基于3DE二次開發下的水利水電工程渣場三維正向設計研究

莫 奎, 黃 昌 龍, 楊 玉 川, 何 富 剛

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司,四川 成都 610072)

0 引 言

隨著數字化技術的不斷發展,水電工程施工總布置規劃三維正向設計已成為行業發展的必然趨勢。渣場規劃是施工總布置設計的核心內容[1]。鐘登華[2]提出了施工總布置三維動態可視化圖形仿真演示方法,為施工設計與管理者的決策分析提供更為立體的信息支持;高飛[3]基于Autodesk Civil 3D軟件進行棄渣場水土保持設計,利用軟件得到渣場真實邊界,并快速計算出土方工程量;繆正建[4]使用三維設計軟件,采用復合體積法計算土方量,實現施工渣場的三維可視化表達?？梢钥吹?國內水電工程三維施工總布置設計應用已取得一定成果,基本可實現施工渣場三維正向設計。但隨著信息化水平的不斷提高,三維施工總布置發展面臨施工仿真、智能建造等更高設計要求,協同設計、施工管理等功能需求不斷加大。3DE平臺具有復雜曲面的構造能力和參數化設計的優勢,同時平臺集設計、仿真、管理于一體,為工程設計管理提供了便捷高效的協同環境[5]。

基于3DE軟件自身的OTB功能和CAA二次開發功能,研發基于3DE的施工總布置渣場設計系統。該系統通過定制圖形化界面和交互式操作,可實現快速高效的渣場三維參數化建模、渣場容量自動計算、渣場填筑工程量統計等功能,從而為渣場三維正向設計提供新的設計工具。

1 二次開發技術路線

施工總布置是一個融合場內交通規劃、砂石料源選擇、土石方平衡設計和主體工程施工等內容的抽象設計過程。施工渣場三維設計不僅需要根據工程特點建立三維模型,更為重要的是通過模型信息得到設計參數,進而快速分析得到目標堆渣位置容量、渣場最終填筑高度、不同時段工程面貌等特性?；谝陨蟽热?渣場設計二次開發共有優化渣場設計范圍、確定渣場控制邊界、創建三維渣場模型和渣場填筑施工管理四大功能,渣場設計二次開發技術路線見圖1。

圖1 渣場設計二次開發技術路線

2 系統設計

利用3DE平臺自身的OTB功能和CAA二次開發功能,基于二次開發技術路線,開發了渣場設計系統,該系統主要包括設定渣場范圍、創建填筑輪廓線、渣場填筑計劃與管理、渣場填筑量試算、參數管理等內容。渣場設計功能列表見圖2。

圖2 渣場設計功能列表

2.1 結構樹搭建與數據管理

在水利水電工程3DE平臺協同設計中,各專業模型建立在項目站點下,三維模型節點見圖3,渣場模型以“零件”節點建立在結構樹上。使用“創建參數”命令在渣場零件中建立參數集,以標識該零件為渣場,根據場地的用途不同,子類別設有存(棄)渣場、轉存料場、表土堆存場等。軟件可以通過遍歷結構樹上零件的標識參數快速定位于該零件,并獲取零件的模型特性,反饋給用戶該渣場堆渣容量,場地面積,用地范圍等信息。

圖3 三維模型節點

2.2 渣場地形創建

施工渣場相對于整個施工總布置模型而言規模較小,不需要整個水電工程范圍的地質信息。因此,渣場設計的首要工作是精準定位,縮小地質模型設計范圍,以減少計算機處理工作量。

該設計系統通過“設定渣場范圍”命令,創建多邊形地形區域,與項目地形進行布爾運算,快速生成目標區域的小范圍地形曲面。渣場地形創建交互流程見圖4。

圖4 渣場地形創建交互流程圖

2.3 堆渣腳線與填筑輪廓線創建

根據《水電工程渣場設計規范》(NB/T 35111-2018)[6],渣場設計應根據地形地質條件,渣場規劃容量,棄渣運距等因素綜合確定。渣場選擇位置應避開不良地質段,不應涉及河道、溝道行洪安全,不能影響人民群眾生命財產安全,且不得布置于法律規定禁止堆存的區域。根據上述原則,可以規劃渣場堆存的合理邊界范圍。開發程序遵循以上原則,利用3DE軟件的OTB功能建立堆渣腳線。利用程序開發功能在堆渣腳線上建立填筑邊坡輪廓線,填筑輪廓線可手動輸入邊坡坡比、邊坡高度、馬道寬度等特征參數,也可通過Excel批量導入。進而利用堆渣腳線、填筑輪廓線與地形面可進一步生成渣場模型。

2.4 堆渣腳線與填筑輪廓線創建

該系統的堆渣料試算模塊可根據用戶的輸入條件創建過渡模型,基于用戶選擇計算類型反饋相關信息。用戶需要輸入的信息有渣場地形面、堆渣腳線、填筑輪廓線以及計算方式,該試算模塊具有根據堆渣量計算堆渣高度或根據設定堆渣高度計算對應堆渣量兩種功能。

2.5 堆渣計劃與管理

該模塊利用輸入條件能夠創建月度填筑計劃、查看不同時間點渣場堆渣面貌以及月堆渣量等。渣場用戶可根據系統反饋結果,實時調整設計參數。模塊需要輸入的參數是堆渣腳線、渣場地形曲面、填筑輪廓線、月度堆渣計劃表等信息。月度堆渣計劃三維模型將會在窗口中進行展示。最終規劃設計完成后,系統可輸出場地面積、區間堆渣量、區間邊坡面積、馬道長度等信息表。

2.6 渣場合并

在水電工程中,常出現渣場分多個平臺布置的情況,即一個渣場會在另一渣場平臺高程開始堆渣。針對這種類型的渣場,開發了渣場合并模塊,通過對多個子渣場進行合并,能夠計算并導出合并后渣場的堆渣量。該模塊輸入的條件是需要合并的各個子渣場。交互流程圖見圖5。

3 工程應用

3.1 工程簡介

開發設計系統應用于西南地區某水電工程渣場設計,該水電站地處高山峽谷地區,渣場及場地布置極其困難。該工程在位于水電站下游左岸,距壩址約5.0 km處規劃一攔溝型渣場。根據地形條件和后期渣頂布置情況,由溝口向溝內依次分區布置棄渣區和回采區兩個大區。根據土石方平衡計算,該渣場棄渣區堆渣容量需求為900萬m3,回采區容量需求為345萬m3。

3.2 渣場模型創建

通過創建渣場地形模塊,將設計需要的地形范圍縮小至規劃水溝范圍,設定渣場范圍見圖6。

圖6 設定渣場范圍

利用軟件OTB功能創建渣場堆渣腳線,基于堆渣腳線創建填筑輪廓線,邊坡參數從邊坡Excel模板表中導入,創建填筑輪廓線見圖7。

圖7 創建填筑輪廓線

利用渣場容量試算模塊,對創建的棄渣區堆渣腳線及坡面線進行堆渣容量試算,渣場容量試算見圖8。若要滿足堆渣容量約900萬m3,渣場填筑高度為151.8 m。按上述步驟生成渣場回采區,若要滿足堆渣容量約345萬m3,渣場填筑高度45.3 m。根據試算結果,創建渣場模型。

圖8 渣場容量試算

通過Excel將土石方調運規劃導入程序月度堆渣計劃中,計算出每級馬道高程處場地面積,堆渣量等信息,并生成預覽模型,渣場填筑設計與管理見圖9?？蓪⒂嬎憬Y果導出為Excel二次處理,堆渣計劃表見表1。

表1 堆渣計劃表

圖9 渣場填筑設計與管理

利用渣場合并模塊,可將上述棄渣區和回采區兩子渣場堆渣信息合并,進行統一堆渣規劃設計,渣場合并見圖10。

圖10 渣場合并

基于上述步驟,完成了完整的渣場三維正向規劃設計,通過三維模型可快速生成堆渣參數,為施工總布置設計提供數據支撐。

4 結 語

利用CAA程序語言對3DE平臺進行了二次開發,滿足施工渣場三維正向設計的要求,并進行了實際工程應用。主要結論如下:

(1)3DE平臺在曲面處理、施工管理等方面具有一定優勢,通過程序運算可快速與地形信息進行布爾運算生成渣場模型。開發了渣場設計系統,主要命令包括設定渣場范圍、創建填筑輪廓線、渣場填筑計劃與管理、渣場填筑量試算、參數管理等。滿足施工渣場三維正向設計基本需求。

(2)通過對某水電工程渣場設計進行應用,初步得到棄渣區渣場填筑高度為151.8 m,回采區渣場填筑高度為45.3 m,并進一步生成了三維模型與堆渣計劃,為施工總布置設計提供數據支撐。

(3)所開發的系統可以在水電工程施工總布置設計全生命周期中進行推廣應用,包括效果呈現、前期規劃、施工設計以及后期監測等方面。