三维实体技术在水利水电工程设计中的应用与开发

目前水利水电工程三维设计的应用相对落后于其他行业如电力、石化，其原因主要在于工程设计的多变性和复杂性，目前还没有一套软件可以解决这方面的问题。电力、石化行业的三维设计主要运用于工厂化设计，解决空间管道的布置以及多个专业空间布置设计协调问题，已有成熟的工厂化设计软件如国外的PDMS Autoplant PlantSpace 在国内应用。工厂设计的标准化，使得三维设计的应用便于推广，同时带来这些行业设计效率大幅度提高。水利水电工程设计由于涉及到不同的地形、地质状况，无法形成标准化设计，其三维设计的难度大大提高，收益也降低。因此我的看法是：目前在水利水电工程中应该有针对性地对局部设计采用三维技术，而没有必要全部使用三维设计。如何针对水利水电工程工程的特点采用三维技术，解决设计中的难题我们做了如下探讨。

1 采用三维实体技术进行开挖计算

在水利水电工程设计中涉及到大量开挖工程量的计算，传统的做法是：对于带状的开挖，采用剖面法，对于封闭区域的开挖采用网格法，进行计算。在国外软件中，如Autodesk公司开发的Civil 3D，Bentley公司开发的Site专业软件均采用构造三维地形面模型，开挖体面模型，求解地形面模与开挖体面模的交集进行开挖计算。这些计算涉及到复杂的编程求解，必须在专业软件中完成。我们尝试在通用的AutoCAD2004平台上进行二次开发，利用平台所具有的三维实体布尔运算功能，研制了三维实体开挖软件。该软件包作为ZDM软件中的一个模块，具有如下功能：

1.1构建三维实体地形

通过在地形图上构建三角网方式构建三维实体地形，程序可以在任意封闭区域内直接生成三维实体地形，对于大的区域，为了避免在布尔运算时造成内存不足，也可以先生成面模型，再分块生成体模型。

1.2构建开挖体模型

在开挖计算中较多地采用正契型（挖方体）、倒契型（填方体）开挖实体。软件可以在通过封闭区域内设置不同开挖边坡，变坡、马道生成三维契型实体。也可以将平面图的开挖中心线各段设置不同的高程，将平面线转换为三维多段线，通过沿线路断面拉伸的方法生成三维实体。

1.3 通过对三维实体进行布尔运算计算挖、填方量

该软件利用AutoCAD软件具有的布尔运算求差、求和、求交功能可以很方便地求出挖、填方量、绘出出平面开挖边线，真实再现开挖后的场景。并且可以用于三维动画建模制作。

1.4 运用成果及存在的问题

采用三维实体的技术进行开挖计算，可以大大减低开挖计算的工作量，特别对于工程前期的方案比较，复杂的洞口开挖等，目前在我院已运用到多个工程，如深圳抽水蓄能电站的动画建模制作。

采用三维实体技术由于在应用过程中要使用大量布尔运算，对机器的性能要求高，难于对大范围地形生成实体。对开挖体的制作由于AutCAD软件本身的局限难于通过编程手段生成复杂开挖体。开挖过程往往与地质情况有关，如何将地质信息放入地面模型中达到分层开挖的计算还要做进一步探讨。

2 三维岔管的参数化设计

在水电站的引水管路设计中经常碰到岔管的设计，如何表示岔管空间位置、形态、相贯线，是设计中的一个难题。采用三维建模技术可以很容易解决这些难题，并且可以将三维模型导入结构分析软件进行有限元的分析。

我们在AutoCAD平台下进行了二次开发，研制了三维岔管的参数化设计软件，该软件可以通过图中岔管不同的断面图生成各种不同类型的岔管，如：园型、园台形、城门洞型、外城门洞内圆台形型。该软件包作为ZDM软件中的一个模块，具有如下特点：

软件没有使用复杂的对话框，填写各种参数，而是采用提取图中已画好断面图形，在岔管平面图上生成三维实体岔管，使用简便，布置方便。

生成的三维岔管可以使用 CAD的功能进行任意剖切，生成各种不同的断面图，进行面积和质量的查询。也可以导入结构分析软件进行有限元的分析。

建立三维岔管模型只是第一步，我们还计划在三维岔管模型的基础上进行三维配筋布置解决岔管钢筋图的难题。

目前我院除在AutoCAD平台上开发一些软件局部解决三维设计中的一些难题，还运用Bentley公司的Microstation Site软件进行三维建模，库容计算。同时还还与天津大学合作进行地下洞室群三维地质模型、三维参数化设计、三维动态仿真的研究，与加拿大依泰斯卡有公司共同合作，进行地下厂房地质三维模型、开挖围岩加固彷真模拟的研究。力求在水电工程的三维设计方面有所突破。