完成放樣圖1傳統(tǒng)測(cè)量流程圖圖2利用三維立體建模技術(shù)輔助施工測(cè)量流程圖從流程圖對(duì)比可以看出，采用三維立體建模技術(shù)輔助施工測(cè)量比傳統(tǒng)施工測(cè)量工 藝可以簡(jiǎn)化三道工序，且測(cè)量時(shí)，可直接點(diǎn)取放樣點(diǎn)座標(biāo)。相比傳統(tǒng)工藝，減少了二 次數(shù)據(jù)計(jì)算和比對(duì)的時(shí)間，現(xiàn)場(chǎng)簡(jiǎn)化了圖紙資料的采集與整理工作，大大簡(jiǎn)化了現(xiàn)場(chǎng)工作量，提高了工作效率。1。6.2施工放樣時(shí)間比較 利用三維立體建模技術(shù)輔助施工測(cè)量與傳統(tǒng)施工測(cè)量放樣時(shí)間比較見表表1利用三維建模技術(shù)

11、輔助施工測(cè)量與傳統(tǒng)施工測(cè)量技術(shù)需用時(shí)間對(duì)比表利用立體三維建模技術(shù)輔助施工測(cè)量傳統(tǒng)施工測(cè)量技術(shù)步驟耗費(fèi)時(shí)間（min）步驟耗費(fèi)時(shí)間（min）熟悉施工圖60熟悉施工圖60繪制三維立體模型繪制二維圖點(diǎn)取放樣點(diǎn)坐標(biāo)2編制計(jì)算器程序及調(diào)試程序70現(xiàn)場(chǎng)利用全站儀極坐 標(biāo)法放樣18（每個(gè)點(diǎn)3分鐘）準(zhǔn)備各種放樣數(shù)據(jù)及圖紙15現(xiàn)場(chǎng)全站儀測(cè)得三維坐標(biāo)6利用計(jì)算器計(jì)算放樣參數(shù)18 （每個(gè)點(diǎn)3分鐘）與圖紙和放樣數(shù)據(jù)比對(duì)18 （每個(gè)點(diǎn)3分鐘）合計(jì)80187備注：表1為進(jìn)口漸變段0+015斷面開挖放樣（輪廓點(diǎn) 6個(gè)）進(jìn)行的數(shù)理統(tǒng)計(jì)。由表1可知，利用三維立體建模技術(shù)輔助施工測(cè)量可節(jié)約時(shí)間60%左右，直接提高了測(cè)量人員的工作效

12、率，為后續(xù)施工節(jié)約了時(shí)間，為工程減少測(cè)量人員投入和為加 快施工進(jìn)度創(chuàng)造了有利條件。在導(dǎo)流洞開挖施工中，每一個(gè)工作循環(huán)，包括測(cè)量放線、鉆孔、爆破、出渣等需 要約12小時(shí)，其中每個(gè)工作循環(huán)測(cè)量放線環(huán)節(jié)需要耗時(shí)1小時(shí)20分鐘，利用三維立體建模技術(shù)輔助施工測(cè)量每個(gè)工作循環(huán)可節(jié)約時(shí)間48分鐘，每月按30天（60個(gè)工作循環(huán)）計(jì)算，故每月可在原有基礎(chǔ)上增加兩個(gè)工作循環(huán)。本項(xiàng)目施工高峰期，每月 產(chǎn)值750萬元，每12小時(shí)產(chǎn)值為750十60=12.5萬元，利用三維立體建模技術(shù)輔助施 工測(cè)量每月可以為項(xiàng)目增加產(chǎn)值12.5 X 2=25萬元。6.3簡(jiǎn)化計(jì)算程序、減少人為錯(cuò)誤的優(yōu)勢(shì)從傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)流程圖可知，傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)步驟較多，耗時(shí)較長(zhǎng)，施測(cè)過程中最 容易出現(xiàn)錯(cuò)誤的地方有計(jì)算器程序編制錯(cuò)誤和現(xiàn)場(chǎng)利用計(jì)算器計(jì)算放樣參數(shù)錯(cuò)誤；而利用三維立體建模技術(shù)輔助施工測(cè)量時(shí)，省去了其中繁雜的計(jì)算過程，只要三維立體模型繪制標(biāo)準(zhǔn)，就可對(duì)復(fù)雜型體的建筑物進(jìn)行快速放樣，