基于GEOPAK Site的三維開挖輔助設計

何 強

（湖南省水利水電勘測設計研究總院 長沙市 410007）

1 概 述

開挖圖的設計一般是在二維CAD平臺上進行，借助類似ZDM插件來完成的，對于建筑物結構和所處場地較為簡單的工程，這種方法能夠給出良好的設計成果。但是，對于建筑物結構和所處場地均復雜的水電工程而言，該法難以取得令人滿意的效果；同時在設計過程中，需要設計者具有較強的三維空間想象能力，加重了設計者的負擔，使得開挖圖的繪制耗時耗力。

GEOPAK Site是一種適用于工程基礎項目設計的有力而完善的工具，如設計各類建筑場地、水壩、料場、停車場、棄渣場的相關場地設施、工廠的場地、排水系統等。其優秀的內部算法和對計算機運算能力的充分應用，有效地減輕了復雜場地開挖圖設計的負擔。

本文借助GEOPAK Site強大的三維場地運算分析能力，對毛俊水庫工程進行三維開挖輔助設計，整個設計過程相對于傳統設計方法較為輕松和準確，取得了較好的設計成果。限于篇幅，本文以毛俊水庫工程中開挖難度最大的首部樞紐為例，介紹GEOPAK Site輔助設計開挖過程。

2 工程簡介

毛俊水庫工程壩址位于湖南省永州市藍山縣湘江二級支流、舂陵水一級支流俊水中下游，是一座以灌溉為主，結合供水、兼顧發電等綜合利用效益的大二型水庫。

2.1 樞紐建筑物

本工程建筑物包括攔河大壩、水庫電站、渠首電站等。

樞紐建筑物的三維模型如圖1所示。

圖1 毛俊水庫樞紐建筑物模型

2.2 樞紐區地質

壩區內出露地層較簡單，主要為寒武系地層及泥盆系地層，主要由灰綠色淺變質石英砂巖、長石石英砂巖夾板巖、炭質板巖，暗紫紅、灰白色中厚層石英細砂巖夾（互）粉砂巖，與上游的寒武系地層呈角度不整合接觸關系。

3 GEOPAK Site輔助設計

基于GEOPAK Site的開挖輔助設計主要流程有：①三維地形建模；②開挖邊界提取；③確定開挖原則、方案；④GEOPAK Site進行開挖及優化設計；⑤成果整理出圖。

3.1 地形建模、邊界提取

GEOPAK Site提供了多種數據接口，既可根據文本地形點信息生成三維地形圖，也可通過平面CAD地形及數字標高圖生成三維地形。

毛俊水庫工程根據測繪專業提供的平面CAD地形圖提取GEOPAK Site所需的三維地形信息，生成記錄地形空間幾何信息的dat文件。特別需要注意的是，在地形提取之前的單位設置問題，通過反復實踐CAD到GEOPAK Site的數據轉換過程，筆者有以下經驗可供參考：

（1）原始的dwg格式文件，不存在單位設置，而只默認了10000像素/單位的設定，而GEOPAK則有單位的設置，因此，在提取之前，應將CAD中的圖形單位設置成“米”，再新建一個10000像素/米的GEOPAK種子文件與其對應，最后進行提取工作。

（2）對于國外工程較多以英寸為單位，此時在CAD中圖形單位要設置成“英寸”，GEOPAK Site中的種子文件保持對應。

（3）若使用其他手段獲取地形數據，則應事先了解清楚其記錄數據所使用的單位精度，避免出現不一致的情況。

通過以上設置，即可保證地形信息在轉換時準確無誤。得到毛俊水庫整個工程區域的三維地形圖，如圖2所示。

地形提取完畢后，根據建筑物的布置情況，在地形圖中確定開挖邊界。為了便于在后續的開挖過程中，直觀地觀察開挖情況，建議開挖邊界按實際開挖高程繪制。

3.2 進行開挖及優化設計

根據工程區域的地質條件，壩址區兩岸山坡坡腳和河床中均有基巖零星出露，地質條件較好，開挖坡比多選擇1∶0.5。開挖成果見圖3。

圖2 原始三維地形圖

圖3 三維開挖成果圖

大壩左岸邊坡原設計開挖方案為從各壩段底部高程起，采用1∶0.5的坡比放至地面，每10 m設一級馬道，馬道寬度按2 m設計。因二維表達方式的局限性，原CAD中繪制出的開挖圖與實際情況相去甚遠。

在使用了GEOPAK Site進行設計之后，形成的三維開挖圖如圖4所示，因為是三維模型，設計人員可以非常直觀的進行工作，可以在保證馬道設計寬度的前提，繪制出完全擬合原始地形的開挖線。

在開挖設計過程中，使用Volumes工具條對開挖工程量進行了實時監控，如圖5所示，因為是基于三維模型進行的開挖設計，統計出來的數據是基于三維空間點位形成的網格體進行的運算，準確度相較于網格面劃分法要精確許多。

圖5 自動統計挖填方量

可以根據設計需要進行開挖方量的分層統計，對于優化設計參數以及為施工專業提交開挖方案提供了參考依據。

開挖方案初步確定之后，通過DrainageTools工具條，對開挖區域進行了排水分析，如圖6所示，為開挖區域截水溝布置提供依據。

圖6 開挖區排水分析界面

3.3 成果整理

GEOPAK Site開挖完畢之后，需要進行成果整理：

（1）更改顯示樣式，使平面圖符合常用二維圖面顯示習慣，如圖7所示。

（2）切取所需開挖剖面圖，因為GEOPAK Site儲存了三維開挖的所有信息，所以可以在任何所需位置切出開挖剖面圖。

圖7 二維顯示模式下的開挖平面

（3）進行相應尺寸、高程標注，只需要進行一些尺寸標注和文字說明，將保存的視圖參考置圖框之中，即可出圖。

4 結語

在運用GEOPAK Site進行毛俊水庫工程開挖圖輔助設計的過程中，筆者發現該設計過程有如下幾點優點。

（1）準確、高效設計。通過軟件自身算法與計算機運算能力的結合，在保證開挖中各種邊界線、坡線準確性的同時，使得開挖設計過程更加高效。

（2）開挖自動化程度高。開挖圖的傳統繪制過程中，對于放坡邊界線往往需要人工計算，即便是借助ZDM等插件也難以放出高程漸變坡底線的坡頂線，GEOPAK Site則能夠通過需要的參數自動進行這些工作，將設計者從繁瑣的計算中解放出來。

（3）便于優化設計。通過修改放坡坡比參數能夠即時查看放坡邊界、工程量、開挖剖面情況，相較于傳統方法，更便于優化設計。

（4）成圖方便。傳統繪圖方法，往往需要設計者同時畫出開挖平面圖、開挖剖面圖，而GEOPAK Site輔助設計過程中，平面開挖圖、剖面開挖圖均可在GEOPAK Site中自動生成，僅需適當標注即可滿足設計出圖要求。

（5）施工級深度設計。設計后的模型，可以在GEOPAK Site中進行一些列的分析計算，結合施工方案進一步優化設計。