基于Civil 3D平原水庫庫盆方案的設(shè)計方法

顧嵋杰，馬 超，王波雷

(中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

平原水庫庫盆方案設(shè)計過程中，通常需要對庫盆開挖型式進行多方案的論證比選分析，從而確定經(jīng)濟合理的最優(yōu)庫盆方案。傳統(tǒng)的計算方法有斷面法，方格網(wǎng)法、等高線法等[1-3]。無論采用何種計算方法，都需要工程設(shè)計人員耗費大量的時間精力投入到庫盆開挖方量、壩體回填以及水庫庫容計算工作中去，中間過程出現(xiàn)細(xì)微的更改調(diào)整都會導(dǎo)致整個計算推倒重來，工作效率低且計算結(jié)果精度差。因此，設(shè)計人員在實際工作中不僅要精通工程設(shè)計原理，而且還應(yīng)不斷地了解行業(yè)新動態(tài)，特別是目前比較流行的BIM軟件，通過軟件運算代替大量重復(fù)計算，提高工作效率。

Civil 3D軟件是Autodesk公司推出的先進的土木工程設(shè)計和制圖軟件，為工程建設(shè)行業(yè)提供多元化的工程軟件服務(wù)和解決方案[4-5]。Civil 3D作為Autodesk公司主要的土木工程設(shè)計三維制圖軟件，為專業(yè)設(shè)計人員提供協(xié)調(diào)一致的數(shù)字模型，實現(xiàn)了從設(shè)計、分析、可視化、文檔制作到施工的集成流程[6-7]。通過Civil 3D創(chuàng)建三維數(shù)字地形模型，利用曲面、路線、縱斷面、要素線、裝配、道路等對象模型及相應(yīng)表單工具，進行數(shù)據(jù)分析，根據(jù)動態(tài)的數(shù)據(jù)鏈接調(diào)整，為工程比選方案提供更為直觀和準(zhǔn)確的技術(shù)支持。而且各個對象之間創(chuàng)建了智能化的關(guān)系，使得對象與對象之間能夠動態(tài)更新，不僅能夠提升工作精度，也提高了工作效率。

目前Civil 3D作為一款BIM軟件較為廣泛地應(yīng)用到水利行業(yè)領(lǐng)域。本文結(jié)合筆者在新疆阿克蘇地區(qū)洼地水庫庫盆比選設(shè)計中對該軟件的應(yīng)用經(jīng)歷，闡述基于Civil 3D庫盆方案設(shè)計的操作流程步驟及方法，為水庫設(shè)計提供借鑒。

1 工程概況

洼地水庫位于阿克蘇地區(qū)溫宿縣臺蘭河流域中上游，是一座以灌溉、工業(yè)供水為主，兼顧向臺蘭河地下水庫補水的綜合性水利工程，也是目前新疆最大的引水注入式四面圍壩平原水庫工程。水庫總庫容5 582萬m3，Ⅲ等中型工程。工程修建于臺蘭河出山口山前傾斜戈壁灘平原之上，采用四面堆填圍壩而成，最大壩高28.72 m。水庫采用全庫盆鋪塑防滲，設(shè)計庫底最低高程1 491.60 m，死水位1 500.60 m，正常蓄水位1 518.00 m，校核水位1 518.20 m，正常蓄水位對應(yīng)水面面積260萬m2[8]。

庫盆型式為水平段(300 m)-斜坡段(350 m)-水平段。起始水平段長度300 m，控制水平開挖底高程1 495.80 m。斜坡段長度350 m，起點開挖底高程1 495.80 m，終點高程1 490.80 m，斜坡段坡比1∶70；末端水平段控制底高程 1 490.80 m，終點接下游壩體內(nèi)坡腳線，最大長度553 m[8]。

圖1 水庫平面布置

2 建立曲面模型

2.1 原始地形曲面及清表曲面

軟件安裝完成之后，為適應(yīng)中國人繪圖習(xí)慣及標(biāo)準(zhǔn)，還應(yīng)安裝中國擴展包。選擇中國擴展包模板新建圖形，將原始地形數(shù)據(jù)(等高線、高程點)復(fù)制到新建圖形中。打開工具選項板，選擇瀏覽選項卡下的曲面選型，創(chuàng)建曲面并命名，在定義選項中通過添加等高線、圖形對象(高程點)生成三維原始地形曲面。在原始地形曲面創(chuàng)建完成之后，新建清表曲面，選擇曲面定義下編輯選項卡，右鍵選擇粘貼原始地形曲面到清表目標(biāo)曲面中，同時根據(jù)清表厚度1.0 m，降低原始地形曲面1.0 m，從而創(chuàng)建完成清表曲面。

2.2 設(shè)計庫底曲面

通過要素線、放坡組創(chuàng)建曲面。在庫盆最上游壩線外側(cè)創(chuàng)建一根要素線，要素線與壩線平行且相距100 m，對要素線進行高程賦值，高程取設(shè)計庫底高程(1 495.80 m)。選擇放坡菜單，在放坡創(chuàng)建工具中設(shè)置選擇標(biāo)準(zhǔn)集為距離-相對高程，然后選擇要素線創(chuàng)建放坡。起始水平段放坡距離400 m，相對高程0.0 m；中間斜坡段放坡距離400 m，相對高程-5.0 m；末端水平段距離1 000 m(大于末端庫盆最大距離)，相對高程0 m。放坡創(chuàng)建完成之后自動生成放坡組曲面，在特性中進行設(shè)計庫底曲面重命名。

2.3 圍壩壩體及內(nèi)坡面曲面

圍壩壩體及內(nèi)坡面曲面通過道路模型生成。根據(jù)設(shè)計壩體斷面形狀，創(chuàng)建裝配，裝配部件中點擊常用選項卡，選擇連接寬度和斜率、指向曲面的連接斜率兩個裝配部件。在創(chuàng)建裝配過程中對壩體各連接部件代碼進行針對性命名，便于通過不同連接創(chuàng)建不同曲面。l為連接部件；y、z為右、左側(cè)；bm為壩面；pm為坡面，如圖3。

圖3 壩體裝配特性連接代碼

壩軸線進行縱斷面設(shè)計，假設(shè)一個壩頂高程，在縱斷面圖中創(chuàng)建一個設(shè)計壩頂高程縱斷面。然后創(chuàng)建道路，選擇已設(shè)計壩體裝配，縱斷面選擇設(shè)計縱斷面，生成道路模型。在道路特性參數(shù)選項卡中，設(shè)定壩體指向曲面連接部件的目標(biāo)曲面，其中右坡面(迎水面)部件指向設(shè)計庫底曲面，左坡面(背水面)部件指向清表曲面。此時可通過道路模型生成壩體曲面，需要注意的是，在道路特性曲面選型卡中進行曲面設(shè)置，設(shè)置不同的連接可生成不同的目標(biāo)曲面。通過lypm(右坡面)連接生成設(shè)計內(nèi)坡面曲面，lbm、lpm(壩面、坡面)連接生成圍壩壩體曲面，見圖4～5。

圖4 壩體、內(nèi)坡面曲面連接代碼設(shè)置

圖5 壩體曲面

2.4 蓄水水平面(sp面)

通過要素線創(chuàng)建蓄水水平面(sp面)。創(chuàng)建要素線并指定高程，高程為假定蓄水水位高程。然后再創(chuàng)建曲面，添加特征線，選擇要素線添加即可，最后生成sp面。

3 曲面模型編輯

將已建的各個曲面進行編輯組合，使其組合后的曲面符合設(shè)計目標(biāo)曲面的要求，具體講解下水庫庫盆+內(nèi)邊坡組合曲面的創(chuàng)建。

首先，當(dāng)設(shè)計內(nèi)坡面曲面創(chuàng)建成功之后，內(nèi)坡面會與設(shè)計庫底面形成一條交線，即為道路模型的邊界線,此時，需要在“常用”選項卡“創(chuàng)建設(shè)計”面板下選擇“道路創(chuàng)建多段線”，將邊界要素線轉(zhuǎn)換成多段線。其次，在設(shè)計庫底曲面“定義”選項卡中，選擇邊界，通過添加轉(zhuǎn)換成功的多段線作為設(shè)計裁剪庫底曲面的邊界，從而生成裁剪庫盆曲面(設(shè)計庫盆底曲面)。最后，組合內(nèi)坡面與裁剪庫底曲面，由于設(shè)計內(nèi)坡曲面與庫底曲面存在動態(tài)關(guān)聯(lián)，不能夠直接在內(nèi)坡曲面中粘貼庫底曲面。應(yīng)新創(chuàng)建庫盆+內(nèi)坡面組合曲面，在組合曲面中依次粘貼設(shè)計內(nèi)坡曲面、裁剪庫底曲面，隨后創(chuàng)建完成目標(biāo)曲面。同理，根據(jù)以上操作步驟，可創(chuàng)建生成裁剪庫底+圍壩壩體的目標(biāo)曲面，見圖6～8。

圖6 設(shè)計裁剪庫底曲面

圖7 組合目標(biāo)曲面

需要注意的是在曲面粘貼操作的過程中，要遵循曲面粘貼的原則，即小曲面粘貼到大曲面。而大曲面不是說面積大，而是指組合后的目標(biāo)曲面最外邊界所在的曲面為大曲面，否則軟件會出現(xiàn)“無法將放坡曲面粘貼到目標(biāo)曲面”的情況。

圖8 組合目標(biāo)曲面

4 分 析

庫盆設(shè)計的最終目標(biāo)是分析計算庫容及相應(yīng)的土方工程量。在“分析”選項卡下的“體積和材質(zhì)”面板中選擇“體積面板”菜單，調(diào)出體積分析工具菜單。創(chuàng)建新體積曲面，設(shè)置裁剪庫底+內(nèi)坡面曲面為基準(zhǔn)曲面，蓄水水平面曲面(SP)為目標(biāo)曲面，即可分析得出兩曲面之間合圍的蓄水庫容。若分析得出庫容與設(shè)計庫容不等，則通過編輯sp曲面要素線的高程值，試算不同蓄水水面，并相應(yīng)調(diào)整設(shè)計壩軸線高程，重新添加裁剪庫底曲面邊界，然后軟件可自動更新庫容值，一般試算3～5次即可確定蓄水位高程，sp曲面要素線高程試算過程見圖9。

圖9 sp曲面要素線高程

確定蓄水位、設(shè)計壩頂高程之后，設(shè)置裁剪庫底+圍壩壩體曲面為基準(zhǔn)曲面，清表曲面為目標(biāo)曲面，則可以計算分析相應(yīng)的土方開挖、回填工程量，見圖10。

圖10 體積分析計算結(jié)果

由于開挖后庫底之上還需回填163萬m3砂礫石蓋重，所以庫容分析中增加此部分砂礫石蓋重庫容，即最終分析庫容5 745萬m3。

對于多庫盆方案比較時，只需編輯調(diào)整相應(yīng)設(shè)計庫底要素線對象、放坡對象的參數(shù)，通過參數(shù)驅(qū)動模型，即可快速實現(xiàn)不同方案庫容、土方量的計算成果，并且精度較高。若采用傳統(tǒng)的計算方法時，通常每個方案需要耗費設(shè)計人員1 d的時間，5種方案差不多5 d時間，并且計算精度不能保證。采用Civil 3D設(shè)計后，基本上1 h即可完成全部方案的分析，特別是當(dāng)比較方案越多時，這種高效設(shè)計優(yōu)勢愈加明顯，工作效率將呈幾何倍數(shù)的提升。

5 結(jié) 語

Civil 3D是一個系統(tǒng)性很強的軟件，各個對象之間均存在相互動態(tài)關(guān)聯(lián)關(guān)系，且下一個對象的創(chuàng)建往往是建立在上一個對象之上的，后續(xù)高級應(yīng)用是需要基礎(chǔ)對象和關(guān)聯(lián)模型的支撐才能運行。通過Civil 3D軟件在水庫庫盆設(shè)計中的應(yīng)用，很好地發(fā)揮了三維工程軟件快速、高效、準(zhǔn)確的特點，相較于傳統(tǒng)計算方法，工作效率大大提升，達到事半功倍的效果。Civil 3D是一款面向?qū)ο蟮能浖O(shè)計方案的修改可通過修改對象參數(shù)，以參數(shù)驅(qū)動模型修改，再加上各對象之間自動動態(tài)更新功能，可快速得出各方案計算成果，使得枯燥乏味的重復(fù)計算變得簡單便捷，解放設(shè)計人員生產(chǎn)力。