混凝土重力坝三维建模方法：以长江三峡水利枢纽工程为例

下面以长江三峡水利枢纽工程二期大坝的三维建模为例，介绍运用组件拼合法建立混凝土重力坝三维模型过程。三峡工程二期大坝平面布置图如图5-1所示。整个三峡二期大坝分为非溢流坝段、电站厂房坝段和泄洪坝段三个部分，可将每一部分作为独立单元组件建立三维实体模型，使用组件拼合法建立大坝整体三维实体模型。

1.大坝基坑建模

由于每个坝段建基面高程都不相同，为了简化各坝段的三维建模过程，需要建立大坝基坑的三维实体模型。各坝段实体模型分别与基坑三维实体模型进行静态布尔运算，可实现不同建基面高程的坝段三维实体模型的快速建立。同时，基坑三维实体模型也作为整个大坝三维模型与TIN数字地面模型完全缝合的连接物。大坝基坑的三维实体模型可采用以下流程建立：

（1）根据设计图纸，先确定基坑范围建基面控制线，以控制线为约束构造TIN三角网。

（2）然后在AutoCAD下沿路径拉伸（Extrude）所有三角面，将建基面三角网转化为三棱柱体集合，这一步操作需要注意不同AutoCAD版本Extrude命令执行结果的区别。

（3）运用布尔运算Union方式将所有三棱柱体合并，形成基坑的三维实体模型，如图5-2所示为泄洪坝段基坑三维实体模型消隐图。

图5-2　泄洪坝段基坑三维实体模型消隐图

2.非溢流坝段建模

三峡二期大坝的非溢流坝段位于左岸，共由18个坝段组成，每个坝段主体结构大体相同，因此，可以在建立一个坝段单元组件后，沿坝轴线进行阵列复制，形成整体非溢流坝段。如图5-3所示为非溢流坝段的典型剖面图。

在3DS Max下建立非溢流坝段单元组件三维实体模型的步骤如下：

（1）首先，依据水工设计图，在AutoCAD下提取非溢流坝的外轮廓线并保存到特定图层。

图5-3　非溢流坝段典型剖面图

图5-4　非溢流坝段三维实体模型

（2）在3DS Max下使用File→Import菜单导入刚才保存的AutoCAD文件，可选择只导入包含轮廓线的图层。

（3）选中导入的非溢流坝外轮廓线，在Modify命令面板中选择Editable Spline→Vertex编辑轮廓线，检查是否为闭合曲线，如果没闭合，可使用选中Connect后连接两点使其闭合。一般情况下，闭合曲线只有一个起始点（方形标示的顶点）。

（4）在Modify命令面板的修改器下拉列表中选择Extrude执行拉伸操作，在Amount输入框中输入坝段宽度值，完成非溢流坝初始模型的建立。

（5）依据溢流坝的几何特征，用同样的方法建立其他辅助子物体，分别对非溢流坝初始模型执行Creat→Geometry→Compound Objects→Boolean布尔运算，最终完成非溢流坝段单元组件的建模，如图5-4所示。

（6）最后，选择Tools→Array菜单，对非溢流坝段单元组件沿坝轴线执行阵列，生成非溢流坝段整体三维模型。

3.电站厂房坝段建模

三峡二期大坝厂房属于坝后式厂房，整个厂房坝段共由14个坝段组成，每个坝段分为大坝部分和厂房部分。厂房又分为机组段和安装间段两种类型，对应的大坝部分结构也不相同。因此，需要单独建立大坝部分和厂房部分的三维实体模型。

对于厂房坝段大坝部分，其典型剖面如图5-5所示，建立厂房坝段的大坝部分三维实体模型的步骤如下：

图5-5　厂房坝段大坝典型剖面图

（1）在AutoCAD下，提取水工设计图中的厂房坝段外轮廓线、压力钢管的轴线和压力钢管断面曲线，导入3DS Max后，按照非溢流坝段单元组件的建模方法使用Extrude修改器建立先建立厂房坝段大坝的初始模型，并通过布尔运算完成其他细节的建模，如图5-6所示。

（2）按实际尺寸绘制压力钢管的内径断面和外径断面形状，内径断面用来控制坝体输水管道挖空部分，内径断面用来控制坝后背管外包混凝土的范围。在3DS Max下使用Creat→Geometry→Compound Objects→Loft，以压力钢管的轴线为Path，断面形状为Shape，进行放样，分别生成压力钢管内径实心模型和外径实心模型，供下一步执行布尔运算使用。放样内径实心模型时，放样路径第1顶点Shape设置为方形断面，从第2～7顶点使用圆形断面，第1顶点到第2顶点之间会自动完成过渡，如图5-7所示。需要注意的是，方形断面的起始点位置和圆形断面的起始点一致，如果不一致，只需旋转圆形断面一定角度即可。

（3）选择厂房坝段大坝的初始模型和压力钢管外径实心模型以Union（合并）方式执行布尔运算，形成坝后背管模型。(www.xing528.com)

图5-6　厂房坝段大坝Extrude生成模型

图5-7　压力钢管放样断面和路径

（4）选择上一步生成的形成坝后背管模型和压力钢管内径实心模型，再以Subtraction（差集）方式执行布尔运算，完成最终厂房坝段大坝部分的三维实体模型，如图5-8所示。

图5-8　厂房坝段大坝三维实体模型

图5-9　主厂房典型剖面图

厂房坝段厂房部分又分为主厂房和副厂房，主厂房典型剖面如图5-9所示。可分别用以上方法建立主厂房三维模型和副厂房三维模型，然后拼合形成厂房部分的整体三维实体模型，如图5-10所示。主厂房三维模型有很多细部模型，如：发电机组、蜗壳、尾水管等，这些模型建立过程较复杂，但建模方法大体跟上面介绍的相同，都是反复使用拉伸、放样、布尔运算和阵列等操作来完成的。

图5-10　厂房整体三维实体模型

4.泄洪坝段建模

三峡二期大坝的泄洪坝段共由24个坝段组成，每个坝段都包含表孔、中孔和底孔三部分，泄洪坝段典型剖面如图5-11所示。相对于非溢流坝段，泄洪坝段的建模过程稍微复杂一些，可以通过将整个坝体划分为多个具有简单拉伸和放样特征的区域，分别建立三维模型，然后运用布尔操作完成模型的拼接。具体步骤与上面介绍的非溢流坝段和厂房坝段的建模过程相同，这里不再详述。最终生成的泄洪坝段三维实体模型如图5-12所示。

图5-11　泄洪坝段典型剖面图

图5-12　泄洪坝段三维实体模型

整个三峡二期大坝除了非溢流坝段、电站厂房坝段和泄洪坝段外，还包括导墙坝段和纵向围堰坝段，这两个坝段分别有各自的几何特征，需要分别建立三维模型，建模过程较简单，这里不再详述。建立所有坝段的单元组件后，依照大坝的平面布置图所确定的空间位置，将各坝段单元组件进行阵列（Array）和复制（Clone），可得三峡工程二期大坝整体的三维实体模型，如图5-13所示。

图5-13　三峡工程二期大坝整体三维模型