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)雜建筑物施工測量外業(yè)工作計算復(fù)雜、易出錯；內(nèi)業(yè)工程量計算繁瑣，利用CAD三維立體建模配合全站儀進(jìn)行施工放樣， 可以簡化外業(yè)繁雜的計算工作、 提高施測效率、 保證施測精度。本課題根據(jù)已完成測量工作的外業(yè)數(shù)據(jù)與立體模型比對，可以直觀的反 應(yīng)施測過程中的錯誤，及時調(diào)整和優(yōu)化施測方案，對測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，對導(dǎo)流洞掌子面設(shè)計開挖斷面放線，以此減少測量外業(yè)的計算步驟，簡化計算，提高效率，杜 絕測量工作中不必要的人為

2、錯誤，提高施測精度。利用三維立體建模的整體性可以很好的編制工程施工測量方案，并且根據(jù)施測過程中的數(shù)據(jù)和三維實體結(jié)合，及時整改能夠精和優(yōu)化施測方法，及時發(fā)現(xiàn)施測過程中的錯誤，減小導(dǎo)流洞貫通測量誤差。洞身開挖 過程中根據(jù)外業(yè)采集數(shù)據(jù)與三維實體結(jié)合可以直觀看出導(dǎo)流洞的超欠挖情況， 確快速計算不規(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縱剖面上， 長815m坡比2%其中非利用段長 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的巖埂；出口底板高程 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)實際中發(fā)揮了巨大的作用。隨著測量設(shè)備的不斷發(fā)展，全 站儀三維測量放樣已被廣泛應(yīng)用，同時隨著計算機(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)計中的 多變性和復(fù)雜性，電力、石化行業(yè)的三維設(shè)計主要運(yùn)用于工廠化設(shè)計，解決空間管道的布置以及多個專業(yè)空間布置設(shè)計協(xié)調(diào)問題。工廠設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化，使得CAC三維立體技術(shù)的應(yīng)用便于推廣，同時讓這些行業(yè)設(shè)計效率大幅度提高。在水利水電工程中涉及到大量開挖工程量的計算， 傳統(tǒng)的做法是： 對于帶狀的開 挖，采用剖面法，對于封閉區(qū)域的開挖采用網(wǎng)格法進(jìn)行計算。在國外，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，測量員在面對某些特 殊構(gòu)筑物時要

5、求有較高的空間立體思維， 計算公式多且比較復(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，在施工測量中，運(yùn)用三維立體圖形技術(shù)，解決了 施工測量放樣中計算復(fù)雜及工程量計算誤差大等問題。不僅提高了效率、 保證了施測精度，而且節(jié)約了成本、為我們測量人員減少了不必要的麻煩。在工程施工中， 測量外業(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，實現(xiàn)了與生產(chǎn)相一致，也便于 實現(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，對規(guī)則有序的放樣，如洞身等，三維動態(tài)觀察器(3dorbit) 任意旋轉(zhuǎn)察看三維實體，運(yùn)用命令(Shademode)就可查看三維實體的著色面或內(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 樁號一定，需要用測量的y樁號推求對應(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量點(diǎn)y樁號的任意不在同一直線上的三點(diǎn)進(jìn)行剪切，利用(ld)則可查詢其對應(yīng)的 H高程，解決施工放樣中難以計算的構(gòu)筑物的坐 標(biāo)及高程。在測量內(nèi)業(yè)工程量計算中

8、， 對于比如進(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算時，利用三維立體建模技術(shù)可以方便、快捷、準(zhǔn)確的計算。CAD中在繪制三維立體模型完成后，要計算某實體模型的體積，首先選中實體，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)雜建筑物施工測量外業(yè)工作計算復(fù)雜、易出錯，內(nèi)業(yè)工程量計算繁瑣，利用 CAD三維立體建模配合全站儀進(jìn)行施工放樣可以簡化外業(yè)繁雜的計算、提高施測效率、保證施測精度，根據(jù)已完成測量工作的外業(yè)數(shù)據(jù)與立體模型比對，可以直觀的反應(yīng)出施測過程中的錯誤，及時調(diào)整和優(yōu)化施測方案，對測量誤差有很好的預(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導(dǎo)流洞掌子面設(shè) 計開挖斷面放線，以此減少測量外業(yè)的計算步驟，簡化計算，提高效率，杜絕測量工 作中不必要的人為錯誤，提高施測精度。利用三維立體建模的整體性可以很好的編制 工程的施工測量方案，并且根據(jù)施測過程中的數(shù)據(jù)和三維實體結(jié)合，及時的整改和優(yōu) 化施測方法，及時發(fā)現(xiàn)施測過程中的錯誤，減小導(dǎo)流洞貫通測量誤差。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 速計算不規(guī)則斷面的超欠挖工程量。6三維立體建模測量技術(shù)的應(yīng)用6.1利用三維立體建模技術(shù)輔助施工測量流程圖與傳統(tǒng)施工測量工藝流程對比2。傳統(tǒng)測量流程圖見圖1

10、，利用三維立體建模技術(shù)輔助施工測量流程圖見圖熟悉施工圖繪制二維圖 編制計算器程序準(zhǔn)備各種放樣數(shù)據(jù)及圖紙 現(xiàn)場全站儀測得三維坐標(biāo) 利用計算器計算放樣參數(shù) 與圖紙和和放樣數(shù)據(jù)比對1完成放樣圖1傳統(tǒng)測量流程圖圖2利用三維立體建模技術(shù)輔助施工測量流程圖從流程圖對比可以看出，采用三維立體建模技術(shù)輔助施工測量比傳統(tǒng)施工測量工 藝可以簡化三道工序，且測量時，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)計算和比對的時間，現(xiàn)場簡化了圖紙資料的采集與整理工作，大大簡化了現(xiàn)場工作量，提高了工作效率。1。6.2施工放樣時間比較 利用三維立體建模技術(shù)輔助施工測量與傳統(tǒng)施工測量放樣時間比較見表表1利用三維建模技術(shù)

11、輔助施工測量與傳統(tǒng)施工測量技術(shù)需用時間對比表利用立體三維建模技術(shù)輔助施工測量傳統(tǒng)施工測量技術(shù)步驟耗費(fèi)時間（min）步驟耗費(fèi)時間（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編制計算器程序及調(diào)試程序70現(xiàn)場利用全站儀極坐 標(biāo)法放樣18（每個點(diǎn)3分鐘）準(zhǔn)備各種放樣數(shù)據(jù)及圖紙15現(xiàn)場全站儀測得三維坐標(biāo)6利用計算器計算放樣參數(shù)18 （每個點(diǎn)3分鐘）與圖紙和放樣數(shù)據(jù)比對18 （每個點(diǎn)3分鐘）合計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）進(jìn)行的數(shù)理統(tǒng)計。由表1可知，利用三維立體建模技術(shù)輔助施工測量可節(jié)約時間60%左右，直接提高了測量人員的工作效

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