西龙池下水库坝体三维建模及应用探析

AutoCAD 绘图软件是当前工程界应用最为广泛的计算机辅助制图软件之一，该软件具有极为强大的建模功能，能够精确、便捷地创建各种三维模型，通过这些三维模型，可形象直观地查看制图结果，并可在此基础上进一步创建具有真实感的模型渲染图像，以更好地表达制图目的。本节以山西西龙池抽水蓄能电站下水库坝体为例，介绍坝体的建模思路及其相关应用。

图4-50　数字化质量评定

4.5.2.1　地形建模

在水利水电工程中，大部分水工建筑物实体需与地形实体进行布尔运算，比如通过拉伸所得的堆石坝，须与地形实体进行差集运算，即减去堆石坝实体中与地形实体重叠的部分，所得到的坝体才是真正的堆石坝实体。

利用室外测量所测得的三维坐标点，在CAD 中经过展点后，可通过程序运算构成空间三角网。图4-51 为西龙池下水库库盆和坝基开挖后利用竣工测量点所构成的三角网。由此，根据这些三角网数据，利用VBA 语言编制的地形三维实体构建程序，构筑出三维实体的地貌图，如图4-52所示。

图4-51　西龙池下水库库盆及坝基竣工测量点所构成的三角网

图4-52　西龙池下水库库盆及坝基竣工地形地貌三维模拟图

4.5.2.2　大坝实体建模

西龙池下水库大坝轴线为一段直线和两段圆弧组成，以该轴线作为大坝的拉伸路径，如图4-53所示，大坝拉伸断面如图4-54所示。

图4-53　绘制坝轴线作为拉伸路径

图4-54　大坝断面示意图

通过对大坝断面移动、旋转、拉伸等命令，得到如图4-55所示的西龙池下水库堆石坝初始实体模型。将图4-55 实体模型与图4-52 地形实体进行“布尔差”运算，得到如图4-56所示的包含地形信息的大坝实体模型。”按钮，再选择图4-57 大坝实体，则可得到该大坝的真实工程量。如图4-58所示，计算出该大坝填筑工程量为697.4×104m3。

图4-55　拉伸后的大坝初始实体模型图

此时，点击AutoCAD 工具栏“”中的“

图4-56　包含地形信息的大坝实体模型图

图4-57　获取大坝实体相关信息

再将图4-56 的大坝实体与图4-52 地形实体组合，所得模型如图4-58所示。(www.xing528.com)

图4-58　差集后的大坝实体与地形的组合图

4.5.2.3　三维实体模型的应用

以上简要介绍了西龙池大坝三维实体模型的构建，构建后的工程三维实体，其作用主要有:直接获得实体模型的工程量，为编制施工方案和编排计划提供基础资料，获得模型特征点坐标，用于图纸会审，用于技术交底等。

(1)获得模型的工程量。

目前水利水电工程中以体积计量的计算，对于标准形体一般都有相应的公式进行计算，其计算精度可谓100%。对于非标准形体(如土石方开挖或填筑)的计算，也一般采用平行断面法进行计算，其计算精度除取决于地形测量精度外，还取决于断面间距的大小，在同样测量精度的情况下，断面间距越小，其计算精度应越高。

对于西龙池下水库堆石坝坝体工程量，其坝轴线由两段弧线和一段直线组成，直线段的工程量采用平行断面法一般不难计算，但弧线段似乎就难于按平行断面法计算。而采用实体模型法，直接点击实体模型即可获得其工程量，而且其工程量计算成果的准确程度高于其他方法，因为地形图中的每一个测量坐标数据均参与了工程量的计算，工程量计算的精确程度只取决于地形的测量精度，故而实体模型工程量计算成果的可信度大大高于平行断面法计量成果。

(2)为编制施工方案和编排计划提供基础资料。

为施工方案和编排计划提供基础资料，实际上也是上述直接获得工程量作用的引申。对于一个实体，根据需要进行剖切(如平剖、立剖或斜剖)可以获得不同区域不同范围的工程量。如此，在编制施工方案时，可以较为准确地计算不同区域在某一时段的施工强度，可较为合理地安排施工时间段，最大限度地消减高峰强度，使施工资源配置相对合理。图4-59 是西龙池下水库坝体在填筑过程中根据填筑分区规划所作的三维模拟。可以说，坝体的三维分区模拟，在当时坝体填筑开工时间滞后三个月的情况下，对填筑施工规划、合理调整工期，以及乃至后期坝体提前两个月达到坝顶设计高程，起到了积极的指导作用。

图4-59　填筑分区规划三维模拟图

如图4-60所示，取平切面以下部分，并通过“”工具查得该部分的体积，则意味可得到当坝体填筑至该平部切面对应的高程时，坝体所填筑的累计工程量。在实体的平剖过程中，如果自上而下或自下而上对实体进行多次剖切，且平剖面间取得尽可能小(比如每1m或0.5m高差)，将获得的工程量V与高程H 的一一对应关系。对于坝体而言，可获得坝体填筑高程H 与坝体自下而上累计填筑工程量V的关系曲线，对于开挖区域而言，则可以获得开挖区开挖高程H 与开挖区自上而下的累计开挖工程量V的关系曲线。图4-61 是利用上述剖切后所得的西龙池下水库大坝总累计工程量与填筑高程的关系曲线以及各种坝料累计填筑工程量与填筑高程的关系曲线。

图4-60　平剖西龙池下水库大坝实体模型图

有了关系曲线，坝体填筑进度安排不再盲目。安排计划时，如果本月底坝顶填筑高程已经达到H1，累计填筑工程量为V1，下一个月如果计划填筑△V，则下一个月月底累计填筑工程量为V2(V2=V1+△V)，通过V2，查综合关系曲线，即可预测下一个月坝顶将达到的高程值H2。如果坝体中每一种坝料(如主堆区、次堆石、过渡料、垫层料等)均建立了填筑高程H 与该坝料累计填筑工程量V的关系曲线，再通过H2查该坝料的关系曲线，又可预测该坝料在月底将应累计的填筑工程量，减去本月该坝料已累计的填筑工程量，则是下一个月该坝料应填筑的工程量，这就又为料场开采、砂石系统石料加工备料的强度规划提供了较为准确的参考依据。

图4-61　西龙池下水库各种坝料累计填筑工程量与填筑高程之间的关系曲线

(3)获得模型特征点坐标。

有了三维实体模型，其模型的结构特征点坐标为“所见即所得”，无需再进行任何计算。对于一些形体复杂的建筑物，许多复杂部位的特征点坐标计算较为复杂，有了实体图，直接从图中查询并用于现场放样，可谓“直观、快捷、准确”。

(4)用于图纸会审。

图纸会审，是质量体系所强调的一项工作。工程实践经验表明，对于设计图纸，如不进行深入阅图和深入研究，一般是难以发现图纸中可能存在的问题，很多问题往往是在施工过程中才能被发现，此时，如再对所存在的问题进行修改，即可能会对施工进度、质量都会带来严重影响。如果根据图纸进行一次三维建模，则相当于进行了一次“现场施工”。在模拟的过程中，其大部分设计图纸上可能存在的问题将被提前揭露。如此，后期的施工方可做取真正主动。

(5)用于技术交底。

每一项工程在初始施工前，一般都要进行一次技术交底。如果所要交底的工程结构复杂，采用一般的方式进行交底，作业层人员可能无法对工程建立相应的概念，自然达不到交底的相应效果。而用三维实体模型进行辅助技术交底，可从不同角度观察模型的特征，还可能对模型时行剖切，观察模型内部结构，甚至根据剖切后的形体进行动态组合，对施工过程进行动画模拟。由此，施工人员(即使是识图能力较差的施工人员)即可迅速建立起工程概念，做到“胸有成竹”。同时，通过动画模拟，也相应了解了该工程的主要施工流程。在此基础上，进一步掌握其相关的其他技术要求则较为简单了，达到事半功倍的效果。