CAD三维立体建模在导流洞贯通测量中的应用

郑红玺

（大唐宾川水电有限责任公司，云南 大姚 675400）

CAD三维立体建模在导流洞贯通测量中的应用

郑红玺

（大唐宾川水电有限责任公司，云南 大姚 675400）

利用CAD三维立体建模再剖切断面的方式，在导流洞开挖放线过程中，根据掌子面推进情况，在已建模的CAD图形中提取放样点坐标，然后对导流洞下一循环掌子面设计开挖断面放线，减少测量外业的计算步骤，简化计算，提高效率，杜绝测量工作中不必要的人为错误，提高施测精度。利用三维立体建模的整体性可以很好地编制工程的施工测量方案，并且根据施测过程中的数据和三维实体结合，及时整改和优化施测方法，发现施测过程中的错误，减小导流洞贯通测量误差。洞身开挖过程中根据外业采集数据与三维实体结合可以直观看出导流洞的超、欠挖情况，精确快速计算不规则断面的超欠挖工程量，加快测量放样速度。

CAD三维建模；导流洞；贯通测量

1 概述

随着测量设备的更新发展，越来越先进的全站仪三维测量放样设备已被广泛应用于工程领域。结合计算机应用的普及，采用AutoCAD软件制作的三维立体图也逐步地在建筑工程行业得到广泛应用，CAD三维建模技术已在生产实际中发挥了巨大的作用；随着计算机科技的发展，计算机性能的提升，CAD三维建模技术已经越来越多地被许多公司采用，应用于各领域的绘图设计。

以往，受计算机性能等因素的限制，大部分绘图软件基本上只能进行平面设计，欠缺真实感，部分三维立体建模通常只应用在施工组织效果图上。而CAD立体绘图则突破了这一局限，各工具界面的绘图和绘图辅助功能比较全面丰富，如实体绘制、实体编辑、建模、标注、视图转换、旋转观察等，它的菜单、对话框、工具栏、文本编辑、信息交换、预览、图像处理等功能均给用户绘图带来很大方便。令设计蓝图更加实体化，三维功能可方便地进行建模和渲染，三维图纸绘制也更加能够表达出2D平面图纸无法绘制的曲面，能够更充分表达设计人员的意图。

2 三维立体建模技术原理及应用

2.1 技术原理

利用CAD三维立体建模技术，绘制导流洞洞身三维模型，在对导流洞开挖放线过程中，根据掌子面推进情况，在已建模的CAD图形中提取放样点坐标，然后对导流洞下一循环掌子面设计开挖断面放线；通过在地形图上构建三角网方式构建三维实体地形，利用开挖前后两次的三维实体地形来完成开挖工程量计算。

2.2 关键技术应用

（1）利用CAD三维立体建模技术来完成复杂建筑物的施工测量工作，简单、方便、易操作。可以避免测量工作中不必要的人为错误。

（2）利用CAD三维立体建模技术来完成较复杂地形地貌的开挖工程量计算，计算简便快捷，精确度较高。

3 三维立体建模技术在工程中的具体特点和实践依据

在水利水电工程施工测量中，坐标放样通常都是由测量专业技术人员使用计算器进行编程，校核数据后进行现场放样；在导流洞工程施工放样中，对于一些特殊部位异性结构的编程往往比较困难，如洞身结构、进口渐变段、出口挑流鼻坎等型体特殊的构筑物，采用传统的计算器编程、计算方式，不但耗费较长的时间，而且发生错误概率较大，往往需要多人对同一个程序进行反复校核，经现场实际实施统计部分渐变段异性结构在编程过程中需要专业测量技术人员进行2～3 d的程序编写、校验。在施工测量中运用CAD三维立体建模技术，按照图纸结构尺寸绘制三维图，彻底解决了施工测量放样中计算复杂及工程量计算误差大的问题。不仅提高了效率、保证了施测精度，而且节约了成本、为测量人员减少了不必要的麻烦。同时，三维立体图也可以在施工中起到直观的指导作用，在后期的工程量计算过程中直接使用查询等命令，可快速查询相应工程量。在以往的水利水电工程中，遇到大型开挖、混凝土工程量的计算时，通常都采用剖面法进行带状工程部位的工程量计算；对于封闭的区域则采用网格法进行计算。这次，我们也尝试在建模和施测、实测过程中将数据叠加差集，在需要进行出具某部位工程量的时候，直接切割测量即可，简单、快捷、精确。

这次我们在导流洞施工中，采用三维立体建模技术绘制三维图，在测量放样实施过程中结合计算器编程进行效验，探索和验证三维立体建模在导流洞贯通测量中的应用。

在三维立体建模绘图中我们利用UCS命令，通过命名（ucsman）把WGS坐标系转换为独立的施工坐标系，这样所有数据和提取点的坐标便可直接作为施工坐标应用；图1为未做消隐处理的导流洞进口渐变段三维线框图。

图1 导流洞口渐变段三维线框图

在导流洞工程中，对规则有序部位的放样，如洞身段，使用三维动态观察器（3dorbit）命令任意旋转查看三维实体，在使用着色命令（Shademode）就可以查看三维实体的着色面或内部三维线框，然后使用查询命令（id）进行查询，就可以准确得到需要放样部位的坐标点的三维坐标。对于进口渐变段、出口挑流鼻坎等异形建筑物，需要提取坐标时，假定X桩号一定，需要用测量的Y桩号推求对应的高程H，则可以利用现有的三维立体图，使用剖切（Slice）命令，沿着垂直于X轴与Y轴构成的平面并且包含有测量点Y桩号的任意不在同一直线上的三点进行剪切，利用查询（ld）命令则可查询其对应的H高程，解决施工放样中难计算的构筑物的坐标及高程。

在内业工程量计算中，对于进口渐变段、出口挑流鼻坎等复杂型体的开挖量和混凝土浇筑量计算时，利用三维立体建模技术可以方便、快捷、准确的计算。在绘制三维立体模型完成后，要计算某实体模型的体积，首先选中实体，利用CAD中（MASSPROP）命令可以方便求得复杂型体的体积。

CAD三维建模技术成功应用于导流洞贯通测量后，在后续复杂建筑物的施工测量中也得到了广泛的应用。在施工测量中运用三维立体图形技术，极大地解决了施工测量放样中计算复杂和工程量计算误差大等问题，提高了效率、保证了施测精度，而且节约了成本、为测量技术人员减少了不必要的麻烦。

4 三维立体建模技术在导流洞工程中应用的目的和意义

复杂建筑物施工测量的外业计算复杂、易出错，内业工程量计算繁琐，利用CAD三维立体建模配合全站仪进行施工放样可以简化外业繁杂的计算、提高施测效率、保证施测精度，根据已完成测量工作的外业数据与立体模型比对，可以直观的反应出施测过程中的错误，及时调整和优化施测方案，对测量误差有很好的预见性。

本次研究应用对象为导流洞工程，利用CAD三维立体建模再剖切断面的方式对导流洞掌子面设计开挖断面放线，以减少测量外业的计算步骤，简化计算，提高效率，杜绝测量工作中不必要的人为错误，提高施测精度。利用三维立体建模的整体性可以很好地编制工程的施工测量方案，并且根据施测过程中的数据和三维实体结合，及时整改和优化施测方法，及时发现施测过程中的错误，减小导流洞贯通测量误差。洞身开挖过程中根据外业采集数据与三维实体结合可以直观看出导流洞的超欠挖情况，能够精确快速计算不规则断面的超欠挖工程量。

5 三维立体建模技术的优势

5.1 施工放样时间上的优势

利用三维建模技术辅助施工测量和传统施工测量技术流程对比见图2、3。

图2 利用三维立体建模技术辅助施工测量流程图

图3 传统施工测量技术流程图

利用三维立体建模技术辅助施工测量可节约时间60%左右，直接提高了测量人员的工作效率，为施工中后续工作节约了时间，为工程减少测量人员投入和为加快施工进度创造了有利条件。

在导流洞开挖施工中，从测量放线、打钻、爆破、出渣一个工作循环需要12 h，其中每个工作循环测量放线环节需要耗时80 min，利用三维立体建模技术辅助施工测量每个工作循环可节约时间48 min，每月按30 d（60个工作循环）计算，可在原有基础上可增加两个工作循环。在本工程施工高峰期时每月产值750万元，每12 h产值为750÷60=12.5万元，利用三维立体建模技术辅助施工测量每月可以为项目增加产值12.5×2=25万元。

图4 进口渐变段三维立体模型1

图5 进口渐变段三维立体模型2

图6 进口渐变段三维立体模型3

图7 导流洞0+015断面

表2 导流洞0+015断面坐标表

5.2 简化计算、减少人为错误的优势

由传统测量技术流程图可知，传统测量技术步骤较多，耗时较长，过程中最容易出现错误的地方有计算器程序编制错误和现场利用计算器计算放样参数错误；而利用三维立体建模技术辅助施工测量时省去了其中繁杂的计算过程，大大减少了测量放样过程中的人为错误。传统施工测量技术在进行复杂型体建筑物放样时准备工作较为繁琐，现场放样时计算复杂、步骤多、容易出错，而利用三维立体建模技术进行复杂型体建筑物放样时计算简单、易操作，只要三维立体模型绘制标准，就可对复杂型体的建筑物进行快速放样。

CAD三维立体建模技术已在导流洞施工测量过程中成功采用，利用此技术快速、简便的施工放样和工程量计算为导流洞工程的测量工作顺利开展起到了很大作用。

6 总结

通过这次应用三维立体建模技术相比传统计算施测可节约时间60%左右，直接提高了测量人员的工作效率，为施工中后续工作节约了时间，为工程减少测量人员投入和加快施工进度创造了有利条件，节约了项目固定成本。

此次CAD三维立体建模技术在导流洞施工测量中应用较为成功，根据施测过程中的数据和三维实体结合，及时整改和优化施测方法，及时发现施测过程中的错误，减小导流洞贯通测量误差，同时能够精确快速计算不规则断面的超欠挖工程量，对类似的工程项目有一定参考意义。

（责任编辑：刘征湛）

Application of CAD 3D model in transfixion survey of diversion tunnel

ZHENG Hong-xi
(Binchuan Hydropower Co.,Ltd.of China Datang Corporation,Dayao 675400,China)

CAD 3D modeling was completed before the sectional drawings are extracted.In the course of diversion tunnel excavation,the coordinates of setting-out points were extracted from the CAD drawings according to the advancing progress of heading face,which permits less field survey works,simplified calculation,higher efficiency and construction survey accuracy,prevents human mistake.The integrity of 3D model is helpful for the drafting of construction survey scheme.By combining the field measurement data with 3D entity,survey methods may be corrected or optimized timely;measurement mistakes may be found out;transfixion survey error of diversion tunnel may be reduced;excessive or insufficient excavation become visual;accurate and quick calculation of excavation quantities for irregular profiles is possible,so as to accelerate survey setting out speed.

CAD 3D model;diversion tunnel;transfixion survey

TP391.72

B

1003-1510（2016）06-0060-04

声 明

《广西水利水电》编辑部

2016-09-01

郑红玺（1982-），男，甘肃民乐人，大唐宾川水电有限责任公司工程师，学士，主要从事水利水电工程技术管理工作。

本刊已许可中国学术期刊（光盘版）电子杂志社在中国知网及其系列数据库产品中以数字化方式复制、汇编、发行、信息网络传播本刊全文。该社著作权使用费与本刊稿酬一并支付。作者向本刊提交文章发表的行为即视为同意上述声明。