三维可视化土石方计算在核岛负挖中的应用探讨

王利超+++吕学军++王福增

摘 要： 本文以某核电站核岛负挖工程为例，运用CASS和AutoCAD软件相结合的方式，实现了二维设计图纸与实测离散高程点数据基于实体建模和布尔运算的三维可视化土方量计算方法。以及如何运用该方法控制负挖精度、指导工程施工和减少超挖方量，最后，分别利用CASS软件中DTM法两期土方量计算功能和三维可视化土石方计算方法，对竣工实际开挖方量的计算精度进行了比较，验证了三维可视化土石方量计算方法的可行性。

关键词：三维可视化；实体建模；土石方计算

中图分类号：TD235 文献标识码：A

目前土石方方量计算的方法有很多种，主要是通过基于AutoCAD平台的土石方工程量计算软件进行。常用的方法有断面法、方格网法、等高线法、DTM法等。在实际生产应用中，不同土石方计算方法精度不同，适用范围也不一样。其中DTM模型法适用于所有的地形条件， 计算精确度相对较高，在生产中被广泛应用。但该方法缺乏直观性，无法满足复杂情况下大规模土石方工程的计算需要。

核岛负挖项目具有工期长、规模大、情况复杂、负挖高程要求精度较高等特点。原则上设计允许值之外的超挖部分不予计费，超挖越多，后期使用的替代混凝土越多，直接影响项目成本。所以如何准确、形象直观的计算土石方开挖方量、控制超挖方量就显得尤为重要。利用CASS软件中的DTM建模和AutoCAD软件中的实体建模、实体编辑、布尔运算、实体查询功能相结合的方式能够实现以三维可视化的方法进行以上计算。以下就以某核电站4号核岛负挖为例，对三维可视化土石方计算方法的应用进行探讨。

1.三维可视化的实现

实体建模技术是实现土石方计算三维可视化的核心，实体建模完成后，再利用AutoCAD软件中布尔运算和实体查询功能，就能够轻松实现土方量的计算。

1.1实体建模的定义及方法

在计算机中构造物体模型的过程称为建模，其中，建立实体模型的过程称为实体建模。实体模型能够完整地反映物体的所有形状信息，能方便地计算实体的各种物理属性，是目前运用最广泛的模型。AutoCAD软件中实体建模的基本方法有组合法、扫描法和实体编辑法3种。在实体建模中，将上述三类方法进行组合使用，以创建复杂的实体模型。

1.2利用实体建模技术实现三维可视化

核岛负挖项目中涉及根据设计图纸以及利用采集的離散高程点数据进行实体建模两种情况。项目的基坑设计图纸为平面二维图纸，要建立负挖三维模型，首先应将坡顶、坡底的相对标高或坡度比等信息进行转化，计算出各平台、交点、拐点在厂区施工坐标系下的标高H。其次，建立该工程的三维坐标系，即以厂区坐标系中的A、B、H分别表示三维坐标系中的X、Y、Z轴。最后，利用AutoCAD软件中的实体建模和实体编辑功能将设计的二维图纸转化为三维图纸，实现负挖建模，如图1所示。

在土石方工程开始前，首先应使用仪器采集场地的离散高程点数据用以建立原始地貌的三维模型。数据采集完毕后在CASS软件下使用“建立DTM”功能对采集的离散高程点数据进行建模，并通过人工干预的方式手动完善三角网，最后将建立的DTM转到AutoCAD软件中经过“绘图-实体-拉伸”以及“修改-实体编辑-并集”功能完成原始地貌三维模型的建立。建立的3、4号核岛原始地貌DTM及三维模型如图2所示。

2.三维可视化土石方计算的应用实例

竣工总开挖方量的计算是两期间开挖方量计算的一种特例情况，三维可视化方法在施工期内两期间开挖方量计算应用的部分，将使用竣工总开挖方量计算进行说明。计算竣工总开挖方量时，只需建立竣工三维模型，然后利用该三维模型和原始地貌三维模型进行实体编辑。获得竣工总开挖方量三维模型，并通过实体查询功能，查询其方量。4号核岛负挖工作完成后，使用仪器采集了开挖场地的离散高程点数据，并利用该数据建立了4号核岛负挖竣工三维模型，如图3所示。

2.1计算4号核岛负挖竣工实际开挖方量

计算时首先应以竣工实测离散高程数据为基础，建立向上拉伸的、顶标高大于原始地貌最高点高程的负挖竣工三维模型。然后将该模型和原始地貌三维模型（如图2所示）放置到设计坐标系中，求取两个三维模型的交集。新产生的三维模型即为4号核岛负挖竣工实际开挖方量三维模型。通过实体查询功能，查询其方量为212037方。计算过程如图4所示。

2.2计算4号核岛负挖竣工有效开挖方量

有效开挖方量即为在设计开挖范围内的实际开挖方量，断面法、方格网法、等高线法、DTM模型法等常规计算方法用于计算有效开挖方量时步骤非常烦琐。但使用三维模型方法可以轻松进行该方量的计算。求取已建立的4号核岛负挖竣工三维模型和原始地貌下4号核岛设计总开挖方量三维模型的交集，新产生的三维模型即为4号核岛负挖竣工有效开挖方量三维模型。有效开挖方量在实际开挖方量中所占的比例大小将直接影响施工单位的项目利润率，并且对施工单位开挖工艺、施工管理水平的自我评价及改善具有积极的意义。

3.利用三维可视化方法控制工程的开挖精度

核岛负挖项目对开挖精度有较高的要求，三维可视化方法可以形象直观地展现工程进展情况，对于指导工程进展、控制开挖精度、控制超挖方量具有很好的指导作用。

首先建立4号核岛负挖竣工未开挖方量三维模型，即计算原始地貌下设计总开挖方量三维模型和负挖竣工三维模型的差集。新建立的三维模型即为4号核岛负挖竣工未开挖方量三维模型。在AutoCAD软件中支持对三维模型的三维动态观察，用户可以根据自己的需要，任意调整视角，利用三维动态观察器调整视角的效果如图5所示。利用已建立完成的4号核岛理论场平标高下负挖三维模型和负挖竣工未开挖方量三维模型，结合AutoCAD软件中的三维动态观察器、查询功能，可以计算任意开挖部位距设计开挖标高的差值。利用该方法可以形象直观的指导生产，控制开挖精度和减少超挖方量。

4.三维可视化方法与DTM法计算开挖方量精度对比分析

在CASS环境下，使用4号核岛负挖竣工采集的离散点数据建立的DTM和3、4号核岛原始地貌DTM进行两期间土方量计算，经计算开挖土方量为212037方。在本文2.1中使用三维可视化方法进行4号核岛负挖竣工实际开挖方量计算的结果同样为212037方，两者计算结果一致。经分析认为，两者的建模原理一致是产生该现象的根本原因。同时也说明使用三维可视化方法计算的结果精度可靠。

结论

本文利用CASS软件中的DTM建模和AutoCAD软件中的实体建模、实体编辑功能、布尔运算相结合的方式实现了复杂情况下土石方计算的三维可视化方法，经验证该计算方法精度可靠，并且该方法操作简便、形象直观。利用该方法可以形象直观的指导生产，控制开挖精度和减少超挖方量。

参考文献

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