基于Civil 3D與Infraworks的邊坡開挖模型的三維設計與展示

龍潛+周宜紅+張成

摘 要：目前在我國水利設計行業，采用三維設計已逐漸發展為一種趨勢。本文以如美水電站右岸壩肩溢洪道和進水口的邊坡開挖為例，著重介紹Civil 3D和Infraworks在水利工程三維設計中的應用流程。建立了地形曲面、放坡曲面和開挖后的地形曲面模型，精確繪制了開挖輪廓線并計算了開挖工程量，渲染并展示了原始地形面貌和設計開挖后的地形面貌。基于Civil 3D和Infraworks的三維設計與展示具有設計通用性強、高精度、易修改和三維可視化等優點，可以作為水利工程設計中的三維設計工具，為水利工程師在設計中提供參考。

關鍵詞：邊坡開挖 三維設計與展示 Civil 3D Infraworks

在工程設計當中，與傳統的二維設計比起來，三維設計具有直觀形象，關聯性強，易于修改和方便各專業協同設計等優點。尤其隨著近年來國家政府大力推進BIM技術的應用與發展，在工程行業采用三維設計是未來發展的必然趨勢。在水利行業，雖然已經有昆明院基于BIM理念設計的黃登水電站，但是就目前來看，三維設計在國內水利工程方面的應用還并不成熟，各大設計院仍然是以CAD二維設計與出圖為主。實現設計行業的信息化和工業化結合不僅是提升傳統設計產業的突破口，還是企業創新發展的重要技術手段。

Civil 3D和Infraworks軟件是Autodesk公司基于BIM理念推出的三維土木工程設計軟件和三維基礎設施設計軟件。Civ il 3D軟件本身具有強大的3D模型創建功能，當設計要素發生變化時，3D模型自動進行變化，極大降低設計者重復的工作量，解放設計者的思維，使設計者有更多的精力對設計方案進行優化，提高設計質量。infraworks突破性地建立了3D可視化技術，更加高效地管理大型基礎設施模型并協助加速設計流程。本文擬就西藏如美水電站右岸壩肩的邊坡開挖工程，基于這兩款軟件研究三維模型的設計與展示流程，通過本文的研究，希望對水利工程中的三維設計與展示工作起到一定的探索作用。

1.工程概況

如美水電站位于西藏自治區芒康縣境內，是瀾滄江上游河段（西藏境內河段）規劃一庫七級開發方案的第五個梯級。壩址距芒康縣城48km，流域面積7.94萬km2，多年平均流量648m3/ s。其樞紐布置格局為：礫石土心墻堆石壩+右岸洞式溢洪道+右岸泄洪洞+右岸放空洞+右岸地下廠房引水發電系統的布置方案。由于碎裂巖體、溢洪道及進水口集中布置，且碎裂巖體、溢洪道及進水口邊坡開挖工期對右岸壩肩開挖影響較大，所以右岸壩肩碎裂巖體、溢洪道及進水口（2900m高程以上）開挖及壩體填筑工程是影響主體工程施工的控制性項目。

2.模型建立

2.1原始地形曲面

Civil3d可以利用等高線測繪數據數據建立三維的原始地形曲面。具體步驟如下：通過“創建曲面”命令自定義一個“原始地形曲面”，以“等高線”方式向“原始地形曲面”添加地形數據來自動生成曲面，最后對生成的曲面進行符合性檢查，排除奇異點。最終生成的曲面在“對象查看器”中如圖1所示。

2.2放坡曲面

在Civil3d中建立右岸壩肩放坡曲面。具體步驟如下：在右岸壩肩2900高程位置繪出放坡要素線，通過放坡創建工具創建出距離7.5m，坡度為0.5，馬道寬度為3m，頂高程為3320m的放坡組。因為之后的放坡規則相同，所以采用“復制創建放坡”來完成整個放坡組。最后再由整個放坡組自動生成放坡曲面，如圖2所示。

2.3開挖曲面與開挖量計算

在Civil3d中建立右岸壩肩開挖曲面。具體步驟如下：首先，單擊放坡曲面，通過調用“三角網曲面：放坡曲面”選項卡下的“分析”工具欄里的“曲面之間的最小距離”命令，選擇放坡曲面與原始地形曲面，即可自動生成兩個曲面的相交線，也就是開挖輪廓線。自動生成的相交線較傳統方法更為精確，可以使最終的設計開挖曲面與原始地形的融合效果達到前所未有的仿真程度；其次，在“三維建模工作空間”內利用“3DPOLY”和“PEDIT”命令將兩曲面的相交線合并成一條三維多段線，并將此條三維多段線以“邊界”的形式添加到放坡曲面中，從而生成開挖曲面，見圖3；最后，將原始地形曲面與開挖曲面“粘貼”到一起形成開挖后的地形曲面，見圖4。此外，Civil 3D還可以精確計算兩曲面間的開挖方量。具體步驟如下：通過“創建曲面”命令創建一個“三角網體積曲面”，以原始地形曲面作為基準曲面，開挖曲面作為參照曲面，查詢其曲面特性即可得開挖方量，計算結果見圖5。

2.4三維展示

為了生動地展示開挖后的地形面貌，可以在Infraworks中將該區域的衛星地圖與地形信息貼合在一起，從而起到非常好的渲染效果。具體步驟如下：首先在Civil3d中通過“MAPCSASSIGN”命令設置坐標系，本工程根據其地理位置設置坐標系為“Bjing54/a.GK3d/CM-99E”；其次將下載好的區域衛星圖片通過“Raster Tools”插入到civil 3d中，尺寸修改合適后再通過“Match”命令將衛星圖片與地形圖對齊，完成之后保存對圖片的修改，并以“world file”的形式導出jgw格式的坐標位置參數文件；最后在Infraworks中創建新模型，設置好相應的坐標系后將地形模型以imx文件格式導入，衛星圖片以光柵圖片的形式導入。Infraworks軟件會自動根據兩者在坐標系中的位置對他們進行整合，開挖前和開挖后的地形面貌圖分別如圖6和圖7所示。此外，Infraworks軟件還搭載了云平臺，可以在手機和平板電腦等移動終端上瀏覽已經建立好的三維模型，對現場施工人員技術交底大有裨益。

3.結論

在水利工程中，基于Civil3d和Infraworks的三維設計與展示有著以下優點：

（1）通用性強。這兩款軟件同是Autodesk公司產品，可以與CAD無縫結合，支持打開、修改和保存DWG格式文件。同時，采用Civil3d設計的三維模型也可以滿足設計人員二維出圖的要求。

（2）提高設計精度。Civil 3D軟件強大的三維設計能力可直觀、真實地反映開挖信息，包括開挖量的計算和開挖邊線的確定，都是十分精確的。

（3）方便修改。與傳統二維設計相比，Civil3d采用參數化設計手段將模型中的參數關聯起來，在任一視圖下修改的參數都能影響到整個模型從而不需要逐一對所有視圖進行修改。比如開挖的坡度和距離，只需修改一次即可自動更新整個三維模型而不需要建立新的模型，有利于進行多方案的比選。

（4）良好的三維展示。Infraworks平臺能提供美觀的三維展示效果，可以用任意角度觀察工程的整體面貌或局部特征，增強觀察者的認知，提高模型的三維可視性，也能夠讓設計者更容易發現設計問題或設計缺陷。

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