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[摘要]水利工程中渠道的土石方的开挖与回填是工程量计算的重点与难点。传统的挖填方量计算方法繁琐、计算精度低、效率低下，尤其是对于地形复杂、线路较长的渠线工程，出图算量占用了设计人员大量的时间与精力。随着BIM技术的推广，如何利用BIM技术进行全过程正向设计，是工程人员关心的问题之一。目前普通的建筑构建通过标准的构件库可以快速生成，但地形开挖回填是BIM设计的一大痛点。开挖曲面形状及土石方量的大小主要由地形曲面和开挖面形状确定，本文借助Rhino强大的曲面建模的建模能力，设计了一套渠系工程开挖回填曲面生成与方量计算方法，并利用c#语言二次开发实现了该功能插件的开发，从而做到渠系工程放坡面出图与算量的精确化、设计的可视化。

【关键词】三维放坡曲面、rhino、二次开发、挖填方量

0前言

近年来随着BIM技术推广使用，BIM技术应用在工程设计中始终存在最后一公里问题。针对水利工程地形的挖填模型复杂、工作量大等问题。侯毅、支小刚[1，2]等基于Civil3d软件，通过定义平面中心线、设计纵断面和横断面创建动态更新的三维信息模型，基于模型可进行直观展示、工程计量和批量生成横断面图，提升设计效率与质量。但Civil3d软件要定义出满足生产需求的横截面操作复杂，普通设计人员难以掌握，Civil3d软件对于大地形加载与处理效率不高容易卡顿。国内许多研究者基于主流BIM软件开发了相应的地形处理软件[3-6]，但基于Rhino软件的研究较少。Rhino软件具有强大的模型承载力，强大的几何库计算内核，运算速度快，且能完美解决双截面扫略问题。因此在Rhino平台上开发一款渠线工程放坡系统有利于提高建模效率、挖填放量的计算精度及参数化模型的利用率。

1挖填曲面三维建模与工程量计算

水利工程中，渠道挖填工程量计算通常采用断面平均法，这就需要设计人员根据实际情况剖切横断面，对每个断面的挖填方量分别计算求体积。一旦横断面尺寸发生调整或线路发生变化，算量工作又得重新手动剖切计算，工作量巨大。基于Rhino软件开发一套线性工程挖填曲面建模与算量方法可以快速建立挖填曲面三维模型与边坡开口线，并快速准确计算出土石方量，提高设计效率。

1.1水利工程渠道开挖回填曲面三维模型生成要素定义

渠线工程中，挖填面一般是横截面沿中心线扫略，然后与地形曲面裁剪生成。因此本文方法定义了1.横截面信息要素2.中心线及起点、终点要素3.横截面偏移矢量要素4.目标地形要素5.体积计算精度及网格生成精度控制要素。其中横截面定义是挖填曲面生成最重要的一部分。横截面的定义分为六个要素：左挖方、右挖方、左回填、右回填、左渠身、右渠身，横截面示意图如图1所示。其中渠身要素用于沿中心线生成渠身曲面生成且不需要与地形裁剪；挖方要素部分用于沿中心线扫略生成放坡曲面且与地形裁剪保留地形曲面以下部分；填方要素部分用于沿中心线扫略生成放坡曲面且与地形裁剪保留地形曲面以上部分，渠道挖填模型典型样例见图2。横截面定义与生成借助Rhino插件Grasshopper脚本，其主要特点是可以实现参数化建模，且横截面形状可以自由调整，增加了横截面的利用率。

1.2渠线工程挖填曲面三维模型模型程序实现步骤

本文方法实现步骤包括：1.利用Grasshopper建立横截面参数化模型脚本文件见图3；2.标识输入输出参数节点；3.Rhino读取Grasshopper脚本并将输入参数通过面板显示给用户见图4；4用户对输入参数值进行修改并保存成一个横截面类型；5用户调出曲面生成面板并选取横截面类型（对于双截面放坡，分别为第一、二截面选择横截面类型，否则仅为第一截面选择横截面类型）、中心线、放坡起点、放坡终点、目标曲面、输入计算精度及网格精度；6.挖填面生成并计算挖填体积、放坡面积；7.推求开口线；8.随意调整横截面、中心线起点、中心线终点、目标曲面重新生成挖填面并计算挖填体积、放坡面积；9.模型字段信息及属性入词典库用于统计查询。

1.3分段离散累加法求挖填体积

分段离散累加法求挖填体积

实现过程：1.对线性挖填面沿中心线分割成多个一级矩形面域，2.循环对每个一级矩形域沿横截面方向每隔一米离散一个二级矩形域从而生成细化的三级矩形域；3.获取三级矩形域中心点p及矩形平面面积A；4.将点p分别投影到挖填曲面生成点pe及地形曲面生成点pt;5.获取点pe与点pt的高程差h；6.计算每个三级矩形域体积V（V=A*h）;7.累加三级矩形域体积从而计算出挖填体积。本文方法的特点：计算结果精度由使用者输入的计算精度参数决定，计算精度值越小，结果越准确，计算速度越慢，反之结果越不准确、速度越快。

1.4由网格边界线推求开口线

传统设计手段推求挖填开口线复杂且精确度低。利用三维模型的布尔运算可以轻松解决上述问题。Rhino平台上推求开口线程序的的实现思路为：1.获取渠道曲面的边缘；2.判断边缘是否为自由边界（即该边缘仅被一个三角网格利用）3.将自由边界投影到地形网格并计算投影线与边界线的重合率；4.筛选满足容差的自由边界；5.合并筛选出的自由边界作为放坡面开口线。

2结语

本文基于Rhino软件开发的渠线工程挖填曲面三维模型与算量系统可以同步完成BIM模型生成与工程算量。参数化建模的思想与便捷的界面交互可以轻松实现横截面、中心线修改从而重构曲面模型，更新工程量。插件操作简单、便于理解，极大提高了渠线工程渠道设计效率与精度。

参考文献：

[1]侯毅，李广州.BIM技术在线性水利工程设计的应用[J].水利科技. 2019（04）：26-28

[2]支小刚，阮江平.BIM技术在复杂地形的创建和放坡中的应用[J].城市住宅. 2020，27（09）：95-97

[3]彭慧琼..基于 BIM 的精细化土石方量计算方法[J].长江科学院院报.2021，38（ 7） ： 109-114

[4]柯小华， 陈毅明等.基于 BIM 的地形生成工具开发研究[J].建筑结构. 2019，49（S2）：962-965

[5]刘怀林，胡 君等.基于 BIM的三维方量计算方法在水利水电工程中应用研究[J].水利科技与经济. 2020，26（07）：20-22，33

[6]牛立军，韩 涛.基于 BIM 技术河道地形处理分析研究[J].四川建材. 2019，45（12）：182-184