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；優缺點比較

1　概　述

傳統的工程計量在水利水電工程中大多采用近似計算的方法，如傳統的土石方測量采用斷面平均法；現在已經發展為采用專業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、不規則體型結構的計算，其斷面中的設計線則難以確定，這樣也就難以保證計算結果的正確性，如利用簡化計算求解不規則喇叭口結構混凝土工程量，計算結果繁復，也不直觀，且計算結果與真實值偏差較大。

AutoCAD建模技術已經在工程管理中發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、尾水管等結構混凝土工程計量；更值得一提的是利用AutoCAD建模的方式來處理大規模的測量數據，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量等參數，而我們在工程計量中，大多是需要查詢體積參數的，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構的實體建模和用大量測量數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，所有的復雜結構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復雜結構的建模技巧

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，但對結構物來說，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構物的建模問題。

紫平鋪的2號導流洞進水塔及漸變段結構模型，如圖1，進口水平向和豎直向均為不同參數的橢圓曲線；漸變段則由城門洞型漸變為馬蹄形斷面，主要通過拉伸、剖切、布爾運算來實現。

紫平鋪工程右岸為高邊坡(圖2)，除了右岸全部的結構物外，最終的地形地貌根據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。

印尼ASAHAN NO1電站蝸殼、尾水管結構(圖3)，蝸殼軸線在水平面上轉彎，為非圓形軌跡，同時，蝸殼直徑不斷減小；而尾水管的斷面自上而下，斷面由圓形漸變為圓臺，繼續變寬同時變窄，最后變為豎直的大方孔，軌跡由豎直變為水平，最后斜向上行。該結構為水利水電中復雜結構的代表，最快捷的實體建模方法是采用空間“放樣”的命令來實現。

圖1　紫平鋪工程2#導流洞進水塔結構模型

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、尾水管結構模型

印尼ASAHAN NO1導流洞的封堵和引水隧洞的開挖襯砌段結構(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造擴挖補強段模型，然后配合多種多次的布爾運算來實現。

圖4　印尼ASAHAN NO1導流洞的封堵和引水洞的襯砌段

2.2用測量數據對復雜地形地貌的建模

2.2.1測量數據的展點

測量數據來源于各種測量儀器，現代測量儀器以“全站儀”為主，所測數據一般為坐標(X,Y,Z)的記事本文件，該數據可直接通過CAD軟件或南方測繪(CASS)轉換成測區的地形圖，如，印尼ASAHAN NO1廠區開挖地形圖(圖5)測點展點后的平面圖，據此，可以觀察測區的地形地貌狀況。

圖5　印尼ASAHAN NO1廠區開挖地形圖

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，打開三角網圖層(三角網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，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，再順著設計坡比，高程，馬道寬度，坡面方向等參數“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解決不規則形狀幾何體的精確計量

水利水電項目中，有許多復雜結構物無法通過初等數學的計算方法得到精確解，如：大部分泄

圖6　印尼ASAHAN NO1廠區開挖后效果圖

圖7　印尼ASAHAN NO1廠區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處理大量的測量數據，解決土石方精確計量問題

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

現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廠區地面上下的開挖體型實體圖

4　AutoCAD計量的優缺點比較

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點是，方便、快速、直觀，精準、使用范圍更廣泛，但，復雜的結構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　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結構物模型(圖9)的展示，大部分非專業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。

(責任編輯：卓政昌)

2016-07-06

N945.12； F407.9；TB9；C93

B

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.