隨著三維化設計軟件的出現(xiàn)，各個行業(yè)也逐漸開始采用三維軟件進行產(chǎn)品設計，三維技術在機械、電子、航空、航天以及建筑等部門也得到廣泛的應用。CATIA 軟件是由法國達索系統(tǒng)公司開發(fā)的大型高端CAD/CAE/CAM 一體化應用軟件，廣泛應用于航空航天、汽車、機械、造船、通用機械、數(shù)控加工、醫(yī)療器械和電子等諸多領域。文章結合南水北調(diào)中線一期工程總干渠焦作2 段第五標段開挖工程量計算，闡述了利用CATIA 軟件在渠道開挖工程中進行應用的效果，并提出三維設計在施工現(xiàn)場管理中的應用優(yōu)勢所在。

1、工程概況

　　南水北調(diào)中線一期工程總干渠焦作2 段第五標段在設計樁號Ⅳ61+500～Ⅳ66+960，始于中州鋁廠工企站鐵路橋，止于紙坊河渠道倒虹出口，總長度5460 m，其中渠道長度4873 m，建筑物總長587m，該渠段位于河南焦作市修武縣境內(nèi)及馬村區(qū)。第五標段渠段共有各類建筑物13 座，其中：河渠交叉1 座，左岸排水1 座，鐵路橋5 座。渠道為梯形斷面，設計渠底寬度為16～17.5 m，渠道內(nèi)一級邊坡為1：2～1:2.25，渠底高程96.37～95.962 m，一級馬道(堤頂)寬5.0 m，渠道縱比降為1/23000。

2、建模思路及步驟

　　在本工程中，開挖計算包括渠道、倒虹吸、左岸排水等建筑物開挖，以典型的渠道開挖為例，利用三維方法建模，倒虹吸、左岸排水等開挖建模方法類似。通過構建三維地形、渠道軸線、渠道開挖面，快速計算得到了該部位的開挖工程量。工程，渠線長，渠道、倒虹吸等建筑物交叉布置，因此開挖工程量計算比較繁重，同時，在施工過程中，往往會遇到現(xiàn)狀地形地貌的變化與測量提供的數(shù)據(jù)不符等影響，在工程量計算過程中，有可能需要調(diào)整開挖坡比或開挖的深度，如果建立三維地形體進行三維開挖，在可視化的條件下，利用參數(shù)對渠線的開挖進行控制，軟件自動更新，會給工程量計算帶來極大的方便。

　　項目施工階段的工程開挖資料往往會一直伴隨至項目最終階段，例如一段渠道的開挖，以往可能需要數(shù)十張斷面圖、excel 表、二維圖等，工程信息存儲量較大，且查看起來不直觀，考慮所有的開挖工作均存儲在一個帶三維地形的模型中，當需要在某個樁號查看剖面時，軟件動態(tài)切割工具對關注位置進行切割，將開挖剖面由傳統(tǒng)的二維表達方式轉(zhuǎn)化為更為直觀化、可視化的三維表達方式。具體建模步驟如下：提取工程二維地形圖的點云數(shù)據(jù)，分析、處理生成三維地形體;根據(jù)AUTOCAD 中的渠道線路，將渠線布置在三維地形體上;建立開挖輪廓線，通過拉伸、掃掠等命令構件開挖面;開挖運算，并進行工程量計算等。

3、工程三維設計過程

　　3.1、建立三維地形體

　　利用三維方法進行渠道開挖計算，首先就需要建立三維地形體，由實測的CAD 地形圖通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成CATIA 軟件可讀取的asc 格式文件。要注意以下幾點。在CATIA 中，地形體建立需要將CAD 中地形等高線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為點云(*.asc)格式，并導入“Digitized Shape Editor”模塊中，將不正確的高程數(shù)據(jù)依據(jù)需要進行修改編輯，初始點云的導入直接關系到后續(xù)工作的質(zhì)量與精度, 因此對點云數(shù)據(jù)的修改要慎重;應用Mesh 面創(chuàng)建命令創(chuàng)建整個地形Mesh 網(wǎng)格面, 特別注意，根據(jù)點云形成的三角網(wǎng)格面片在修改時也會影響到擬合的曲面質(zhì)量, 特別是三角網(wǎng)格面片的周邊一圈網(wǎng)格, 有時候軟件會將某些明顯不應該連接點也形成線和網(wǎng)格,因此需要剔除;有些網(wǎng)格則是過大、過小或者形狀過于奇異, 使用特定的命令可以對它們進行修正，對生成的Mesh 面進行分析、處理，檢查生成的三角網(wǎng)格的質(zhì)量。

　　3.2、建立渠道開挖模型

　　將設計圖紙?zhí)峁┑木�路，布置在catia 三維環(huán)境中，定位軸線位置后，繪制渠道的軸線，之后依據(jù)渠道開挖圖的開挖坡度，最終形成渠道開挖面。如圖1、圖2、圖3 所示，具體步驟如下。第一，在草繪環(huán)境中，選擇渠道軸線起點，在XY 平面中畫出渠道軸線平曲線，再將平曲線拉伸成曲面，并展開曲面形成展開面，再在展開面上畫出渠道坡度，折疊后最終形成渠道軸線，如圖1 所示。

圖1 建立渠道軸線示意圖

　　第二，建立一橫向垂直平面，法線方向為渠道軸線;在草繪環(huán)境中畫出渠道開挖邊坡輪廓線，這時候如果要考慮修改問題，可以定義參數(shù)對輪廓進行尺寸約束，由于軟件本身帶有參數(shù)化功能，當需要修改如坡度、馬道長度等參數(shù)時，程序自動更新功能無需再重新建模，如圖2 所示。

圖2 建立邊坡輪廓示意圖

　　第三，進入創(chuàng)成式外形設計模塊，利用掃掠命令拉伸出渠道開挖面，掃掠輪廓選擇邊坡輪廓，引導線選擇渠道軸線;最終形成渠道開挖面，如圖3 所示。

圖3 建立開挖面示意圖

　　3.3、工程量統(tǒng)計

　　渠道開挖輪廓建立后并定義工作對象后，選擇“插入”-“分割”命令，要分割的對象選擇地形體，分割面選擇開挖面，確定后，程序會自動完成整體開挖工程量的計算，選擇測量命令，工程量即可得出。

4、體會與建議

　　在已建好的三維地形體上，查看渠線布置與周圍地形的關系是否滿足設計要求，準確、直觀、快捷地反映出了開挖量，體現(xiàn)了可視化的優(yōu)越性，并且土方開挖量根據(jù)現(xiàn)場施工需要，自動更新，得到新的工程量，與真實三維地形體的結合，計算出的工程量與普通的二維計算(斷面法)相比，工程量獲取精確、簡單、快捷。

　　在本工程中，還有渠道、倒虹吸、橋梁等其他建筑物，同樣可以應用catia 三維建模方法在開挖后的地形上進行建立，構建工程三維化模型，對一些復雜、二維圖空間想象較為困難的工程，應用可視化的三維模型，會給施工人員帶來極大的方便。另外，斷面控制點坐標也可以輸入進模型中，與現(xiàn)場測量以及實際地形地貌進行對比分析，調(diào)整。

　　作為現(xiàn)場施工技術人員掌握此技術，會大大提高現(xiàn)場開挖工程乃至建筑物混凝土澆注工程量的控制能力。三維設計不是簡單的三維建模，它不僅真實地反映了三維實體特征，還融入了許多知識重用、標準和既有經(jīng)驗的校核等等，這是一個系統(tǒng)工程，需要不斷的探索。有理由相信，隨著計算機軟、硬件的發(fā)展和施工水平機械化、自動化程度的提高, 三維設計最終會成為主流，廣泛應用于施工現(xiàn)場的質(zhì)量控制、成本控制等各個方面。