基于3DE二次开发下的水利水电工程渣场三维正向设计研究

莫 奎, 黄 昌 龙, 杨 玉 川, 何 富 刚

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司,四川 成都 610072)

0 引 言

随着数字化技术的不断发展,水电工程施工总布置规划三维正向设计已成为行业发展的必然趋势。渣场规划是施工总布置设计的核心内容[1]。钟登华[2]提出了施工总布置三维动态可视化图形仿真演示方法,为施工设计与管理者的决策分析提供更为立体的信息支持;高飞[3]基于Autodesk Civil 3D软件进行弃渣场水土保持设计,利用软件得到渣场真实边界,并快速计算出土方工程量;缪正建[4]使用三维设计软件,采用复合体积法计算土方量,实现施工渣场的三维可视化表达。可以看到,国内水电工程三维施工总布置设计应用已取得一定成果,基本可实现施工渣场三维正向设计。但随着信息化水平的不断提高,三维施工总布置发展面临施工仿真、智能建造等更高设计要求,协同设计、施工管理等功能需求不断加大。3DE平台具有复杂曲面的构造能力和参数化设计的优势,同时平台集设计、仿真、管理于一体,为工程设计管理提供了便捷高效的协同环境[5]。

基于3DE软件自身的OTB功能和CAA二次开发功能,研发基于3DE的施工总布置渣场设计系统。该系统通过定制图形化界面和交互式操作,可实现快速高效的渣场三维参数化建模、渣场容量自动计算、渣场填筑工程量统计等功能,从而为渣场三维正向设计提供新的设计工具。

1 二次开发技术路线

施工总布置是一个融合场内交通规划、砂石料源选择、土石方平衡设计和主体工程施工等内容的抽象设计过程。施工渣场三维设计不仅需要根据工程特点建立三维模型,更为重要的是通过模型信息得到设计参数,进而快速分析得到目标堆渣位置容量、渣场最终填筑高度、不同时段工程面貌等特性。基于以上内容,渣场设计二次开发共有优化渣场设计范围、确定渣场控制边界、创建三维渣场模型和渣场填筑施工管理四大功能,渣场设计二次开发技术路线见图1。

图1 渣场设计二次开发技术路线

2 系统设计

利用3DE平台自身的OTB功能和CAA二次开发功能,基于二次开发技术路线,开发了渣场设计系统,该系统主要包括设定渣场范围、创建填筑轮廓线、渣场填筑计划与管理、渣场填筑量试算、参数管理等内容。渣场设计功能列表见图2。

图2 渣场设计功能列表

2.1 结构树搭建与数据管理

在水利水电工程3DE平台协同设计中,各专业模型建立在项目站点下,三维模型节点见图3,渣场模型以“零件”节点建立在结构树上。使用“创建参数”命令在渣场零件中建立参数集,以标识该零件为渣场,根据场地的用途不同,子类别设有存(弃)渣场、转存料场、表土堆存场等。软件可以通过遍历结构树上零件的标识参数快速定位于该零件,并获取零件的模型特性,反馈给用户该渣场堆渣容量,场地面积,用地范围等信息。

图3 三维模型节点

2.2 渣场地形创建

施工渣场相对于整个施工总布置模型而言规模较小,不需要整个水电工程范围的地质信息。因此,渣场设计的首要工作是精准定位,缩小地质模型设计范围,以减少计算机处理工作量。

该设计系统通过“设定渣场范围”命令,创建多边形地形区域,与项目地形进行布尔运算,快速生成目标区域的小范围地形曲面。渣场地形创建交互流程见图4。

图4 渣场地形创建交互流程图

2.3 堆渣脚线与填筑轮廓线创建

根据《水电工程渣场设计规范》(NB/T 35111-2018)[6],渣场设计应根据地形地质条件,渣场规划容量,弃渣运距等因素综合确定。渣场选择位置应避开不良地质段,不应涉及河道、沟道行洪安全,不能影响人民群众生命财产安全,且不得布置于法律规定禁止堆存的区域。根据上述原则,可以规划渣场堆存的合理边界范围。开发程序遵循以上原则,利用3DE软件的OTB功能建立堆渣脚线。利用程序开发功能在堆渣脚线上建立填筑边坡轮廓线,填筑轮廓线可手动输入边坡坡比、边坡高度、马道宽度等特征参数,也可通过Excel批量导入。进而利用堆渣脚线、填筑轮廓线与地形面可进一步生成渣场模型。

2.4 堆渣脚线与填筑轮廓线创建

该系统的堆渣料试算模块可根据用户的输入条件创建过渡模型,基于用户选择计算类型反馈相关信息。用户需要输入的信息有渣场地形面、堆渣脚线、填筑轮廓线以及计算方式,该试算模块具有根据堆渣量计算堆渣高度或根据设定堆渣高度计算对应堆渣量两种功能。

2.5 堆渣计划与管理

该模块利用输入条件能够创建月度填筑计划、查看不同时间点渣场堆渣面貌以及月堆渣量等。渣场用户可根据系统反馈结果,实时调整设计参数。模块需要输入的参数是堆渣脚线、渣场地形曲面、填筑轮廓线、月度堆渣计划表等信息。月度堆渣计划三维模型将会在窗口中进行展示。最终规划设计完成后,系统可输出场地面积、区间堆渣量、区间边坡面积、马道长度等信息表。

2.6 渣场合并

在水电工程中,常出现渣场分多个平台布置的情况,即一个渣场会在另一渣场平台高程开始堆渣。针对这种类型的渣场,开发了渣场合并模块,通过对多个子渣场进行合并,能够计算并导出合并后渣场的堆渣量。该模块输入的条件是需要合并的各个子渣场。交互流程图见图5。

3 工程应用

3.1 工程简介

开发设计系统应用于西南地区某水电工程渣场设计,该水电站地处高山峡谷地区,渣场及场地布置极其困难。该工程在位于水电站下游左岸,距坝址约5.0 km处规划一拦沟型渣场。根据地形条件和后期渣顶布置情况,由沟口向沟内依次分区布置弃渣区和回采区两个大区。根据土石方平衡计算,该渣场弃渣区堆渣容量需求为900万m3,回采区容量需求为345万m3。

3.2 渣场模型创建

通过创建渣场地形模块,将设计需要的地形范围缩小至规划水沟范围,设定渣场范围见图6。

图6 设定渣场范围

利用软件OTB功能创建渣场堆渣脚线,基于堆渣脚线创建填筑轮廓线,边坡参数从边坡Excel模板表中导入,创建填筑轮廓线见图7。

图7 创建填筑轮廓线

利用渣场容量试算模块,对创建的弃渣区堆渣脚线及坡面线进行堆渣容量试算,渣场容量试算见图8。若要满足堆渣容量约900万m3,渣场填筑高度为151.8 m。按上述步骤生成渣场回采区,若要满足堆渣容量约345万m3,渣场填筑高度45.3 m。根据试算结果,创建渣场模型。

图8 渣场容量试算

通过Excel将土石方调运规划导入程序月度堆渣计划中,计算出每级马道高程处场地面积,堆渣量等信息,并生成预览模型,渣场填筑设计与管理见图9。可将计算结果导出为Excel二次处理,堆渣计划表见表1。

表1 堆渣计划表

图9 渣场填筑设计与管理

利用渣场合并模块,可将上述弃渣区和回采区两子渣场堆渣信息合并,进行统一堆渣规划设计,渣场合并见图10。

图10 渣场合并

基于上述步骤,完成了完整的渣场三维正向规划设计,通过三维模型可快速生成堆渣参数,为施工总布置设计提供数据支撑。

4 结 语

利用CAA程序语言对3DE平台进行了二次开发,满足施工渣场三维正向设计的要求,并进行了实际工程应用。主要结论如下:

(1)3DE平台在曲面处理、施工管理等方面具有一定优势,通过程序运算可快速与地形信息进行布尔运算生成渣场模型。开发了渣场设计系统,主要命令包括设定渣场范围、创建填筑轮廓线、渣场填筑计划与管理、渣场填筑量试算、参数管理等。满足施工渣场三维正向设计基本需求。

(2)通过对某水电工程渣场设计进行应用,初步得到弃渣区渣场填筑高度为151.8 m,回采区渣场填筑高度为45.3 m,并进一步生成了三维模型与堆渣计划,为施工总布置设计提供数据支撑。

(3)所开发的系统可以在水电工程施工总布置设计全生命周期中进行推广应用,包括效果呈现、前期规划、施工设计以及后期监测等方面。