三维设计软件在施工组织设计中的应用

严屹人，淡松敏

（上海勘测设计研究院有限公司，上海200080）



三维设计软件在施工组织设计中的应用

严屹人，淡松敏

（上海勘测设计研究院有限公司，上海200080）

［摘 要］在水利水电工程中，场地开挖设计是一项复杂繁琐的工作。一般使用二维CAD等软件进行设计时，存在开挖量计算不够精确、开挖情况展示不形象等问题。文中基于GEOPAK Site三维设计软件对某水电站工程进行场地三维设计，大大提升了场地开挖设计的效率和准确性。

［关键词］三维；GEOPAK Site；场地；开挖

在水利水电工程中，场地开挖设计是一项复杂繁琐的工作。传统设计时往往通过二维CAD等软件，按典型断面进行设计计算。在一些地形地质条件较为复杂的工程中，场地挖填工程量的计算也会成为一项繁重任务，耗费设计人员大量的时间和精力，且其设计成果是否精确还有待验证，在后期的施工过程中甚至可能带来一系列难题。

GEOPAK Site是一种适用于工程基础项目的三维设计软件，具有一整体套场地设计模块，广泛应用于各类基础开挖项目，其强大的三维可视化功能、出色的计算功能和灵活的操作界面，大大提升了场地开挖设计的效率和准确性。

借助GEOPAK Site强大的三维分析运算能力，对巴基斯坦某水电站工程进行场地三维设计，介绍应用该三维设计软件进行施工组织设计的全过程。

1　工程资料

1.1工程概况

某水电站工程位于巴基斯坦旁遮普（Punjab）省和阿扎德查谟克什米尔地区（Azad Jammu and Kashmir，AJK）交界的吉拉姆河上，为吉拉姆河梯级开发的第2级。该水电站坝址位于玛尔河和吉拉姆河交汇处上游约5 km处。

工程为Ⅱ等大（2）型工程，挡水、泄洪、引水及发电等永久性主要水工建筑物为2级建筑物，次要建筑物为3级建筑物。

1.2自然条件

吉拉姆河流域内的气候可分为东北季风季节（12月～2月）、热季（3月～5月）、西南季风季节（6 月～9月）和10月～11月的过渡期等四季。受地形和季节影响，降雨时空分配不均。

坝址段河谷为纵向谷，河谷两岸山体雄厚，近不对称的“V”型谷。坝址区河流顺直，河流由北向南，枯水期河水面高程约518 m，河床宽40～60 m，正常蓄水位585 m对应河谷宽约260 m。坝址区基岩主要为砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩、泥岩或粉砂质泥岩，受差异风化的作用，一般泥岩或泥质岩分布段成谷或沟槽状，砂岩分布段突出呈脊状，坝址区山体坡面呈波状起伏。坡面多冲沟、雨淋沟槽或残留滑坡床，坡面地形完整性较差、较复杂。

2　三维协同辅助设计

2.1导流隧洞进出口开挖三维辅助设计

根据坝址区水文特性、地形地质条件、水工建筑物布置特点以及施工工期、安全度汛等因素，工程施工拟考虑采用围堰一次拦断河床、隧洞导流的方式。综合考虑地形地质条件及洪水设计标准等，合理布置导流隧洞洞线、确定洞径及进出口高程等隧洞参数。在该工程中，由于隧洞断面尺寸大、进出口地质条件较差，导致隧洞明挖量及边坡开挖高差较大，借助GEOPAK Site的开挖功能进行辅助设计，能够合理并形象反映进出口开挖情况，其主要流程如下：①三维场地建模；②提取开挖对象；③根据设计要求，拟定开挖方案；④按照开挖方案，分步开挖；⑤整理开挖模型，输出数据结果；⑥分析研究，进行方案比选。

2.1.1三维场地建模

GEOPAK Site为使用者提供了多种数据接口，既可根据文本文件信息生成三维地形，也可通过平面CAD地形及数字高程图生成三维地形。在实际施工组织设计工作中，常利用勘测专业提供的CAD地形图。在GEOPAK Site软件中直接参考所需的CAD文件，提取地形图中含有高程信息的等高线或高程点，生成.dat文件，软件将.dat文件转换为.tin三角网格文件。利用软件对网格文件进行优化，去除不合理部分，以减少地形数据量并提高后期软件的处理速度。软件利用优化后的三角网格文件形成.gsf地形文件，该文件作为后期开挖工作的基础。

根据已拟定的隧洞进出口位置，可在基础地形上确定出开挖对象的边界，建议从原先绘制的平面图纸中直接导入隧洞进出口位置。

2.1.2开挖及优化设计

以导流隧洞出口为例，对其开挖方案进行分析。隧洞出口底板高程为513.00 m，洞顶高程为527.00 m。根据工程区域的地质条件，隧洞出口处地质条件较差，因此在高程542.00 m以下采用1∶0.75坡比开挖，高程542.00 m以上采用1∶1坡比开挖。在开挖过程中，建议利用“Side Slope”命令先将隧洞出口开挖至洞顶高程542.00 m，控制开挖坡比，并对开挖后形成的边线进行裁剪优化，可形成直立的掌子面；然后再加入马道，完成边坡整体开挖，提高设计精度。

该方案开挖底高程为513.00 m，软件显示顶部开挖边线的高程为653.70 m，开挖面积达22 240 m2。开挖边坡沿着山坡线直至坡顶，形成了约126.7 m的高边坡。在地质条件较差的工程区域，进行高边坡开挖存在较大的风险，且相应的边坡支护处理较复杂，工程投资大，需要进行优化设计。在满足规范要求和地质条件允许的情况下，将导流隧洞出口向远离坝轴线的方向稍作移动，使其靠近山脊线，具备提前进洞的条件。经调整后，隧洞洞身长度增加，石方洞挖量增大，但优化后的方案顶部开挖边线的高程降低56 m至597.7 m，开挖面积为12 729 m2，大大降低了开挖边坡高度，一定程度上降低了施工难度，并减少工程投资。优化后的方案缩短了明渠长度，软件显示明挖量仅90 778 m3，与前一方案相比，优化后的方案技术及经济优势均较大。

2.2弃渣场三维辅助设计

工程的弃渣场主要考虑利用左右岸坝址附近的现有冲沟。根据现场地形，左岸弃渣主要利用距离坝址上游较近的冲沟，右岸弃渣主要利用上游卡斯沟以及坝址下游台地附近冲沟。根据施工交通条件及地形地质条件等因素，初步选定坝址附近的四处冲沟作为弃渣场地，其中有三处分布在左岸，一处分布在右岸，从上游至下游依次为：左岸1号渣场、右岸渣场、左岸2号渣场和左岸3号渣场。

利用GEOPAK Site进行三维辅助设计，渣场回填的设计流程与之前的开挖流程基本一致。前期作方案比选时，需要对各渣场设定不同的堆渣高程进行计算。设计中需要提取不同的高程线，绘制弃渣场的设计边线。此步骤可在CAD中完成，然后参考到GEOPAK Site中，再通过Building对象实现渣场三维模型的建立。设计过程中：①通过“Raise/ Lower”命令，可以轻松地抬高或者降低堆渣高程，提高设计效率；②弃渣场的边坡坡率及马道的设置可以通过“Side Slope”命令来控制。设计过程中，选取560 m、570 m、580 m和590 m四个不同的堆渣高程，分别计算四个渣场的容量。

2.3成果整理

GEOPAK Site三维辅助设计的成果整理工作主要分为工程量统计和图纸两部分。

2.3.1工程量统计

GEOPAK Site软件提供了分析模块，能够方便快捷的计算出所需的工程量，内容包括：开挖及回填工程量、计算面积等。

经软件分析计算，两种方案的隧洞出口开挖量、开挖面积及开挖边坡高度见表1，各堆渣高程下弃渣场的容量计算见表2。

表1 隧洞出口开挖工程量计算表

表2　弃渣场容量计算表

根据隧洞出口开挖工程量的计算结果，再结合地质资料，能够进一步细化开挖工程量及支护工程量；根据渣场容量的计算结果，再结合具体弃渣量及施工总布置要求，能够挑选出合适的渣场地址组合；以上计算及分析过程可以指导进行施工组织设计的优化及方案的选择。

2.3.1图纸

GEOPAK Site软件会储存下三维设计模型的

开挖、回填等信息，可以利用分析模块的功能，在所需要的位置进行剖切，生成含有开挖、回填及原地形线的断面，在其基础上完成相关的标注工作，得到所需要的开挖平面及断面图纸。

3　结语

运用GEOPAK Site软件进行三维协同辅助设计有如下优点：

1）开挖过程自动化程度高。利用传统的方法绘制开挖图时，需要人工计算开挖放坡边线，且在地形复杂的区域很难保证绘图的准确性；而在建筑物边线确定的情况下，GEOPAK Site能够自动进行计算分析，快速的绘制出开挖边线，提高工作效率。

2）高效、准确。软件充分发挥了计算机的运算能力，结合自身算法，能够快速、准确的生产开挖面和开挖量。在平面图纸上剖切典型断面进行工程量计算，很难得出准确的结果，而且会耗费大量的时间和精力。

3）形象、直观。GEOPAK Site软件通过建立三维模型能够很直观的展现出开挖过程及开挖成果，便于设计者观察分析。

4）便于优化设计。软件所提供的编辑功能和强大的可视化功能，能够快速展示设计成果，通过修改建筑物边界、开挖坡比等参数，可以方便快捷的进行优化设计。

三维协同设计代表着最新的设计理念和先进的设计水平，将GEOPAK Site软件运用到水电工程的施工组织设计中来，能够高效、准确的进行场地开挖、工程量计算、场地三维可视化及方案优化工作，整体提高施工组织设计水平。

［参考文献］

［1］赵伟，张翔宇.MicrostationV8中文版实用手册［M］.北京：清华大学出版社，2002.

［2］孙程.基于三维GEOPAK SITE的三维开挖辅助设计［J］.人民长江，2013，44（17）：26-28.

［中图分类号］TV512

［文献标识码］B

［文章编号］1002－0624（2016）05－0018－02

[收稿日期]2016-01-19