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