不同BIM 软件在溢洪洞泄槽边坡开挖中的应用.pdf

刘水辉（新疆兵团勘测设计院（集团）有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830000）摘 要文中以溢洪洞泄槽段为例，介绍了Civil 3D软件在水工建筑物中的应用，采用Civil 3D软件进行泄槽梯级圆弧边坡及马道的优化处理，在创建曲面、边坡优化、工程量计算等方面比传统二维作图更加简便；运用Inventor软件进行城门洞模型建立，实现了Civil 3D软件和Inventor软件模型曲面的协同工作，为设计人员提供建模参考。关键词Civil 3D；泄槽；边坡开挖；曲面模型；Inventor中图分类号 TV651.1文献标识码B文章编号 10020624（2023）08001804不同BIM软件在溢洪洞泄槽边坡开挖中的应用0 引 言Autodesk Civil 3D 软件近年来在水利行业运用较为广泛，在坝体选址、土石方量计算、线性工程轮廓线开挖等方面较为便捷。张启明1以平原水库为例，介绍了Civil 3D软件在水利水电工程施工中的应用，进行了多方案优化比选、工作效率、工程量计算等工作；龙潜等2着重介绍Civil 3D和Infraworks在水利工程三维设计中的应用流程，渲染设计开挖后的地形面貌；陈瑞华等3采用 Civil3D软件及其附属功能，研究了参数化大坝模型在坝址坝型比选中的应用，直观表达地形变化情况；叶晓文4通过 Civil 3D 预设放坡到相对高程和距离，生成了多级放坡曲面，并求了两个地形曲面的零线，得到了两个曲面的曲面交线，最后通过曲面粘贴功能形成设计曲面；韩旭5在溢洪道设计中通过 BIM 技术的运用，实现修改联动，避免修改出错，提高设计效率；王倩6采用Civil 3D软件，以开挖后的三维模型为基准，对厂房高边坡进行了设计分析。从以上文献中可以看出Civil 3D在水利工程建模中运用很广，但也存在较多问题，大多是简单地阐述了该建模软件的运用，创建曲面、放坡、部件编辑器等等，高边坡的梯级圆弧设计中棱角太多，并不光滑，视觉效果较差，创建地形曲面的方式单一。BIM技术是Autodesk公司在2002年率先提出并被广泛应用7，文中采用其Civil 3D软件对新疆某水利枢纽工程溢洪道的边坡进行开挖，在开挖过程中对多级边坡的建模细节进行阐述。常规采用边坡创建工具，运用高程、相对高程、距离等工具进行放坡，本文采用添加特征线的方式对溢洪道的边坡进行开挖，最终通过曲面粘贴与地形曲面形成设计曲面，实现了高边坡多级开挖；运用Inventor建模软件建立城门洞模型，实现两种BIM软件之间的实体交互，达到与施工图阶段相适应、与实测地形相结合的边坡开挖效果；探讨在Civil3D 中如何使用特征线实现多级边坡场地的设计及圆弧马道和边坡的优化处理。1 工程概况某水利枢纽工程由挡水建筑物、泄水建筑物、发电引水建筑物等组成。表孔溢洪洞布置在右东北水利水电工程施工2023年第8期 18岸，位于导流洞与中孔泄洪洞之间，采用开敞式进水口，主要由进口引渠段、控制段、无压洞身段、泄槽段、出口挑坎段组成。文中以泄槽段边坡开挖为例，展示BIM软件的开挖效果，项目设计原始地形中最大高程为2 283 m，最小高程为1 975 m。采用多级边坡分级开挖，以1 0.3的坡度分级放坡，每级边坡高程差10 m，马道宽2 m，最后一级放坡至原始地形曲面。原始地形曲面如图1所示。图1 原始地形曲面本文以泄槽段边坡开挖为例，展示BIM软件的开挖效果。原始地形曲面的创建可以采用直接创建曲面、添加等高线、添加高程点等方法。图 1 采用Civil 3D软件对原始等高线进行编辑，创建地形曲面，选择等高线，实现了可视化的三维模型，在此模型中可以清楚看到地形起伏，开挖边坡大概位置及与其他建筑物的相对关系，是否有最大高程及最小高程不正常点，可以人为去掉不正常点，以优化地形曲面，达到设计曲面的要求。2 溢洪道边坡开挖应用2.1 开挖平面图此次开挖细节处理较为复杂，开挖边坡1 0.3，马道宽 2 m，马道与泄槽中心线有偏角，为斜马道。溢洪洞出口开挖平面图如图2所示。图2 出口开挖平面图2.2 创建边坡开挖曲面此次开挖采用特征线的方式，高度和斜率可调，在平面图中按照出洞口原坐标、原桩号、原开挖尺寸放线，绘制开挖轮廓线，并且赋予高程。值得注意的是，如果采用边坡工具进行放坡，Civil3D软件2012之后的版本只能近似放坡，不能水平和垂直放坡，比如1 999和1 0.001等，软件虽然在放坡方面做出了调整，但是在实际使用中并不影响建模效果，此次采用特征线开挖边坡，需要在三维空间中标注高程或者采用要素线连接。特征线绘制完成即可生成开挖边坡曲面。只需在创建曲面时选择添加特征线，创建完成的开挖边坡曲面需要和原始地形曲面相交，选取相交零线的最短距离进行裁剪，即生成设计开挖曲面。2.3 梯级圆弧高边坡处理方法在绘制圆弧梯级开挖过程中要注意画圆弧的方法，如果只是画圆弧，较为简单，3个节点即可，但是生成后的三维曲面并不圆滑，如图3中2号位置。可以做以下处理，将圆弧段打断分为若干段（比如50段、100段等），原理就是把有限的圆弧段无限划分，使得生成的三维曲面无限接近于圆即可。在图3中，同样的圆弧半径、高程，1号位置的圆弧打断若干段，其效果非常明显，2号位置的常规圆弧建模效果不够圆滑。生成曲面之后，通过对象查看器查看曲面是否完整有效，由图3可以看出，生成的三维模型3号位置（马道和开挖边坡）与实际不太相符，需要进一步优化。采用可编辑立体化建模的效果清晰，哪里有问题处理即可，简单高效清晰。2.4 建立设计曲面已生成的开挖边坡曲面并不是设计开挖曲面，需要对其进行裁剪，即将特征线生成曲面后导出为XML格式的曲面，导入提前生成的原始地形曲面，值得注意的是，在导入开挖边坡曲面时，要去掉原始数据的勾选，这样使得生成的曲面更加简洁直观。在开挖边坡曲面导入后，利用曲面分析功能图3 圆弧梯级边坡优化处理方法对比图2 038马道边坡2 0682 0882 1082 1282 1482 0882023年第8期工程施工东北水利水电 19求得原始地形曲面和开挖边坡曲面之间的轮廓线，先后采用原始地形曲面与开挖放坡曲面运算，然后在创建曲面中选择边界添加，设计曲面被裁剪出，如图4所示。图4 设计开挖边坡曲面求得设计开挖轮廓线后，得到设计开挖曲面，然后和原始地形曲面粘贴，得到新的曲面，至此多级边坡开挖模型完成，如图5所示。图5 地形曲面和设计曲面粘贴2.5 工程量提取土方工程量计算是取上部填筑模型曲面与原始地形曲面相交形成的封闭横断面为计算断面8，这种方法是无限接近体积面板分析方法。此次开挖过程中并没有采用横断面的方式，而是在边坡开挖和原始地形曲面创建完成后，利用Civil 3D强大的计算功能提取在原始地形上的边坡开挖量和填筑量9。在分析选项中，依次选择“体积面板”“创建新体积曲面”，并在对话框中选择“基准曲面”和“对照曲面”完成体量分析。“基准曲面”就是以原始地形曲面为基础平台，在该曲面上进行开挖方量的计算。Civil 3D软件计算结果精度较高，与手算结果基本一致，该软件可以用于水利工程中坝基开挖与坝体填筑的体量分析计算。3 Inventor软件建立城门洞模型Inventor软件是具有参数化建模的三维设计软件，在绘制单体模型方面功能强大，可以与Civil 3D互补运用。Inventor 软件本是机械设计中常用的三维设计软件，在水利水电中运用不多，零件库较少，起步也比较晚10，受山体地形等因素影响在水利行业中受限较大，但因其参数化建模大大减少了设计工作，软件可操作性强，与其他软件协同度高，近年来常和Civil 3D软件共同用于水工建筑物的模型设计。本文在泄槽边坡开挖后采用Inventor软件建立城门洞型出口与泄槽连接，在空间中使模型拼接起来建立城门洞和泄槽连接的三维模型，可以得到更加直观清晰的三维模型。如果后续有设计渲染要求，可以导出“.sat”格式，然后采用欧特克系列软件InfraWorks渲染工具进行优化处理，本文仅拼接 Inventor 软件建立的模型和 Civil 3D 边坡开挖曲面，达到更加直观的设计目标，为今后的设计工作提供视觉上的便利。此次模型底板高程2 079 m，顶高程2 095 m，洞宽 9 m，溢洪洞在山体内部，为暗洞，出口与泄槽连接。该城门洞模型建立在山体内部，因此大部分模型看不到，但可以看到出口与泄槽模型相接，视觉效果清晰，后续用作渲染效果更好。在建立Inventor模型时，要知道平面位置图的坐标，如果是()x，y坐标，在建模时也要选择适合的坐标建立草图，因为是在第三方向进行拉伸，所以要考虑空间效果，此次建立模型是选择()y，z坐标建立草图，在x方向拉伸，这样处理的模型在拼接时简化工作量，更加方便。4 模型拼接建模完成的城门洞模型导出为DWG格式，导出的模型只需粘贴至平面图原坐标处，赋予底板位置高程即是空间坐标，在CAD中复制到出洞口的空间坐标，再使其与泄槽完美衔接。图 6 是模型拼接之后的概念图，可以看出效果很清晰，泄水经过城门洞口流出至泄槽中，边坡开挖情况较好，与原始地形曲面粘贴契合度较高。5 结 语在同一建筑物设计中，不同设计人员的思路和想法不一致，建模手段也不尽相同，希望从Civil 3D和Inventor两种BIM软件的协同工作角度为设计人员提供一些建模参考和借鉴。1）从创建曲面的不同方法中选用特征线建立模型曲面、边坡开挖等；在创建梯级圆弧边坡开挖东北水利水电工程施工2023年第8期 20和马道设计中对圆弧的设计进行优化处理，使模型效果更加直观；采用原始地形曲面和开挖设计曲面粘贴为新的曲面，并提取开挖工程量，对设计工作者帮助很大。2）采用Inventor软件建立单体城门洞模型，放至原空间坐标与泄槽模型相衔接，不同曲面模型拼接效果较好，实现了不同建模软件的相互协同作用，在类似边坡开挖和建模积累了经验，给设计工作者提供了建模参考。参 考 文 献1张启明.Civil 3D在水利工程施工放坡开挖中的应用 J.西北水电，2017（3）：92-94.2龙潜，周宜红，张成.基于Civil 3D与Infraworks的边坡开挖模型的三维设计与展示 J.珠江水运，2017（24）：68-70.3陈瑞华，唐良川.Civil 3D在某工程坝址、坝型比选中的应用 J.云南水力发电，2023，39（1）：102-104.4叶晓文.Civil 3D在多级边坡场地设计中的应用 J.港工技术，2020，57（6）：57-60.5韩旭，张军军，李国宁，郭嘉.BIM在溢洪道工程设计中的简单运用 J.内蒙古水利，2022（1）：57-58.6王倩.运用Civil 3D软件对厂房高边坡施工方案的分析应用 J.吉林水利，2017（12）：57-59.7郝龙，杨莎莎，宋成年，傅少君，贺昌海.基坑开挖控制的BIM+3D GIS融合检测方法及应用 J.武汉大学学报（工学版)，2021，54（S1）：129-134.8周卫.Civil 3D软件在桑干河河道综合治理工程的应用J.山西水利科技，2022（2）：55-58.9郝永志.AutoCAD Civil 3D在新疆某水利工程设计中的应用 J.西北水电，2014（4）：104-106.10雷娜.Inventor三维设计软件在某除险加固工程分水闸闸施工图设计中的应用 J.水利科学与寒区工程，2022，5（8）：130-132.收稿日期 2023-03-01收稿日期 2022-10-31（上接第5页）图2 台阶式消浪结构设计洪水位波浪爬高示意图5 结 语上文通过数值模拟方法，研究多种有效工程措施抑制波浪爬高以降低坝顶高程、节省工程投资。矩形墩和梯形墩消浪护面结构形式均能有效降低坝高，但由于其自身结构形式缺陷，容易在矩形墩、梯形墩背水面堆积异物，整体性、可施工性较差，后期运营维护成本较高，不予推荐。而阶梯式消浪措施，适合人员的后期检修行走，且连续性、整体性、施工条件好，消浪效果优于其他方案，降低了坝顶高程，减少了工程投资。混凝土护坡在严寒地区能有效避免冰拔力、冰推力带来的破坏，阶梯式混凝土护坡在文得根水利枢纽已成功应用，为后续