基于GEOPAK Site的三维开挖辅助设计

何 强

（湖南省水利水电勘测设计研究总院 长沙市 410007）

1 概 述

开挖图的设计一般是在二维CAD平台上进行，借助类似ZDM插件来完成的，对于建筑物结构和所处场地较为简单的工程，这种方法能够给出良好的设计成果。但是，对于建筑物结构和所处场地均复杂的水电工程而言，该法难以取得令人满意的效果；同时在设计过程中，需要设计者具有较强的三维空间想象能力，加重了设计者的负担，使得开挖图的绘制耗时耗力。

GEOPAK Site是一种适用于工程基础项目设计的有力而完善的工具，如设计各类建筑场地、水坝、料场、停车场、弃渣场的相关场地设施、工厂的场地、排水系统等。其优秀的内部算法和对计算机运算能力的充分应用，有效地减轻了复杂场地开挖图设计的负担。

本文借助GEOPAK Site强大的三维场地运算分析能力，对毛俊水库工程进行三维开挖辅助设计，整个设计过程相对于传统设计方法较为轻松和准确，取得了较好的设计成果。限于篇幅，本文以毛俊水库工程中开挖难度最大的首部枢纽为例，介绍GEOPAK Site辅助设计开挖过程。

2 工程简介

毛俊水库工程坝址位于湖南省永州市蓝山县湘江二级支流、舂陵水一级支流俊水中下游，是一座以灌溉为主，结合供水、兼顾发电等综合利用效益的大二型水库。

2.1 枢纽建筑物

本工程建筑物包括拦河大坝、水库电站、渠首电站等。

枢纽建筑物的三维模型如图1所示。

图1 毛俊水库枢纽建筑物模型

2.2 枢纽区地质

坝区内出露地层较简单，主要为寒武系地层及泥盆系地层，主要由灰绿色浅变质石英砂岩、长石石英砂岩夹板岩、炭质板岩，暗紫红、灰白色中厚层石英细砂岩夹（互）粉砂岩，与上游的寒武系地层呈角度不整合接触关系。

3 GEOPAK Site辅助设计

基于GEOPAK Site的开挖辅助设计主要流程有：①三维地形建模；②开挖边界提取；③确定开挖原则、方案；④GEOPAK Site进行开挖及优化设计；⑤成果整理出图。

3.1 地形建模、边界提取

GEOPAK Site提供了多种数据接口，既可根据文本地形点信息生成三维地形图，也可通过平面CAD地形及数字标高图生成三维地形。

毛俊水库工程根据测绘专业提供的平面CAD地形图提取GEOPAK Site所需的三维地形信息，生成记录地形空间几何信息的dat文件。特别需要注意的是，在地形提取之前的单位设置问题，通过反复实践CAD到GEOPAK Site的数据转换过程，笔者有以下经验可供参考：

（1）原始的dwg格式文件，不存在单位设置，而只默认了10000像素/单位的设定，而GEOPAK则有单位的设置，因此，在提取之前，应将CAD中的图形单位设置成“米”，再新建一个10000像素/米的GEOPAK种子文件与其对应，最后进行提取工作。

（2）对于国外工程较多以英寸为单位，此时在CAD中图形单位要设置成“英寸”，GEOPAK Site中的种子文件保持对应。

（3）若使用其他手段获取地形数据，则应事先了解清楚其记录数据所使用的单位精度，避免出现不一致的情况。

通过以上设置，即可保证地形信息在转换时准确无误。得到毛俊水库整个工程区域的三维地形图，如图2所示。

地形提取完毕后，根据建筑物的布置情况，在地形图中确定开挖边界。为了便于在后续的开挖过程中，直观地观察开挖情况，建议开挖边界按实际开挖高程绘制。

3.2 进行开挖及优化设计

根据工程区域的地质条件，坝址区两岸山坡坡脚和河床中均有基岩零星出露，地质条件较好，开挖坡比多选择1∶0.5。开挖成果见图3。

图2 原始三维地形图

图3 三维开挖成果图

大坝左岸边坡原设计开挖方案为从各坝段底部高程起，采用1∶0.5的坡比放至地面，每10 m设一级马道，马道宽度按2 m设计。因二维表达方式的局限性，原CAD中绘制出的开挖图与实际情况相去甚远。

在使用了GEOPAK Site进行设计之后，形成的三维开挖图如图4所示，因为是三维模型，设计人员可以非常直观的进行工作，可以在保证马道设计宽度的前提，绘制出完全拟合原始地形的开挖线。

在开挖设计过程中，使用Volumes工具条对开挖工程量进行了实时监控，如图5所示，因为是基于三维模型进行的开挖设计，统计出来的数据是基于三维空间点位形成的网格体进行的运算，准确度相较于网格面划分法要精确许多。

图5 自动统计挖填方量

可以根据设计需要进行开挖方量的分层统计，对于优化设计参数以及为施工专业提交开挖方案提供了参考依据。

开挖方案初步确定之后，通过DrainageTools工具条，对开挖区域进行了排水分析，如图6所示，为开挖区域截水沟布置提供依据。

图6 开挖区排水分析界面

3.3 成果整理

GEOPAK Site开挖完毕之后，需要进行成果整理：

（1）更改显示样式，使平面图符合常用二维图面显示习惯，如图7所示。

（2）切取所需开挖剖面图，因为GEOPAK Site储存了三维开挖的所有信息，所以可以在任何所需位置切出开挖剖面图。

图7 二维显示模式下的开挖平面

（3）进行相应尺寸、高程标注，只需要进行一些尺寸标注和文字说明，将保存的视图参考置图框之中，即可出图。

4 结语

在运用GEOPAK Site进行毛俊水库工程开挖图辅助设计的过程中，笔者发现该设计过程有如下几点优点。

（1）准确、高效设计。通过软件自身算法与计算机运算能力的结合，在保证开挖中各种边界线、坡线准确性的同时，使得开挖设计过程更加高效。

（2）开挖自动化程度高。开挖图的传统绘制过程中，对于放坡边界线往往需要人工计算，即便是借助ZDM等插件也难以放出高程渐变坡底线的坡顶线，GEOPAK Site则能够通过需要的参数自动进行这些工作，将设计者从繁琐的计算中解放出来。

（3）便于优化设计。通过修改放坡坡比参数能够即时查看放坡边界、工程量、开挖剖面情况，相较于传统方法，更便于优化设计。

（4）成图方便。传统绘图方法，往往需要设计者同时画出开挖平面图、开挖剖面图，而GEOPAK Site辅助设计过程中，平面开挖图、剖面开挖图均可在GEOPAK Site中自动生成，仅需适当标注即可满足设计出图要求。

（5）施工级深度设计。设计后的模型，可以在GEOPAK Site中进行一些列的分析计算，结合施工方案进一步优化设计。