Civil 3D在溝道型渣場三維建模方法的應用

陳 瑜

(甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，甘肅 蘭州 730000)

1 棄渣場設計思路

Civil 3D(簡稱C3D，下同)涉及地質、勘測、道路、橋梁、水利工程等行業，同時還能夠進行測量、三維地形處理、挖填量計算、場地設計、公路設計等專業設計[1]，功能十分強大。作為一名水利設計人員，筆者通過學習和了解棄渣場三維建模方法，掌握了C3D在棄渣場設計中應用的思路。

渣場設計，特別是填溝型、截洪型渣場，首先要考慮容渣量，然后確定渣場位置。棄渣場設計的常規方法是根據實測地形圖資料繪制棄渣場平面布置草圖及縱斷面布置圖，然后通過平面布置圖和斷面計算容渣量。容渣量采用常規計算方法，工作量大且精度較低。雖然借助軟件如ZDM輔助設計軟件等能有效計算容渣量，但計算過程繁瑣，需要進行多次反復試算，效率低下，棄渣場容渣量一旦發生調整，則需要多次反復計算，無法實現及時動態更新，故而容渣量計算是棄渣場設計的難點之一。針對以上問題，本文以甘肅省引洮供水二期工程棄渣場設計為例，運用C3D開展設計，不僅能精確計算棄渣場容渣量，還能有效得到棄渣場三維建模效果。同時對溝道型棄渣場平面三維建模的優點和方法進行總結，為具備復雜地形條件的溝道型棄渣場水土保持工程設計建模提供參考和幫助。

2 主要技術路線及建模步驟

在本文的棄渣場建模設計中，首先進行原始數據處理，數據處理完畢后，結合實測2000坐標系地形圖，通過先創建再定義的步驟，將地形圖添加到C3D中；然后初步確定溝道型棄渣場擋渣墻軸線位置、設計邊坡比、分級馬道寬度、每級堆渣高度等，創建棄渣場三維地形；最后結合棄渣場地形和原始地形計算容渣量，依據容渣量計算值進行實時調整，直至容渣量達到設計要求[2]。本文的主要技術路線如圖1所示。

圖1 技術路線

3 三維建模過程

3.1 原始數據處理

C3D建模的數據源主要有點、GCD、DGX、DEM、Landxml等，拿到棄渣場地形圖后，需先對地形圖進行分析，主要看以上數據源是否有正確的高程值，其次再編輯查看DGX和GCD等是否各存在一個圖層，將無用的圖層關掉。

3.2 創建地形曲面

在C3D中，三維地形被稱之為曲面。C3D創建地形曲面步驟為先創建再定義。

(1)先創建。 創建三維地形的步驟是：①在工具空間右鍵“曲面”，選擇“創建曲面”。②彈出“創建曲面”對話框，選擇曲面類型，指定曲面圖層(可選)。③輸入曲面名稱(地形曲面)和描述，指定曲面樣式和渲染材質。④單擊“確定”即可完成。

(2)再定義。C3D軟件定義曲面的方法主要有添加點、點編組、多段線、GCD、DGX、特征線等形式。本文通過添加DGX來定義曲面。主要步驟為：選擇地形圖中的等高線→右鍵選擇類似對象→原始地形曲面→定義→等高線右鍵→添加，選擇對象查看器，查看生成的地形曲面效果。

然而，采用等高線定義曲面時，地形圖中難免會存在一些錯誤的高程點，稱為“錯差點”，可以通過如下操作來排除錯差點：選擇曲面→曲面特性→定義→生成→排除低于某值的高程或排除高于某值的高程或使用三角形最大邊長。

3.3 創建棄渣場曲面

3.3.1創建簡單溝道型棄渣場曲面

C3D在進行簡單地形棄渣場設計(本文主要探討溝道型棄渣場，下同)時一般采用放坡法創建，即運用軟件自帶的放坡標準進行放坡。放坡法具體創建步驟如下。

(1)新建場地，場地無樣式。

(2)根據地形圖確定棄渣場位置，用多段線或要素線繪制出擋渣墻軸線位置，并賦予相應的高程。為了使放坡后實體模型能很好的與原地面地形相契合，將擋渣墻軸線兩端適當進行延伸。

(3)初步確定棄渣場坡比，一般為1∶2，堆渣高度以及分級馬道寬度。

(4)通過指定的放坡規則，讓C3D自動創建放坡和放坡組，并通過放坡組創建設計曲面，計算其體積、平衡土方量。放坡有歸屬關系，放坡操作必須在相對應的放坡組里。放坡規則為軟件自帶4種規則，可根據棄渣場堆渣方式，選擇相應的放坡標準，在前一個放坡的基礎上繼續放坡，重復以上操作，直至渣頂平臺，最后渣頂平臺放坡需延長，以便放坡后實體模型能很好的與原地面地形相契合。

(5)棄場挖填方量計算。具體步驟為：單擊“創建新體積曲面”按鈕，彈出新建體積曲面對話框。該對話框中兩個關鍵參數是“基準曲面”和“對照曲面”，其中“基準曲面”選擇“原始地形”、“對照曲面”選擇“棄渣場地形”、“體積面板”中生成計算結果，得到棄渣場填方量后，判斷是否滿足計劃棄渣量，如滿足則進行排水、擋墻等線路創建，如不滿足，重復放坡操作，直至滿足位置。

(6)單擊分析按鈕→地面數據→曲面之間最小距離→回車→依次選擇原始地形和棄渣場地形，求得棄渣場邊界，為三維多段(3D PL)線，選擇→右鍵選擇類似對象→修改工具選項版→設計→將三維多段三維多段(3D PL)線轉為二維多段(2D PL)線，將二維多段(2D PL)線賦值統一高程，連接閉合。

(7)在工具空間右鍵“棄渣場曲面”，選擇“定義”→邊界，選擇外部，利用生成的邊界線對棄渣場曲面添加外部邊界。

(8)在工具空間界面，點擊曲面，在下拉界面中分別選擇地形曲面和棄渣場曲面，點擊對象查看器查看曲面模型效果。放坡法生成的棄渣場曲面及平面圖如圖2—3所示。

圖2 放坡法生成的棄渣場曲面圖

圖3 放坡法生成的棄渣場平面圖

3.3.2創建復雜溝道型棄渣場曲面

放坡法對于有多個支溝的復雜溝道型棄渣場則難以實現設計要求。因此，本文對復雜地形棄渣場進行重復多次建模設計，總結出采用特征線法來構建曲面，可以創建任意的邊坡形態。特征線法具體創建步驟如下。

(1)依據實測地形圖，創建棄渣場曲面。

(2)根據地形情況選定渣場位置，分析確定擋渣墻軸線位置，用多段線繪制出擋渣墻軸線，并賦予其高程，并用添加特征線法將多段線添加成特征線，具體操作如下：選擇棄渣場曲面→定義→選擇特征線→右鍵單擊添加，將帶高程的擋渣墻軸線多段線添加為特征線，手動建立三角網曲面。

(3)初步確定堆渣邊坡比，一般為1∶2，堆渣高度、各級馬道寬度。

(4)擋墻軸線沿兩側延伸，先向上方偏移3～4m即為馬道寬度，利用多段線功能，繪制偏移后的馬道邊界，并賦予其高程，高程值為擋渣墻軸線高程；同時對此條線再進行偏移，并設定偏移后線段高程，再重復前兩次操作。

若為多個支溝的復雜溝道，則根據溝道中心線走勢適當設置平臺邊界，用多段線繪制出平臺并賦予其高程，然后將其添加為特征線，手動建立三角網曲面，反復操作以上步驟，直至渣頂，在棄渣場周邊繪制一條多段線，并盡量延長超過渣頂范圍，與擋渣墻，各級馬道或平臺邊界連接，形成閉合的棄渣場界限，并將其添加為特征線。

重復3.3.1小節第(5)—(8)步，特征線法生成的棄渣場曲面及平面圖如圖4—5所示。

圖4 特征線法生成的棄渣場曲面圖

圖5 特征線法生成的棄渣場平面圖

4 結論

(1)本文提出了基于C3D軟件的棄渣場平面三維設計方法。利用該軟件能快建模，實時查看及編輯地形圖，及時避開地形圖錯誤對工程設計造成的影響[3]。同時，該軟件能為水土保持設計工作提供較為先進的設計方法和技術手段。

(2)計算土石方量方面，該軟件計算挖填量更加高效精準，速度明顯高于其他同類軟件[4]。

(3)C3D可以創建任意的邊坡形態，還能根據容渣量調整等情況實施動態更新，極大地提高了效率。

(4)本文僅提出了溝道型棄渣場平面建模方法，對于坡地型、臨河型等其他類型棄渣場未提出建模方法，函需進一步研究。