基于GEOPAK Site在南新涇泵閘工程中三維場地設計應用的思考

張海麗，張 群，王紅霞

（上海勘測設計研究院有限公司，上海 200080）

1 問題的提出

采用常規的二維方法進行工程項目的場地挖填設計是相當繁瑣復雜的工作，不僅需要設計者較強的三維空間想象能力，而且反復修改圖紙及多次計算挖填方量的工作量巨大，嚴重影響設計效率。相對而言，GEOPAK Site具有強大且豐富的三維場地設計功能，能快速地建立三維場地模型；高效地處理地形挖填并自動地統計相應的工程量；同時可以立體直觀地展示地形挖填的三維效果；并且可以根據施工組織進度計劃動態地模擬施工進度，實現了三維場地設計的全程服務，顯著地提高了設計效率與質量[1-4]。

GEOPAK Site是Bently公司旗下的一款專業進行三維場地設計的軟件，它擁有一套功能完善且作用強大的三維場地設計工具，可以廣泛適用于各類工程的場地設計、挖填方量統計、施工進度模擬。基于三角網算法自動生成的場地挖填設計，顯著減少設計人員繪制二維地形挖填圖的壓力；自動精確地統計挖填方量，為提供精準報價打下扎實基礎；施工進度模擬的三維演示，為更好地展示工程設計意圖提供便利。

2 工程概況

南新涇泵閘工程位于上海市閔行區的市區，等別為I等工程，其工程內容為新建1座凈寬12.0 m的南新涇水閘與1座流量40 m3/s的單向排澇泵站。泵閘采用“泵+閘”單邊布置的方式，擬建水閘布置在西側，泵站布置在河道東側，安裝檢修間布置在泵房東側，長8.5 m，滿足1臺機組的檢修需要。本工程西岸為民居密集區，東岸為市政道路，沿線地下有市政管線通過，基坑無放坡開挖空間，需采取基坑圍護措施，以減少對周邊建筑的影響。經綜合考慮各種因素，本工程基坑圍護結構采用鉆孔灌注樁結合樁后設置止水帷幕的圍護型式[5]。

本文基于GEOPAK Site對南新涇泵閘工程進行三維場地設計，并自動統計相應的挖填方量，動態模擬三維場地設計的施工進度。整個工作過程相對于傳統的二維設計方法省時省力，成果更能滿足工程設計需求。

3 GEOPAK Site三維場地設計功能在南新涇泵閘工程的應用

基于GEOPAK Site三維場地設計功能在南新涇泵閘工程應用的主要流程有:①采用GEOPAK Site的Extract、Build、Load命令將初始的地形數據（包括文本數據、地形圖等多種數據格式）生成三維數字地面模型；②以三維數字地面模型作為基礎資料，用Site Modeler工具組對基礎地形進行挖填高程、范圍、邊坡設計；③設計方案分析及優化；④用GEOPAK Site的統計工具自動進行挖填方量計算；⑤用Animation工具組模擬場地挖填設計及基坑圍護模型的施工進度安排。

3.1 三維場地模型建立

根據南新涇泵閘地形資料（dwg格式），通過GEOPAK Site提取地形總圖上的高程點，再將該圖上的高程點轉換成三維數字地面模型（tin格式）[6]（見圖1）。同時用Bently旗下的AECOsim Building Designer建立南新涇泵閘主體工程的三維模型及基坑圍護模型，以便后續模型的拼接、互相校核及施工進度模擬。

圖 1 三維數字地面模型圖

在三維場地模型建立過程中，有以下特點:①Autocad不存在單位概念，一般的cad地形總圖默認以1個尺寸表示1 m長度，而GEOPAK Site存在單位設置，因此需要在轉換三維數字地面模型之前將GEOPAK Site的圖形單位設置成“m”，以避免模型轉換及拼接的單位誤差；②由于地形的高程點數據眾多，個別數據可能存在數量級的誤差，而三維場地模型的精度及合理性主要取決于地形數據的準確度，所以設計者務必要仔細核查三維場地模型，對于不合理的數據一定要及時修改處理。

3.2 場地挖填設計

依據建筑物的規劃選址，在三維場地模型對應的位置分別建立相應的建筑物底部邊界（淀浦河防沖槽、淀浦河海漫段、淀浦河消力池、淀浦河出水池、閘室、泵房、南新涇進水池、南新涇消力池、南新涇海漫段、南新涇漸變段、南新涇防沖槽、南新涇側圍堰、淀浦河側圍堰），利用GEOPAK Site軟件的場地設計模塊，分別對工程區域底部邊界賦予設計高程，并按照設計原則，選擇合適的挖填坡比進行挖填設計。因為本工程的基坑圍護結構采用鉆孔灌注樁結合樁后設置止水帷幕的圍護型式，故南新涇泵閘工程均采用垂直挖填。場地設計基面見圖2，基坑維護模型及建筑物主體模型見圖3，場地挖填模型見圖4。

圖 2 場地設計基面圖

圖3 基坑圍護模型及建筑物主體模型圖

圖 4 場地挖填模型圖

在場地挖填設計中，有以下特點:①分別對不同建筑物的設計基面賦予相應的設計高程，然后按照設計坡度進行放坡，其中不同建筑物的挖填順序應結合實際情況，利用Model→Edit→FIFO命令手動調整先后順序，直至完成所有建筑物的場地挖填設計；②在建模過程中，不僅可以實時旋轉所建模型，而且可以利用Analysis中的Prof i le命令切取任意剖面，以核查是否建模有誤；同時參考南新涇泵閘的基坑圍護模型、建筑物主體模型，互相檢查校核平面位置是否嵌合，底部高程是否一致。

3.3 挖填方量統計

在確認三維場地設計無誤后，利用Analysis中的Volumes命令迅速精確地獲取相應的挖填方量，該量可以是原地面到不同建筑物的局部工程量，也可以是原地面至三維場地設計模型的整體工程量，同時也可分高程得到分階段的工程量。相對于傳統的二維計算方法，GEOPAK Site的自動統計挖填方量功能無論在計算速度方面還是在結果精度層面均有著無與倫比的優勢，本工程的各部位挖填方量的自動統計結果見表1。

表 1 南新涇泵閘工程挖填方量表

3.4 施工進度模擬

南新涇泵閘工程的場地設計、基坑圍護及建筑物主體澆筑按照以下順序進行施工:施工圍護鉆孔灌注樁→高壓旋噴樁（樹根樁）→圍堰施工→基坑抽水→東岸基坑開挖至1.50 m高程（西岸回填至1.50 m高程）→施工基礎處理鉆孔灌注樁（含施工雙軸水泥攪拌樁）→第一道混凝土支撐→基坑開挖至0.60 m高程→第二道鋼管支撐→基坑開挖至-1.90 m高程→第三道鋼管支撐→基坑開挖到設計底高程→施工泵站底板→拆除第三道鋼管支撐→施工泵站墩墻、水閘底板→拆除第二道鋼管支撐→施工上部結構→拆除第一道混凝土支撐[5]。

將三維場地設計模型可視化轉成dgn格式后，與基坑圍護模型及建筑物主體模型merge成一體，按照上述施工進度計劃進行施工進度模擬，形成三維動態視頻，以便立體直觀地展示施工意圖和效果。

4 結 語

本文基于專業的三維場地設計軟件GEOPAK Site，快速地生成三維地形模型，并進行挖填設計得到連續完整的開挖邊界，以減少工程施工對周邊環境的影響；同時基于軟件自動統計挖填方量的功能，為工程施工挖填方量準確報價提供依據；最后根據工程施工組織進度設計，完成挖填施工模擬，以指導后期施工，減少施工安全事故。

4.1 優 點

GEOPAK Site是BIM技術大力推廣的強有力后盾，其主要的優點如下:

（1）立體直觀的三維模型相比扁平抽象的二維圖形，在加強理解方面、向外展示方面有著與生俱來的優勢，而且設計三維化也是目前的趨勢所在。

（2）顯著地減少了傳統CAD二維地形挖填圖的繪制與修改的工作量；相對于Powercivil，其更能適應復雜情況的場地設計，功能更強大。

（3）它的聯動修改功能，避免由于設計變更或者個人失誤而造成的返工工作量。

（4）利用GEOPAK Site不同放坡比例可以快速比較各方案的占地面積，以估算征地移民的經濟指標、邊坡設計方案的合理性，顯著提高設計效率。

（5）通過試調場地的設計高程來平衡大范圍場地整平的挖填方量，大幅度地減少傳統的試算工作量。

（6）相對于ZDM用平均斷面法估算工程量的傳統方法，其挖填方量自動統計功能省時省力，顯著提高了設計質量。

4.2 不足之處

GEOPAK Site的市場應用率目前并不是很高，三維場地設計還處在發展階段，有些功能還有待加強。

（1）GEOPAK Site目前還不能完全自動地實現場地挖填的撤銷回退命令，在進行復雜的場地設計時需要步步為營。

（2）GEOPAK Site目前還沒有與相關計算軟件結合（如邊坡穩定分析軟件），不便于三維正向設計。

（3）GEOPAK Site的示坡線長短不能人為修改，有少數功能需要依靠重啟軟件響應，軟件的友好度和靈敏性還有待加強。

（4）GEOPAK Site的場地挖填坡度均不能小于1:0.01，目前只能以1:0.01的坡度近似等價于垂直挖填，其精度還有待進一步加強。

（5）GEOPAK Site目前還沒實現出圖標準自定義功能，每次出圖都要根據出圖標準進行二次修改，其標準定制功能還有待進一步完善。

4.3 前景展望

隨著勘測設計行業的充分市場化及BIM技術的大力推廣，業主給予的設計周期越來越短，設計三維化的要求程度越來越高，三維設計是當下設計行業提高工作效率及提升成果質量的發展趨勢和必經之路。利用GEOPAK Site進行三維場地設計，相對傳統二維設計有明顯的優勢，相信隨著市場越來越激烈，GEOPAK Site的普及應用指日可待。