基于Civil 3D的石料場開采三維動態設計方法

王大志　黃鵬

摘要：針對傳統的石料場開采二維設計方法流程復雜、工作內容繁多的特點，提出了基于Civil 3D的石料場開采三維動態設計方法，包括建立原始地形曲面，對地層鉆孔數據進行Kriging插值擬合并建立地層曲面，石料場開采量計算與分析，石料場邊坡開挖設計，石料場邊坡開口線坐標數據提取等。通過該方法建立的模型具有動態關聯屬性，可以根據設計參數的變更動態更新。工程應用表明：該方法簡化了設計流程，提高了設計效率和設計精度，滿足工程設計要求。提出的基于Civil 3D二次開發技術的模型邊界曲面信息提取方法實現了從設計模型快速獲取開口線施工放樣數據，讓設計和施工無縫銜接，提高了工程項目管理效率。

關鍵詞：石料開采;Civil 3D; 三維動態設計; Kriging; 插值擬合; 開口線坐標; 二次開發技術

中圖法分類號：TP391.9 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.07.021

文章編號：1006 - 0081（2022）07 - 0122 - 07

0 引 言

隨著計算機輔助設計（Computer Aided Design，簡稱“CAD”）技術的高速發展，土木工程設計正由二維CAD向三維CAD轉變[1]，土木工程領域出現了Civil 3D，GEOPAK，CATIA等三維CAD工程設計軟件。相比二維設計，三維設計建立的實體模型更直觀、準確、詳實，可以在設計過程中消除碰撞，實體模型和設計數據相互關聯，一處修改所涉及的部位便會自動修改。石料場開采設計通常采用的是傳統二維CAD設計方法，通過在地形圖中切剖面，計算開采量。該方法耗時耗力，計算精度低，設計修改不便。而采用三維CAD設計方法，可以克服上述缺點，不但能建立直觀、準確的石料場模型，還可以快速計算開采量，提取料場邊坡開挖數據[2]。因此，將三維CAD技術應用到石料場開采設計中，有廣闊的應用前景。

國內的專家、學者，特別是工程技術人員，在將三維CAD技術應用到石料場開采設計方面，取得了豐碩的成果。楊偉[3]利用GeoBIM軟件進行某水電站石料場三維地質建模，并利用三維地質模型進行石料場儲量的計算，拓展了復雜石料場的分地層儲量計算方法。王勇勝等[4]提出了一種基于CATIA的料場開采動態調整設計方法，提高了料場開采調整的計算精度和設計效率。華棟等[5]利用Civil 3D平臺，開展了石料場開采規劃設計工作，實現了準確計算剝離量、有用量及開采量。牛貝貝等[6]利用ItasCAD軟件建立了石料場的三維地質模型，對不同巖性的塊料分別進行了計算，確定了優先開采區。上述方法解決了石料場三維地質模型建立、儲量計算等問題，但研究內容只涉及石料場開采設計的某一方面，未能系統闡述石料場開采設計方法，實現模型的施工放樣數據提取。筆者在充分吸取上述成果的基礎上，以防城港市防城區抽水蓄能電站項目石料場為研究背景，基于Civil 3D平臺，結合石料場工程地質情況，建立了石料場三維地質模型，完成了石料場邊坡開挖設計，并利用Civil 3D二次開發技術，實現了石料場邊坡開挖數據提取，為后續邊坡開挖施工放樣提供數據支撐。

Civil 3D是一款面向土木工程行業，適用于勘察測量工程、道路工程、市政工程、水利水電工程、航道工程、地質礦產工程等多個不同行業領域的三維動態設計軟件。生成的模型包含豐富的動態數據，便于在項目實施過程中快速進行設計變更，根據計算和分析結果做出決策，選擇最優設計方案，快速、高效地創建與設計變更保持同步的可視化效果。它可以分析與調整測量數據、創建精確三維地形、設計各種路線及縱斷面、生成道路模型并計算土方量等，能夠幫助項目團隊更加高效地設計、分析和可視化項目[7]。

Civil 3D二次開發是在其開放的.NET API基礎上對用戶界面、業務邏輯以及數據庫訪問進行擴展。允許用戶根據自己的需求進行定制開發，擴展和延伸專業功能。Civil 3D提供的.NET API接口用于創建基于Civil 3D的.NET應用程序，實現用戶自定義的創建、存取和操作絕大多數Civil 3D對象，包括點、等高線、曲面、縱斷面、橫斷面、道路、管道等[8]。

1 基于Civil 3D的動態設計思路

通過Civil 3D的曲面及放坡功能建立石料場地形、地質曲面和邊坡開挖曲面，計算石料場的開采量、邊坡開挖設計參數，并動態調整終采平臺高程，使石料場開采設計達到最優[9]。主要設計思路如下。

（1） 根據測量資料，形成地形曲面所需點文件;根據勘察資料，對鉆孔數據進行統計、分析，形成地層曲面所需點文件。

（2） 利用Civil 3D軟件，導入各類點文件，建立地形、地層曲面。對石料場剝離料、有用料進行統計分析。

（3） 根據初步確定的石料場多級邊坡開挖坡比、開挖高度、馬道寬度等參數，在Civil 3D部件編輯器中制作多級邊坡部件，然后在圖中進行裝配，建立石料場開挖坡面。

（4） 建立體積曲面，計算石料場開采量。通過動態調整石料場終采平臺高程，再次擬定多級邊坡開挖參數并建立石料場開挖坡面，不斷比選并獲得最優設計方案。

（5） 利用Civil 3D二次開發技術，編程提取最終設計方案確定的石料場邊坡開挖數據，用于后續石料場邊坡開挖施工。

2 三維動態設計方法及軟件開發

2.1 建立原始地形曲面

對石料場原始測量數據進行編輯，保存為Civil 3D能夠識別的“*.txt”格式文件（圖1）。在Civil 3D中，利用軟件的“工具空間-瀏覽-曲面-創建曲面”創建一個空的原始地形曲面，然后利用“定義-點文件-添加點文件”導入地形點數據，生成原始地形曲面（圖2）。曲面建立后，對曲面進行觀察，通過“曲面特性”和“編輯曲面樣式”對曲面進行處理，去除錯誤的高程點，對等高線進行平滑處理，設置點、三角形、邊界線、等高線、柵格、坡度等的樣式，對高程、坡度、方向、流域進行分析[10]。

2.2 建立地層曲面

2.2.1 鉆孔數據分析

為了控制工程造價，一般石料場地質鉆孔數量較少，實際得到的鉆孔數據都是離散的，必須采用一定的擬合方法，通過離散的地層鉆孔數據來描述其空間分布規律，建立滿足精度要求的地層曲面。

2.2.2 插值擬合

在實際工程中，一般采用樣條法、Kriging法、反距離加權法、最小曲率法等插值算法擬合地質鉆孔離散數據[11]。其中，Kriging法適用于各種類型離散數據，考慮了采樣點間的相關性，網格化精度高。根據該工程實際情況，地質鉆孔通常為不均勻離散分布，網格化精度要求高，因此選擇Kriging法作為地層插值擬合的算法。

2.2.2.1 Kriging法原理

Kriging法又稱“空間局部插值法”，是以變異函數理論和結構分析為基礎，在有限區域內對區域化變量進行無偏最優估計的一種方法，是地統計學的主要內容之一[12]。在石料場區域內設置間隔25 m×25 m的等距網格，根據15個地質鉆孔各個地層的坐標值，用Kriging插值計算方法，對區域內所有網格結點進行插值擬合，最終得到地層曲面數據（圖3）。

2.2.2.2 Kriging法插值擬合步驟

2.2.3 生成地層曲面

2.3 石料場開采量計算與分析

在石料場開采二維設計中，一般采取平行斷面法進行儲量計算，儲量計算上限和下限按照高程來控制。而在基于Civil 3D的三維設計中，在已經完成曲面建立的情況下，可以利用曲面的“高程分析”功能，通過相關參數設置，直接查詢對應高程的體積，并生成分層體積表[14]。

2.4 石料場邊坡開挖曲面

2.4.1 石料場邊坡開挖設計

根據石料場區域工程地質條件和實際開挖剝離需求，計算邊坡級數，并設計確定邊坡坡比、坡高、馬道寬度、支護形式等。

2.4.2 生成邊坡開挖曲面

在Civil 3D中，可以直接通過放坡工具來創建多級邊坡，也可以利用道路來創建多級邊坡并生成邊坡曲面。后一種方法直觀、高效，具體步驟如下。

（1） 制作多級邊坡部件。Civil 3D部件編輯器是一個圖形編程軟件，可定制各種部件，如道路、多級邊坡、擋土墻、隧洞等。部件編輯器提供可視化的開發界面，操作簡單且功能強大[15]。① 根據多級邊坡設計數據定義坡比、坡高、馬道寬度等每一級邊坡的部件參數;② 添加點、連接等幾何要素，并進行參數設定;③ 向多級邊坡部件添加連接代碼，以便于信息的提取;④ 將制定完成的多級邊坡部件保存為“*.pkt”文件（圖4）。

（2） 裝配多級邊坡部件并生成曲面。① 在Civil 3D中導入自定義的多級邊坡部件;② 利用“創建裝配-裝配錨點-多級邊坡部件”對多級邊坡部件進行裝配;③ 利用“創建道路-選擇石料場坡底開挖軸線-選擇建立的裝配-建立道路曲面”來創建邊坡開挖曲面（圖5）。

生成石料場邊坡開挖曲面后，可以在Civil 3D中建立體積曲面，計算石料場有用料開采量。如果計算出的開采量和該項目的需求量有出入，可以調整石料場坡底開挖軸線的高程及方向，再次按照上述步驟重新制定多級邊坡部件并建立石料場邊坡開挖曲面，通過不斷比選，使最終的開采量符合需求量。

2.5 提取石料場邊坡開挖數據

在基于Civil 3D的三維設計中，建立的三維模型都自帶屬性，可以通過二次開發，編程提取石料場邊坡開挖模型的邊界曲面信息，進而得到開口線坐標。

2.5.1 提取模型邊界曲面信息原理

在Civil 3D中，三維實體模型是由點、線、面等子實體構成。模型的幾何信息包括形體的形狀、位置、大小、尺寸等，模型的拓撲信息包括形體的頂點、邊、表面等相互之間的連接關系，二者構成一個有機的整體，共同形成對實體模型的完整描述[16]。

.NET API是通過邊界表示法（Brep）來精確表達實體模型的幾何信息和拓撲信息。因此，可以通過建立實體模型的Brep類庫對象來訪問實體模型的各個構成元素，如點、邊、面的基本信息和頂點坐標數據。本文就是利用Brep類庫對實體模型邊界進行分析，從而得到石料場邊坡開挖實體模型的開口線邊界的頂點坐標數據。

2.5.2 提取模型邊界曲面信息步驟

（1） 選擇石料場邊坡開挖實體模型中的開口線所在的開挖坡面子實體，利用Solid3d類的GetSubentityPathsAtGraphicsMarker函數獲取子實體路徑。

（2） 基于此子實體路徑，建立一個新的邊界表示對象（Brep），使子實體與自身的對象聯系起來。

（3） 利用此邊界表示對象，依次層層建立面（Face）、邊界環（BoundaryLoop）、邊（Edge）對象。最后，利用提取邊對象的端點坐標，即得到開口線坐標數據（圖6）。

以下是提取石料場邊坡開挖模型的邊界曲面信息主程序：

SelectedObject so = ss[0];//選擇實體

Solid3d solid = Tx.GetObject（so.ObjectId， OpenMode.ForRead） as Solid3d;//建立三維實體對象

int gsM = so.GraphicsSystemMarker; //獲取開挖坡面子實體GS標記

IntPtr Ptr = new IntPtr（gsM）;

Point3d Pt = new Point3d（0， 0， 0）;

Matrix3d Mt=new Matrix3d（）;

ObjectId[] Id = new ObjectId[2];

FullSubentityPath[] MysubentPath =

solid.GetSubentityPathsAtGraphicsMarker（SubentityType.Face， Ptr， Pt， Mt， Id）;//獲取子實體路徑

using（Autodesk.AutoCAD.BoundaryRepresentation.Brep brep = new Autodesk.AutoCAD.

BoundaryRepresentation.Brep（MysubentPath[0]）） {//建立一個邊界表示對象

foreach（Autodesk.AutoCAD.BoundaryRepresentation.Face face in brep.Faces） {//建立一個面對象

foreach（Autodesk.AutoCAD.BoundaryRepresentation.BoundaryLoop lp in face.Loops） {//建立一個邊界環對象

int edgCnt = 0;

foreach（Autodesk.AutoCAD.BoundaryRepresentation.Edge myEdge in lp.Edges）{//建立一個邊對象

ed.WriteMessage（"＼n Edge number {0}： " +

"＼n Vertex 1： {1}" + "＼n Vertex 2： {2}"，

++edgCnt，myEdge.Vertex1.Point，myEdge.Vertex2.Point）//輸出開口線坐標數據

}}}}

3 實例應用

砂石骨料場位于防城港市防城區抽水蓄能電站水電站壩址東北方向，距離砂石料系統運輸約36.5 km，水電項目石料需求約650 000 m。石料場頂部地形平緩，地表大多為松樹林，有少部分橄欖樹和核桃樹，自然坡度為4°～7°。分布高程850～1 250 m，長度約280 m，寬度約320 m，面積約89 600 m。石料場出露地層為白堊系下統砂巖與泥巖，局部夾薄層泥質粉砂巖。層狀構造，巖層產狀∶傾向135°，傾角33°～42°。

石料場地質勘察按照5個地質斷面布置，每個斷面分布3個地質鉆孔，總共15個地質鉆孔，孔深為6～12 m，揭露的地層從上至下分為3個地層，分別為殘坡積土、強風化粉砂巖、中風化砂巖。殘坡積土和強風化粉砂巖為剝離料，巖體較破碎，強度較低，力學性質差。中風化砂巖為有用料，巖體較完整，強度和承載力較高，工程地質性質較好。

根據擬合后的殘坡積土層、強風化粉砂巖層、中風化砂巖層曲面數據，按照創建原始地形曲面的方法，從地面到地層分別創建殘坡積土層、強風化粉砂巖層、中風化砂巖層地層曲面（圖7）。

（1） 選擇中風化砂巖層地層曲面，利用“曲面特性-高程-范圍-指定范圍間隔與基準高程-基準高程-范圍詳細信息”來設置石料場開采儲量圖（圖8）。

（2） 選擇中風化砂巖層地層曲面，利用“添加圖例-高程-動態”來添加分層體積表，并通過“表格特性-編輯表格樣式-特性-曲面范圍體積”來生成分層體積表，并顯示各高程范圍的儲量（表1）。

（3）按照上述方法，選擇原始地形曲面，同樣可以得到分層體積量，和中風化砂巖層地層曲面得到的分層體積量相減，得到剝離體積量。最終確定石料場規劃儲量約為161萬m，其中剝離料為35萬m，有用料為126萬m，剝采比為1∶3.6，石料場開采累計曲線如圖9所示。

石料場按照坡高30～40 m一級進行放坡;坡頂開口邊坡多為殘坡積土覆蓋層，采取1∶2的坡比進行開挖，馬道寬度為5 m，采取噴錨支護措施;下部邊坡多為強風化粉砂巖和中風化砂巖，采取1∶1～1∶1.5的坡比進行開挖，馬道寬度為3～5 m，采取噴混凝土支護;整個開挖區域外圍設置截水天溝，馬道設置排水溝（圖10）。

4 結 論

依托Civil 3D強大的曲面處理功能和模型動態關聯屬性，可以快速開展石料場三維動態設計工作，簡化了設計流程，提高了設計效率和設計精度。運用Civil 3D開展石料場三維動態設計工作有以下幾個優點。

（1） Civil 3D利用不規則三角網（TIN）進行建模，直接利用野外實測的地形特征點、插值擬合點構造曲面三角形，組成不規則三角網面結構。三角網面直接利用實測數據作為網格結點，與地形特征相協調，保證了生成曲面的精度。在構網時，通過插入特征線的方式，保留了原有關鍵地形特征，能很好地適應復雜、多變地形。

（2） Civil 3D模型具有動態關聯屬性，在設計的任何階段，通過修改邊坡坡比、坡高、開挖要素線等參數來優化設計方案，該模型與變更參數相關的部分會實時自動更新。這種動態關聯關系省去了傳統二維設計中大量重復繪制工作，降低了設計出錯率。

（3） Civil 3D設計模型建立后，可以自動生成施工平面圖，如開挖平面圖、開挖剖面圖和土方施工圖等，相比二維設計，省去了大量制圖工作，節約了設計時間。

（4） 利用Civil 3D的.NET API二次開發功能，可以根據石料場開采設計實際需要，從建立的實體模型快速獲取相關設計參數，指導后續施工，讓設計和施工無縫銜接，提高了工程項目管理效率。

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（編輯：李 晗）

3D dynamic design method of quarry mining based on civil 3D

WANG Dazhi， HUANG Peng

（SPIC Guangxi Electric Power Co.， Ltd.， Nanning? 530022， China）

Abstract：In view of the characteristics of complex process and various work contents of the traditional two-dimensional design method for quarry mining， a three-dimensional dynamic design method for quarry mining based on civil 3D is proposed， including the establishment of the original terrain surface， Kriging interpolation of the stratum drilling data， the establishment of the stratum curve surface， the calculation and analysis of quarry mining volume， and the excavation design of quarry slope， coordinate data extraction of the opening line of the quarry slope. The model established by this method has dynamic correlation attributes and can be updated dynamically according to the changes of design parameters. The engineering application shows that this method can simplify the design process， improve the design efficiency and accuracy， and meet the requirements of engineering design. The proposed model boundary surface information extraction method based on civil 3D secondary development technology can realize the rapid acquisition of open line construction setting out data from the design model， make the design and construction connect seamlessly， and improve the efficiency of project management.

Key words：exploitation of stone; Civil 3D; 3D dynamic design; Kriging; interpolation fitting; coordinate of opening line; secondary development technology