CAD建模技术在工程计量管理中的应用

李　敏

(四川凉山水洛河电力开发有限公司，四川 成都　610041)



CAD建模技术在工程计量管理中的应用

李敏

(四川凉山水洛河电力开发有限公司，四川 成都610041)

Auto CAD作为一套强大的辅助设计软件，不仅拥有强大的平面设计及制图能力，而且其精确的三维建模功能亦受到越来越多用户的欢迎。目前，三维建模功能亦越来越强大，模型不仅能直观真实地再现场景，其坐标和高程均可采用大地坐标，给人以身临其境的感觉；正因为此，AutoCAD在工程计量方面也有着其独到的特点和精准度。

autoCAD建模；工程计量；建模方法；主要问题；优缺点比较

1　概　述

传统的工程计量在水利水电工程中大多采用近似计算的方法，如传统的土石方测量采用断面平均法；现在已经发展为采用专业测绘软件土石方开挖工程量；其计算的过程和精度均有大幅度的提高，然面对设计复杂、不规则体型结构的计算，其断面中的设计线则难以确定，这样也就难以保证计算结果的正确性，如利用简化计算求解不规则喇叭口结构混凝土工程量，计算结果繁复，也不直观，且计算结果与真实值偏差较大。

AutoCAD建模技术已经在工程管理中发挥着越来越多的作用，包括方案设计，施工组织管理等；然而利用AutoCAD模型属性中包含的独特参数来解决复杂体形的计量问题，却更为方便和直观，如水工建筑物中常见的喇叭口、椭圆锥坡、杻面，厂房中的蜗壳、尾水管等结构混凝土工程计量；更值得一提的是利用AutoCAD建模的方式来处理大规模的测量数据，对原始地形地貌建模，形成土石方开挖实体的形状，然后仅通过查询及能获得精确的开挖工程量，使计量工作变得简单、快捷、精确而直观。

在AutoCAD中，模型有表面模型和实体模型之分，表面模型缺少体积质量等参数，而我们在工程计量中，大多是需要查询体积参数的，故，建立实体模型是我们需要重点掌握的技能。

在AutoCAD中，常见的规则的几何形状(如立方体、球体、圆锥体，棱柱等)的建模均比较容易掌握，其组合使用已经得到推广；因此，在本文中仅重点介绍水利水电工程中较复杂的异型结构的实体建模和用大量测量数字形成的地形地貌的实体建模的方法和技巧。

2　建模方法

理论上，所有的复杂结构都是由若干简单的形状组成，因此，学会使用基本的三维操作命令，并加以合理组合和加减运算等，是三维建模学习的基础，正确理解图形，掌握基本操作命令并灵活使用是关键。

2.1复杂结构的建模技巧

2.1.1灵活设置用户坐标

在大地坐标的基础上确定建筑物的主轴方向及高程，但对结构物来说，它存在各个方向上的不同的主平面，在建造模型时，要根据需要变换用户坐标，是非常重要的。

2.1.2重要命令的组合使用

拉伸、剖切、布尔运算、放样、旋转等是建模中常用的重要命令，配合坐标变换等，可以解决大部分较复杂的结构物的建模问题。

紫平铺的2号导流洞进水塔及渐变段结构模型，如图1，进口水平向和竖直向均为不同参数的椭圆曲线；渐变段则由城门洞型渐变为马蹄形断面，主要通过拉伸、剖切、布尔运算来实现。

紫平铺工程右岸为高边坡(图2)，除了右岸全部的结构物外，最终的地形地貌根据设计蓝图标识的尺寸和坡比复原出来，主要通过“剖切”命令即可实现。

印尼ASAHAN NO1电站蜗壳、尾水管结构(图3)，蜗壳轴线在水平面上转弯，为非圆形轨迹，同时，蜗壳直径不断减小；而尾水管的断面自上而下，断面由圆形渐变为圆台，继续变宽同时变窄，最后变为竖直的大方孔，轨迹由竖直变为水平，最后斜向上行。该结构为水利水电中复杂结构的代表，最快捷的实体建模方法是采用空间“放样”的命令来实现。

图1　紫平铺工程2#导流洞进水塔结构模型

图2　紫平铺工程右岸设计边坡模型

图3　印尼ASAHAN NO1工程蜗壳、尾水管结构模型

印尼ASAHAN NO1导流洞的封堵和引水隧洞的开挖衬砌段结构(如图4)，原有的导流洞与引水洞轴线空间交叉，断面的形状和大小均不一样，有部分混凝土拆除和扩挖；引水洞要重新衬砌，而导流洞则要封堵回填，该部分工程量的表达则主要使用多次且不同方向的空间拉伸，同时按照设计图纸要求构造扩挖补强段模型，然后配合多种多次的布尔运算来实现。

图4　印尼ASAHAN NO1导流洞的封堵和引水洞的衬砌段

2.2用测量数据对复杂地形地貌的建模

2.2.1测量数据的展点

测量数据来源于各种测量仪器，现代测量仪器以“全站仪”为主，所测数据一般为坐标(X,Y,Z)的记事本文件，该数据可直接通过CAD软件或南方测绘(CASS)转换成测区的地形图，如，印尼ASAHAN NO1厂区开挖地形图(图5)测点展点后的平面图，据此，可以观察测区的地形地貌状况。

图5　印尼ASAHAN NO1厂区开挖地形图

2.2.2拉伸成实体

展点成图后，地形图和所有的测点坐标均可见，通过封闭的等高线可以生成地形地貌实体(等高线需作进一步处理，可选择使用)。另一种更简单有效的方法是关闭等高线等图层，打开三角网图层(三角网亦是地表形状的描述，其描述精度与等高线一样，取决于测点的密度)，同时选中所有三角网，沿竖直方向向下“拉伸”成柱体，然后选取“布尔运算合并”所有拉伸的柱体后，测区地貌实体模型即已完成(图5)。

2.2.3 绘制生成设计边坡

根据设计图纸在实体图中确定设计边坡的位置，坡比，坡面方向等参数，再顺着设计坡比，高程，马道宽度，坡面方向等参数“剖切”已生成的原始地形地貌，将其切分成两部分，一部分为保留的未开挖部分，另一部分即为被挖除部分，其体积即为开挖工程量，成型效果如下(图6)。

实际开挖计量中，还应涉及土石分界，超、欠挖工程量的情况，其处理原则同上，主要通过布尔运算的“差集”“交集”“并集”等命令可实现土石工程量的分解，完成超、欠挖工程量的模型，如厂房基坑实际超挖工程量模型(图7)。

3　需要AutoCAD建模解决的主要问题

3.1解决不规则形状几何体的精确计量

水利水电项目中，有许多复杂结构物无法通过初等数学的计算方法得到精确解，如：大部分泄

图6　印尼ASAHAN NO1厂区开挖后效果图

图7　印尼ASAHAN NO1厂区开挖后实际效果及超挖量

洪洞进口的水平断面、纵剖面均为椭圆曲线，有圆锥曲线，理论上必须用高等数学的方法才能精确求解混凝土的体积，其计算过程及其繁复，且容易发生错误，在过程计量中几乎无人使用，然，采用AtuoCAD建模的方式来解决过程计量，计算工程总量，则使问题变得轻松自如，手到擒来；不仅能达到精准的要求，而且有直观的形象。

3.2处理大量的测量数据，解决土石方精确计量问题

传统的土石方计量均采用断面平均法，这是一种近似计算法，它对外业的测量，和内业的数据处理均有较高的要求，工作繁复，耗时很长，容易产生错误，而且，正常的计算结果跟精确结果之间有较大的误差，有些误差可能超过10%。

现有使用较广泛的南方测绘软件(CASS)亦能快速的展点，并计算开挖工程量，然而，它能计算实际开挖的土石方量，而对设计断面较复杂的开挖量，却不易得到准确的得到设计工程量和实际超欠挖工程量，而且结果只展示断面，没有全局，不够直观。AutoCAD恰好能解决这些缺点，不仅快速，而且精准、直观。如印尼ASAHAN NO1项目厂区地面以上，边坡分多级边坡，坡面方向亦多次改变，厂房地面以下基坑的设计尺寸复杂，坡面更加复杂多变(图8)。

图8　ASAHAN NO1厂区地面上下的开挖体型实体图

4　AutoCAD计量的优缺点比较

将目前仍在使用的测量手段及处理方法进行一个简单对比(表1)后，认为用CAD建模计量存在的主要优点是，方便、快速、直观，精准、使用范围更广泛，但，复杂的结构在建模时需要全面识图，熟悉CAD的建模技术，存在一定的难度，故其推广和使用也受到一些局限。

5　结　语

表1　常用的计量测量方法与CAD模型法的比较表

图9　固滴水电站厂区枢纽布置图

Auto CAD作为一套强大的辅助设计软件，不仅拥有强大的平面设计及制图能力，而且其精确的三维建模功能亦受到越来越多用户的欢迎。目前，三维建模功能亦越来越强大，模型不仅能直观真实地再现场景，其坐标和高程均可采用大地坐标，给人以身临其境的感觉；正因为此，AutoCAD在工程计量方面也有着其独到的特点和精准度。AutoCAD建模的技能不仅在工程计量中有着独到的优势；且在工程管理中，包括复杂方案的设计，技术交底，特殊效果的演示等方面均得到较广泛的使用，如通过对四川凉山水洛河固滴水电站厂区结构物模型(图9)的展示，大部分非专业人员亦能轻松读懂项目，更能从图中直接查看所需要的各种参数。

(责任编辑：卓政昌)

2016-07-06

N945.12； F407.9；TB9；C93

B

1001-2184(2016)04-0141-05

李敏(1973-)，男，四川苍溪人，高级工程师，从事水电站建设管理工作.