昂 龍，李大華，宋辰辰，韓 炎

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院,安徽 合肥 230601)

關(guān)鍵字：土方量；Autodesk Civil 3D；曲面；計(jì)算；評(píng)估

0 引言

土方工程是土木工程施工的先導(dǎo)過(guò)程[1]。由于它具有工程量大、施工條件復(fù)雜和不可確定因素較多等特點(diǎn)，因此制定經(jīng)濟(jì)合理的施工方案對(duì)保證工程施工質(zhì)量、工期、安全和降低工程成本的意義重大，而準(zhǔn)確計(jì)算土方工程量是制定土方施工方案的前提[2]。現(xiàn)今如Arc GIS、南方測(cè)繪的CASS，雖說(shuō)增加了計(jì)算土方量方法的多樣性，但對(duì)于一些數(shù)據(jù)的篩選、添加和刪除以及結(jié)果的輸出還或多或少的存在些不足[3-4]。

Civil 3D是由Autodesk公司推出的能進(jìn)行土木工程道路設(shè)計(jì)與計(jì)算土石方量的精確制圖軟件，該公司在2004年發(fā)布的軟件Autodesk Civil 3D 2004中所有的對(duì)象都是動(dòng)態(tài)聯(lián)系的，并且在設(shè)計(jì)過(guò)程中若有數(shù)據(jù)的變更，在最終的輸出結(jié)果中會(huì)有體現(xiàn)。同時(shí)在2011年，美國(guó)加利福利亞運(yùn)輸局就宣布將Civil 3D軟件作為州內(nèi)道路設(shè)計(jì)的工具[5]。在我國(guó)，基于Civil 3D的土方施工工程也都應(yīng)用廣泛[6-10]。

1 土方工程量計(jì)算的一般方法

傳統(tǒng)的土方工程量計(jì)算方法有D T M法、方格網(wǎng)法和橫斷面法，不同的方法可以應(yīng)對(duì)不同的計(jì)算要求[11]。

1.1 DTM（Digital Terrain Model）法

DTM（數(shù)字地形模型） 常通過(guò)TIN（Triangulated Irregular Network不規(guī)則三角網(wǎng)） 法構(gòu)造三角網(wǎng)建立。DTM法通過(guò)將各個(gè)高程點(diǎn)連成一個(gè)個(gè)小的三角進(jìn)而生成一張不規(guī)則的三角網(wǎng)，使需要計(jì)算的地形曲面分解為多個(gè)或者無(wú)數(shù)個(gè)三角錐。這些三角在實(shí)際中分為三種情況，一種是全填方，一種是全挖方（見(jiàn)圖1，h1、h2為挖方或者填方高度），最后一種是既有填方又有挖方（見(jiàn)圖2，h1、h2、h3為挖填方高度）。在計(jì)算過(guò)程中填方用“+”表示，挖方用“-”表示，之后運(yùn)用數(shù)學(xué)公式將每個(gè)不規(guī)則的三角形體積計(jì)算出來(lái)，最后將填方體積和挖方體積統(tǒng)計(jì)出來(lái)便可得到指定場(chǎng)地內(nèi)的挖填方數(shù)量[12]。

圖1 挖方、填方示意圖

圖2 既挖方又填方示意圖

1.2 方格網(wǎng)法

方格網(wǎng)法（見(jiàn)圖3） 實(shí)質(zhì)是將場(chǎng)地進(jìn)行單元化分割成若干個(gè)正方形網(wǎng)格，計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格的體積[13]。同時(shí)網(wǎng)格越小，所包含的地形信息也就越詳細(xì)，但因?yàn)榫W(wǎng)格數(shù)眾多，信息量大，各網(wǎng)格間的重疊干擾也就越大，精確度也會(huì)繼而下降，所以方格法主要適用邊界規(guī)整的場(chǎng)地。

圖3 方格網(wǎng)法示意圖

圖4 橫斷面法示意圖

1.3 橫斷面法

橫斷面法（見(jiàn)圖4）是當(dāng)遇到場(chǎng)地標(biāo)高相差較大，地形較為狹長(zhǎng)且有不規(guī)則的呈帶狀分布的道路或者河道時(shí)常用的一種運(yùn)算方法，這種方法能較為方便快速的進(jìn)行計(jì)算。在計(jì)算時(shí)，沿長(zhǎng)度方向每隔一定的距離取一斷面，后根據(jù)每個(gè)斷面的面積計(jì)算相鄰斷面的平均面積再乘以相鄰斷面的距離，便可求得相鄰兩斷面的挖填方體積V(計(jì)算方法見(jiàn)公式1)[14]。同理在求出所有分割斷面的土方量后累計(jì)求和，即為所求場(chǎng)地的總挖填土方量[15]。

式中：F1、F2——兩端的斷面面積(m2);

F0——中間段的斷面面積(m2)；

L——斷面計(jì)算長(zhǎng)度(m)

在Civil 3D中，可以通過(guò)創(chuàng)建曲面來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字地形模擬，該模擬過(guò)程是將已創(chuàng)建好的由方格網(wǎng)或三角形組成的曲面通過(guò)三維空間進(jìn)行表示。由勘測(cè)單位外業(yè)人員所采集的項(xiàng)目地形高程點(diǎn)通過(guò)軟件分析繪制成地形圖。在軟件中，可以對(duì)之前已經(jīng)繪制好的地形圖通過(guò)構(gòu)建三維曲面，對(duì)高程點(diǎn)、等高線、流域面積、坡向和坡度進(jìn)行分析。在對(duì)已分析好的曲面數(shù)據(jù)進(jìn)行添加、刪除和編輯時(shí)，因其各設(shè)計(jì)元素間存在動(dòng)態(tài)聯(lián)動(dòng)關(guān)系，所以之前的分析數(shù)據(jù)都可以自動(dòng)同步更新。通過(guò)軟件可以采用三維幾何算法在對(duì)已分析完的地形圖中的每個(gè)高程點(diǎn)和z值進(jìn)行精確的差值計(jì)算為后續(xù)計(jì)算挖填土方量做準(zhǔn)備。

2 工程概況

該項(xiàng)目為特大型換流站項(xiàng)目的場(chǎng)平工程，地址位于安徽省宣城市古泉鎮(zhèn)敬亭山區(qū)，總占地面積約37.68公頃。項(xiàng)目地形復(fù)雜，坡度7°-25°，場(chǎng)地地面標(biāo)高最小高程51 m，最大高程89 m。在進(jìn)行大面積土方工程施工時(shí)有一定的技術(shù)難度，由于當(dāng)?shù)亓?、耕土地資源緊張，土方外運(yùn)或外購(gòu)困難，且施工場(chǎng)地周邊生態(tài)保護(hù)林地存在，提高了對(duì)綠色施工及資源有效利用方面的要求，因此必須合理精準(zhǔn)確定土方工程量,以求達(dá)到挖填平衡的效果。

圖5 項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)圖

圖6 原始曲面圖

3 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

本工程計(jì)算站區(qū)內(nèi)平基土方的資料為勘測(cè)單位給出的現(xiàn)場(chǎng)圖（見(jiàn)圖5，單位：mm），圖中主要包括道路走向、已測(cè)繪好經(jīng)軟件合成的等高線和高程點(diǎn)數(shù)據(jù)圖，同時(shí)在圖中還標(biāo)明了站區(qū)平基場(chǎng)地的邊界線。

4 挖填方量計(jì)算

4.1 創(chuàng)建曲面

本項(xiàng)目中，利用現(xiàn)場(chǎng)圖中的等高線和高程點(diǎn)創(chuàng)建曲面。經(jīng)Civil 3D軟件運(yùn)用特性查看可知現(xiàn)場(chǎng)圖中的等高線和高程點(diǎn)均為三維坐標(biāo)，即z坐標(biāo)為正確的高程值。而且通過(guò)D T M法創(chuàng)建三角網(wǎng)能更好地表示復(fù)雜地形如陡坡和山脊的信息，所以，可選擇“創(chuàng)建曲面”在瀏覽選項(xiàng)卡中點(diǎn)擊“曲面”下拉菜單,在“定義”中利用等高線和高程點(diǎn)將現(xiàn)場(chǎng)圖創(chuàng)建為三角網(wǎng)曲面，在生成的曲面圖中添加主等高線和次等高線使之生成比較精確的原始曲面圖(見(jiàn)圖6)。

4.2 編輯修改原始曲面圖

在已創(chuàng)建好的曲面，依據(jù)即建的換流站站址的用地紅線，將原始曲面進(jìn)行裁剪（見(jiàn)圖7），裁剪成功后，為較清晰的顯示站址內(nèi)的地形特點(diǎn)，可打開(kāi)軟件的“曲面特性-地形曲面”，在“分析”欄下可以對(duì)創(chuàng)建好的曲面進(jìn)行高程分析，將“范圍創(chuàng)建依據(jù)”中“范圍間隔”設(shè)置為“8”進(jìn)行分析。分析結(jié)束后打開(kāi)“曲面樣式”在“顯示”中將“視圖方向”選為“平面”后，“高程”選項(xiàng)設(shè)置為可見(jiàn)，其余不可見(jiàn)。插入圖例，便得到更直觀的站區(qū)場(chǎng)地各標(biāo)高段內(nèi)的渲染效果圖(見(jiàn)圖8，單位：m)。

圖7 裁剪圖

圖8 渲染效果圖

圖9 場(chǎng)地平整圖

圖11 土方施工圖

4.3 創(chuàng)建放坡組

Civil 3D中的放坡是以創(chuàng)建好的曲面圖為依據(jù)來(lái)創(chuàng)建一個(gè)新曲面[16]。將圖5中原邊框多段線轉(zhuǎn)換為要素線，已設(shè)置好的高程值在轉(zhuǎn)換時(shí)會(huì)自動(dòng)保留。放坡對(duì)象劃分的標(biāo)志為要素線，放坡時(shí)，根據(jù)本項(xiàng)目的情況，邊坡挖填方放坡坡度為水平，方向向內(nèi)，邊坡外放坡暫不考慮。在“放坡”模塊中選擇“放坡創(chuàng)建工具”，選擇必要的參數(shù)后，可創(chuàng)建放坡，放坡結(jié)束后平基場(chǎng)地內(nèi)的其他區(qū)域可創(chuàng)建填充，將站址內(nèi)平整為一平面(見(jiàn)圖9)。

4.4 生成土方報(bào)告

根據(jù)已放坡的曲面，在確定放坡組特性后，點(diǎn)擊放坡體積工具生成本項(xiàng)目平基土方報(bào)告(見(jiàn)圖10)，在Civil 3D的工具欄中點(diǎn)擊曲面，運(yùn)行生成土方施工圖命令，生成土方網(wǎng)格施工圖(見(jiàn)圖11)，挖填平衡后站址標(biāo)高為75.202 m。

4.5 土方計(jì)算方法比較

除利用Civil 3D軟件計(jì)算土方量外，還利用Arc GIS軟件采用DE M法對(duì)場(chǎng)區(qū)進(jìn)行了土方量的計(jì)算，以驗(yàn)證和對(duì)比Civil 3D在本工程中的應(yīng)用價(jià)值。

Arc GIS計(jì)算土方量需提前設(shè)定場(chǎng)平標(biāo)高(上述Civil 3D算出最終挖填平衡標(biāo)高為75.202 m)，軟件根據(jù)設(shè)定好的標(biāo)高來(lái)進(jìn)行土方的挖填量計(jì)算。結(jié)合本項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)地形地貌的實(shí)際情況確定選用DE M法進(jìn)行本工程土方量的計(jì)算和比較。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

從土的挖填方量來(lái)比較，Arc GIS無(wú)法達(dá)到真正的挖填平衡，對(duì)施工的指導(dǎo)意義作用較小，而經(jīng)Civil 3D模擬的結(jié)果，達(dá)到了挖填平衡，能為施工人員提供參考。

從實(shí)際應(yīng)用比較，Arc GIS軟件模擬的土方量計(jì)算給定場(chǎng)地平整后的標(biāo)高，其可以作為土方量驗(yàn)算的工具，而Civil 3D能夠在勘繪結(jié)束利用得到的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行先期的土方量計(jì)算，生成施工圖，為后期場(chǎng)平標(biāo)高的確定給出參考依據(jù)。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)基于建筑信息模型(BIM)技術(shù)的Civil 3D具有強(qiáng)大的設(shè)計(jì)計(jì)算能力以及直觀、精確等特點(diǎn)，同時(shí)其每個(gè)關(guān)聯(lián)要素間的緊密聯(lián)系為土方計(jì)算提供了高效的解決方法，其時(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)更新為操作人員帶來(lái)便捷。

(2)Civil 3D有利于提高三維可視化設(shè)計(jì)的質(zhì)量和精度以及快速進(jìn)行復(fù)雜地形的土石方施工規(guī)劃，能夠準(zhǔn)確地計(jì)算土石方量，達(dá)到了挖填平衡的效果，保證了工程效益，為工程施工提供建議。

(3)通過(guò)Civil 3D軟件對(duì)初始地形數(shù)據(jù)圖進(jìn)行從平面到立體的設(shè)計(jì)和依據(jù)不同地形特點(diǎn)采用不同的計(jì)算方法避免了重復(fù)工作。