基于三维地质模型的地下洞室参数化设计与方案优选（钟登华,郭享,李明超,刘杰）

摘要：
水电工程地下洞室区域所处的地质构造往往比较复杂，二维设计方法有一定的局限性．引入非均匀有理B样条(NURBS)技术，并结合地质交互解译、TIN算法和地质趋势面分析理论方法构建三维地质模型．基于三维地质模型，提出地下洞室三维参数化设计的概念和方法，对设计成果进行分析，并应用改进的层次分析法，构建地下洞室设计方案的优选模型．通过在某水电工程设计中的应用验证了该方法的可行性．

关键词：水电工程；
地下洞室；
三维地质模型；
参数化设计；
方案优选

中图分类号：TP391．72 文献标志码：A 文章编号：0493—2137(2007)05—0519—06

在水电工程建设中，地下洞室被广泛采用．大型地下洞室的兴建，必然会遇到复杂的地质条件和大量的地质问题，给地下洞室的设计和方案优选带来了较大的困难．传统的工程地质资料分析和解释以及地下洞室设计方法常采用二维的表达方式，难以直接、完整、准确地理解地质构造，难以满足直观、快速、交互设计的需求．随着设计工作的不断发展，CAD系统已经逐渐成为设计人员的必备工具，参数化设计是当前CAD技术的研究热点．近年来，参数化设计主要应用于机械工程CAD和CAM等领域．李东浩等人[1]提出了参数化设计中图形信息的前置处理技术．郑忠俊等人[2]研究了面向参数化设计的工程数据库管理系统．杨宁等人[3]提出了基于工程优化设计的参数化设计系统．潘双夏等人[4]提出了基于工程约束的参数化建模策略．顾晓华等人[5]提出了基于知识工程的参数化设计方法．董玉德等人[6]研究了自学习模式的智能参数化设计方法．Myung等人[7]提出了基于设计专家系统来完成设计单元的参数化建模．Ugail等人[8]提出了通过求解偏微分方程得到模型的边界值，进而完成参数化建模．Monedero等人[9]详细总结了参数化设计方法，并且介绍了机械工程之外建筑行业中参数化设计的一些经验．

机械工程的参数化设计主要解决零部件的设计、组装等过程，与其不同的是，水电工程还要考虑到工程背景和便于施工的要求，工程选址不同，很可能会带来设计方案的完全变更．考虑到参数化设计的一般概念和地下洞室工程的特点，笔者提出地下洞室三维参数化设计的概念是基于三维地质模型，用一个或多个参数或约束变量确定地下洞室的位置、形状和结构尺寸，交互地设计出地下洞室三维模型．地下洞室参数化设计是水电工程设计人员长期以来追求的目标，其不仅为地下洞室设计与方案优选提供一个科学简便、形象直观的手段，而且有助于推动水利水电设计工作的智能化和现代化发展．

1 地下洞室三维参数化设计系统分析

1．1 用户的系统需求分析

地下洞室工程设计过程中，设计人员迫切地希望建立一套功能完善、便于使用的三维参数化系统，基于目前理论和技术的发展，提出以下需求：

(1)为便于设计人员使用，采用设计人员熟悉并且功能强大的设计软件作为开发平台；

(2)利用参数化设计技术，构建地下洞室涉及到的所有模型的通用设计工具，将其模块化，形成工具库；

(3)为了克服二维设计不直观和三维设计定位不便捷的缺陷，采用二维和三维协同设计，并实现设计成果的二维和三维输出；

(4)实现设计成果工程量统计等查询与分析功能．

1．2 系统总体设计

采用AutoCAD软件平台，选用VBA作为二次开发工具，地下洞室三维参数化设计系统总体结构如图1所示．该系统由洞线定线子系统、洞室建模子系统、工程分析子系统和成果输出子系统构成，包括图形库、属性库、模型库和方法库等数据库．其中图形库存贮实体模型的图形，属性库存贮其属性信息，模型库存贮系统各应用模型，是有关各种模型程序模块的集合，方法库存贮对实体模型的操作与分析方法，包括各种通用的决策方法、优化算法及软件工具等，各数据库相互连接，从而形成一个完整的系统．

1．3 系统功能设计

系统功能设计是系统软件设计的具体化，依据系统需求和总体设计的要求，地下洞室参数化设计系统的特点和功能为：

(1)系统采用面向设计过程的思想，集成了人机交互、可视化操作和分析、数据库管理等模块组件，能够与其他CAD平台直接进行数据交换操作；

(2)在设计过程中，可以全方位、动态地显示(旋转、平移和缩放等)三维模型，可以采用图层管理方式，按需要进行显示，清楚地表达地下洞室模型之间及其与地质模型的空间关系等信息；

(3)采用人机交互方式，可以对设计成果进行实时更改；

(4)将设计成果模型与地质模型结合，实现地下洞室模型的地质分析；

(5)系统设计采用了数据库形式进行管理，提高了系统的重用性和开放性，具有良好的可操作性、稳定性和软件维护性．

2 三维地质模型的构建

三维地质模型是地质体的一种数字化表达，数学地质理论、计算机图形学、可视化技术及地理信息系统技术的发展为利用地质勘探资料、重建三维地质模型创造了条件．

2．1 地质结构单元实体模型

水电工程地质区域包含由地质构造运动产生的许多不同的地质结构单元，其结构性决定了岩体的工程力学特性，并对工程岩体的变形、破坏起主导的控制作用．基于地质结构面的NURBS实现[10]，遵循客观地质规律，以各类单个地质结构整体作为相应的地质单元，提出地质结构单元实体重构模型．

地质结构面是由各层面上的离散点和线数据通过成面技术构建而成的，而地质结构体又是由相关的结构面围限而成的，因此地质结构单元实体模型的数学定义为

由空间分割原理可知，任何具有复杂几何形态的对象都可以分解为有限个简单单元形状，通过式(1)重构地质模型，可以完整、快速、客观地描述复杂地质体的空间几何形态．若重构模型的空间区域为Ω，则基于地质结构单元的整体地质模型为

2．2 三维地质与岩级模型的构建

针对工程地质勘探和分析的实际情况，引入工程技术和计算机技术中都已成熟的NURBS技术，并根据其地质特征加以改进，作为实现三维地质建模的工具。

整个地质模型的建立过程由3个子系统组成．

(1)地形模型子系统．利用等高线结合Delaunay算法生成地形表面TIN模型，并通过NURBS技术简化处理，建立三维数字地形曲面模型，然后利用计算机图形学原理由表面模型生成整体NURBS地形轮廓体模型．

(2)地质面模型子系统．将钻孔数据和交互解译得到的二维剖面数据进行三维转换，汇总形成集合；
从中提取结构面的点、线数据，并考虑相互间的空间结构关系，如断层引起的岩层错动、断层的尖灭和岩脉的侵入等，利用NURBS技术形成各个地质结构面．

(3)地质体仿真模型子系统．将上述地形轮廓体模型和地质结构面通过图形布尔切割运算，生成许多空间独立的地质结构单元实体Mc，并汇集成MΩ，然后进行纹理映射描绘以及渲染运算，生成完整的有真实感的三维地质可视化模型．

3 地下洞室三维参数化设计实现

3．1 系统开发工具

AutoCAD作为通用的图形处理软件，除了可以通过系统变量定制参数外，其二次开发的途径主要有[11]：① 文件开发，按照AutoCAD提供的方法和格式，编辑AutoCAD系统所支持的ASCII码标准功能文件或建立同种类型的ASCII码功能文件，满足用户特定需要；
②程序开发，利用AutoCAD提供的编辑环境和开发工具，通过编写程序来实现对AutoCAD开发．AutoCAD常见的开发工具有VB、Visual LISP和VBA等．使用VBA作为开发工具，灵活易用，它与AutoCAD形成统一的整体，之间的通信简单而高效，并且与AutoCAD完全共享内存空间，执行速度比较快．它自带了大量的可视化编程控件，工具中都有专用的数据库控件可直接选用，人机交互界面的设计方便快捷，因此选用VBA作为开发工具，其关键技术有与数据库连接技术、程序自动加载技术和菜单设计等．

3．2 地下洞室三维参数化设计流程

上述基于NURBS技术构建的三维地质模型，不仅包括了地形模型，还包括断层、岩层等地质构造模型，它是地下洞室参数化设计的工程背景，将其导入到AutoCAD软件中，可以让设计者“看着”地质构造进行设计．地下洞室设计相似于道路设计，需要进行“平、纵、横”的考虑．平面设计就是二维洞线设计，可利用AutoCAD工具直接定线，平面线转弯处都是通过圆角连接的．纵断面设计是将平面设计三维化，通过搜索到二维洞线上的点，在保证每个点的X、Y坐标不变的情况下，改变点的Z坐标实现的．为了满足施工和排水的要求，地下洞室都是设计成一定坡度的，所以将坡度作为主要的参数来考虑．二维洞线三维化是从设计者指定的一端开始，依次计算两点间的水平距离，根据坡度值就可求出两点间的高差，由端点的Z坐标，依次求出并设置每个点的Z坐标．纵断面的变坡处通常是用二次曲线连接的，输入曲线方程，通过方程约束驱动，完成三维洞线的设计．地下洞室的横断面有多种形状，常见的有圆形、城门洞形、马蹄形和矩形等，应根据水力条件、围岩特性、地应力分布和施工因素选定．不同的断面有不同的几何参数(圆形的半径，矩形的长、宽，城门洞形的长、宽和半径等)，输入参数通过尺寸驱动完成横断面设计．由三维洞线和横断面数据，选定控制点坐标，就可以利用路径扫描法通过ExtrudedSo．IidAlongPath函数快速实现地下洞室三维几何建模．地下洞室三维模型与三维地质模型做体与体之间的布尔运算，可得到开挖出来具有地质信息的完整、直观的地下洞室三维模型．地下洞室三维模型具有空间属性，根据其地质信息能够方便地计算地质实体的地质结构面的走向、面积以及开挖工程量体积，为地下洞室方案选优提供了重要参数．地下洞室的三维参数化设计流程如图2所示．

4 地下洞室方案优选模型

地下洞室参数化设计，通常依据定性指标的控制，由设计人员根据主观经验，在可行区域范围内初步设计，同时得出多个初始设计方案，构成设计可行方案集．可行方案集中的设计方案往往都能够满足需要，从中选出符合工程实际的“最优”方案，则需要进行方案优选．应用改进的层次分析法[12]，构建地下洞室设计方案优选模型．

针对地下洞室工程的特点，对地下洞室系统进行层次划分，遵循有效性、可靠性和稳定性的原则选取各层次的评价指标，建立地下洞室设计方案优选的多层次评价指标体系，将可行方案集加入评价指标体系中，构成一个由下而上的递阶层次结构，如图3所示．

层次结构中的“概念”通常称为元素．最高层一般只有一个元素，称为目标层；
两个中间层，紧挨着最高层的为子目标层；
子目标层下一层为准则层；
最底层，一般称为方案层．相邻上下层元素问存在着特定逻辑关系．将上层的每个元素同它逻辑关系的下层元素用直线连接起来，这就构成了递阶层次结构模型．就每个上层元素，对于其逻辑关系的下层元素进行一对一的成对比较．通过分析，判断下层元素就上层某一元素而言的相对重要性，判断结果构成判断矩阵

文献[12]以1～9标度作为比较的标准，然而，1～9标度法存在很多弊端：①它的排序权值较粗，并且与人们的判断差别较大；
②有可能出现与实际情况相反的逆序；
③矩阵一致性与思维一致性相脱节．因此采用指数标度法[13]，指数标度如表1所示．

用上述方法求得各元素对上一层的权重后，再由层次总排序即可求出最底层对第一层的权重，归一化后即得各元素的标准权重W=(W1,W2,…,Wm)．根据该权重值就可确定出地下洞室设计的最优方案．

5 工程实例

位于广东省内某大型抽水蓄能电站，工程区域地形较完整，山体雄厚，地势北东高西南低，地面坡度5°～25°，主要的岩性为燕山四期中细粒、中粗粒花岗岩，岩体微风化，岩质坚硬，总体上具有整体一块状结构，完整性好．断层发育集中，纵横交错，形成复杂的断层网络．工程区域的三维地质模型和参数化设计后的地下洞室模型如图4和图5所示．

图4中三维地质模型包括岩层、断层、覆盖层、岩脉以及上下游水库等，图5是地下洞室三维模型，采用A、B两厂布置，共用上、下库进出水口，各厂输水系统均为一洞四机供水方式．从图5(b)可看出地下洞室穿越断层的具体情况．

6 结语

随着我国水利水电建设事业的飞速发展和施工技术的不断进步，越来越多的水电站厂房布置在地下，大型水电工程地下洞室设计工作量大，涉及因素多，各环节之间空间关系错综复杂，大量信息难以直观有效地把握，给地下洞室设计和优化带来了较大的困难．地下洞室三维参数化设计，能够直观、快捷、高效地提出设计方案，并能够实现方案的优选，可以提高设计水平和效率，有助于推动水利水电设计工作的智能化、现代化发展，必将带来显著的经济效益和社会效益，具有较大的推广应用价值．

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基金项目：国家杰出青年科学基金资助项目(50525927)；
国家自然科学基金、二滩水电开发有限公司雅砻江水电开发联合研究基金资助项目(50539120)。

作者简介：钟登华(1963-)，男，博士，教授。

来源：《天津大学学报》2007年5月