三維實體技術在水利水電工程設計中的應用與開發(fā)

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目前水利水電工程三維設計的應用相對落后于其他行業(yè)如電力、石化，其原因主要在于工程設計的多變性和復雜性，目前還沒有一套軟件可以解決這方面的問題。電力、石化行業(yè)的三維設計主要運用于工廠化設計，解決空間管道的布置以及多個專業(yè)空間布置設計協(xié)調問題，已有成熟的工廠化設計軟件，在國內應用。工廠設計的標準化，使得三維設計的應用便于推廣，同時帶來這些行業(yè)設計效率大幅度提高。水利水電工程設計由于涉及到不同的地形、地質狀況，無法形成標準化設計，其三維設計的難度大大提高，收益也降低。因此我的看法是：目前在水利水電工程中應該有針對性地對局部設計采用三維技術，而沒有必要全部使用三維設計。如何針對水利水電工程工程的特點采用三維技術，解決設計中的難題做了如下探討。

　　1、采用三維實體技術進行開挖計算在水利水電工程設計中涉及到大量開挖工程量的計算，傳統(tǒng)的做法是：對于帶狀的開挖，采用剖面法，對于封閉區(qū)域的開挖采用網(wǎng)格法，進行計算。在國外軟件中，很多均采用構造三維地形面模型，開挖體面模型，求解地形面模與開挖體面模的交集進行開挖計算。這些計算涉及到復雜的編程求解，必須在專業(yè)軟件中完成。嘗試在通用的AutoCAD2004平臺上進行二次開發(fā)，利用平臺所具有的三維實體布爾運算功能，研制了三維實體開挖軟件。該軟件包作為ZDM軟件中的一個模塊，具有如下功能：

　　1.1構建三維實體地形通過在地形圖上構建三角網(wǎng)方式構建三維實體地形，程序可以在任意封閉區(qū)域內直接生成三維實體地形，對于大的區(qū)域，為了避免在布爾運算時造成內存不足，也可以先生成面模型，再分塊生成體模型。

　　1.2構建開挖體模型在開挖計算中較多地采用正契型（挖方體）、倒契型（填方體）開挖實體。軟件可以在通過封閉區(qū)域內設置不同開挖邊坡，變坡、馬道生成三維契型實體。也可以將平面圖的開挖中心線各段設置不同的高程，將平面線轉換為三維多段線，通過沿線路斷面拉伸的方法生成三維實體。

　　1.3通過對三維實體進行布爾運算計算挖、填方量該軟件利用AutoCAD軟件具有的布爾運算求差、求和、求交功能可以很方便地求出挖、填方量、繪出出平面開挖邊線，真實再現(xiàn)開挖后的場景。并且可以用于三維動畫建模制作。

　　1.4運用成果及存在的問題采用三維實體的技術進行開挖計算，可以大大減低開挖計算的工作量，特別對于工程前期的方案比較，復雜的洞口開挖等，目前在我院已運用到多個工程，如深圳抽水蓄能電站的動畫建模制作。

　　采用三維實體技術由于在應用過程中要使用大量布爾運算，對機器的性能要求高，難于對大范圍地形生成實體。對開挖體的制作由于AutCAD軟件本身的局限難于通過編程手段生成復雜開挖體。開挖過程往往與地質情況有關，如何將地質信息放入地面模型中達到分層開挖的計算還要做進一步探討。

　　2、三維岔管的參數(shù)化設計在水電站的引水管路設計中經常碰到岔管的設計，如何表示岔管空間位置、形態(tài)、相貫線，是設計中的一個難題。采用三維建模技術可以很容易解決這些難題，并且可以將三維模型導入結構分析軟件進行有限元的分析。

　　在AutoCAD平臺下進行了二次開發(fā)，研制了三維岔管的參數(shù)化設計軟件，該軟件可以通過圖中岔管不同的斷面圖生成各種不同類型的岔管，如：園型、園臺形、城門洞型、外城門洞內圓臺形型。該軟件包作為ZDM軟件中的一個模塊，具有如下特點：軟件沒有使用復雜的對話框，填寫各種參數(shù)，而是采用提取圖中已畫好斷面圖形，在岔管平面圖上生成三維實體岔管，使用簡便，布置方便。

　　生成的三維岔管可以使用CAD的功能進行任意剖切，生成各種不同的斷面圖，進行面積和質量的查詢。也可以導入結構分析軟件進行有限元的分析。

　　建立三維岔管模型只是第一步，我們還計劃在三維岔管模型的基礎上進行三維配筋布置解決岔管鋼筋圖的難題。

　　目前除在AutoCAD平臺上開發(fā)一些軟件局部解決三維設計中的一些難題，還運用MicrostationSite軟件進行三維建模，庫容計算。同時還還與著名大學合作進行地下洞室群三維地質模型、三維參數(shù)化設計、三維動態(tài)仿真的研究。

1、使用zdm軟件實體開挖功能進行開挖計算

使用zdm軟件實體開挖功能制作的三維道路

使用zdm軟件制作的三維砼高壓岔管

使用zdm軟件制作的三維砼岔管

使用zdm軟件制作的各種類型的三維鋼岔管