王東亮,汪 軍,蘇俊龍,康雨嘉,范林紅

(四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院有限公司 成都市 610041)

0 引言

土方量對公路工程設(shè)計方案比選、預(yù)算控制,以及建設(shè)過程中的進(jìn)度控制、成本控制、結(jié)算支付等都有著較大影響。公路工程一般呈狹長帶狀,涉及范圍廣,丘陵山區(qū)地形起伏較大,精準(zhǔn)、快速計算其土方量難度較大[1-3]。

公路工程土方量計算主要取決于兩個方面,首先是獲取地形數(shù)據(jù)的精度,然后是精確的計算方法。獲取地形數(shù)據(jù)方面,傳統(tǒng)的測量方式一般精度偏低,耗費(fèi)大量的人力物力和時間。測量工作受現(xiàn)場條件限制較多,部分依賴人工操作,對于高山、峽谷、陡坎、深溝等地形起伏較大、植被覆蓋層較厚的區(qū)域往往無法保證地形數(shù)據(jù)的精度。此外,當(dāng)測繪數(shù)據(jù)來源不唯一時,傳統(tǒng)手段很難快速對大量不同數(shù)據(jù)源的地形數(shù)據(jù)相互校核,造成數(shù)據(jù)浪費(fèi),降低數(shù)據(jù)的可靠度。針對經(jīng)緯度跨度較大的公路工程,其平面坐標(biāo)系到球面坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換也影響土方量的計算精度[4]。土方量的計算方法方面,公路工程中傳統(tǒng)的計算方法有平均斷面法、梯形斷面法、方格網(wǎng)法等。這些傳統(tǒng)方法均通過對填挖方體和地形數(shù)據(jù)的簡化來粗略估計兩斷面或方格內(nèi)的填挖方體,由于實際填挖方體為不規(guī)則三維體,其計算精度很難控制,尤其是地形變化較大、路線跨度較長的項目。傳統(tǒng)公路設(shè)計采用二維設(shè)計表達(dá)三維的線性工程,也是影響土方量計算精度的因素[5-6]。

BIM技術(shù)在公路工程設(shè)計中相對于傳統(tǒng)的設(shè)計手段具有精度高、可視化、智能化、高效化等巨大優(yōu)勢。針對公路工程土方量計算中存在的問題,文章從地形數(shù)據(jù)獲取和土方量計算方法兩個方面進(jìn)行研究,提出了基于BIM技術(shù)的公路工程精細(xì)化土方量計算方法。

1 地形數(shù)據(jù)獲取

1.1 多源高精度地形數(shù)據(jù)獲取

高精度的地形數(shù)據(jù)是土方量計算的前提。針對公路工程一般呈帶狀的特點(diǎn),載人飛機(jī)或無人機(jī)攜帶高精度相機(jī)、GPS定位系統(tǒng)、LiDAR、激光雷達(dá)等數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行航飛作業(yè),輔以便攜式設(shè)備,如手持GPS設(shè)備、經(jīng)緯儀等,其測繪地形數(shù)據(jù)成果為等高線、高程點(diǎn)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)、實景模型等,多種測繪方式對比如表1所示。

表1 多種測繪方式對比

各種測繪方式各有利弊,測量時根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驙顩r、技術(shù)條件、工期要求、精度要求等選擇一種或多種技術(shù)進(jìn)行組合,保證測繪成果的質(zhì)量。

1.2 多源地形數(shù)據(jù)融合

單一數(shù)據(jù)來源的地形數(shù)據(jù)存在一定問題。首先,單一數(shù)據(jù)來源中的測量誤差和系統(tǒng)誤差很難被發(fā)現(xiàn),容易累積。其次,缺少其他來源的數(shù)據(jù)驗證,可靠度不夠高。另外,對于公路工程而言,設(shè)計方案的調(diào)整,如路線方案、互通方案或取棄土場調(diào)整等,都可能出現(xiàn)設(shè)計范圍超出原有地形數(shù)據(jù)范圍的情況。這種情況需要對超出的小范圍地形進(jìn)行補(bǔ)測。當(dāng)原地形數(shù)據(jù)采用航測等適合大范圍一次測量的方式時,由于該方式不利于小范圍地形的補(bǔ)測,一般采用其他適合小范圍測繪的方式。重大公路項目一般周期較長,初步設(shè)計階段測地形數(shù)據(jù)可能部分已經(jīng)改變,或精度達(dá)不到要求。到了施工圖階段,需要對重點(diǎn)區(qū)域、重點(diǎn)工點(diǎn)地形數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)測,如隧道洞口、路基斷面、橋、取棄土場等,以滿足數(shù)據(jù)精度的要求。多次測繪、多方式測繪必然涉及到多批、多源數(shù)據(jù)的融合問題[7-8]。

多源地形數(shù)據(jù)的融合,需要充分考慮多種、多批地形數(shù)據(jù)的精度、數(shù)據(jù)格式和特點(diǎn),以高程控制點(diǎn)為主要依據(jù),通過可視化、設(shè)置誤差值等方式,剔除高程突變等位置的地形數(shù)據(jù),最后通過數(shù)值擬合的方式將多源數(shù)據(jù)進(jìn)行重新融合。多數(shù)據(jù)來源的地形數(shù)據(jù)可相互驗證、相互校核,進(jìn)一步提高地形數(shù)據(jù)的可靠度[9-10],多源地形數(shù)據(jù)融合流程如圖1所示。

圖1 多源地形數(shù)據(jù)融合流程圖

2 設(shè)計模型準(zhǔn)備

基于高精度的地形數(shù)據(jù),計算土方量還需要專業(yè)的設(shè)計模型。設(shè)計模型需要一款能夠建立高精度三維公路設(shè)計模型、支持公路工程專業(yè)設(shè)計需求,同時能高效處理多源類型數(shù)據(jù)的軟件工具。通過深入對比各個公路BIM軟件,文章以Bentley的Open Roads Designer軟件為例。

2.1 專業(yè)模板定制

專業(yè)的公路通用模板是建立高精度的公路工程設(shè)計模型的前提。利用Open Roads Designer軟件,通過創(chuàng)建組件、末端條件、點(diǎn)約束、參數(shù)約束等功能,創(chuàng)建項目通用模板。

根據(jù)道路標(biāo)準(zhǔn)橫斷面、路面設(shè)計圖,創(chuàng)建主線、匝道、改路等不同路面的標(biāo)準(zhǔn)模板,適應(yīng)每個版塊寬度和橫坡的調(diào)整。對于匝道鼻端處的路面,路面標(biāo)準(zhǔn)模板庫還支持道路脊線的設(shè)置,保證和設(shè)計完全一致。根據(jù)道路一般設(shè)計圖中邊坡坡高、坡率、平臺寬度等尺寸特征,參照擋土墻設(shè)計、排水設(shè)計的通用圖,結(jié)合橫斷面設(shè)計圖中邊坡設(shè)計、擋土墻等構(gòu)件的具體尺寸,建立邊坡、排水、擋墻的標(biāo)準(zhǔn)模板庫。最后對模板進(jìn)行測試,以保證適應(yīng)當(dāng)前項目的所有橫斷面設(shè)計需求。對于一些構(gòu)造特殊的復(fù)雜構(gòu)件,通過二次開發(fā)的模板創(chuàng)建工具,實現(xiàn)更加復(fù)雜的模板定制。最終,經(jīng)過多條高速公路施工圖項目的檢驗,積累形成了精度高、使用方便、適用范圍廣的模板庫。

2.2 精細(xì)化的設(shè)計模型

傳統(tǒng)二維設(shè)計僅能表達(dá)構(gòu)造物的平面信息或立面信息,對于復(fù)雜三維的線性道路工程,很多細(xì)節(jié)無法表達(dá)。利用Open Roads Designer軟件模板,建立結(jié)構(gòu)物模型,可真實反映工程建成的精確信息,實現(xiàn)“所見即所得”。

(1)通過二次開發(fā)工具輔助建模,如圖2所示,導(dǎo)入或創(chuàng)建路基、橋梁、隧道的分段信息,以及路線、超高、加寬等信息。根據(jù)設(shè)計文件中的詳細(xì)信息,引用相應(yīng)段落的路面模板,并添加超高、寬度信息的參數(shù)約束,快速生成路線和路面等三維模型,速度快,效率高,減少了繁瑣的手動操作并保證了精度。

圖2 二次開發(fā)輔助建模工具箱

(2)建立精細(xì)的路基邊坡模型。創(chuàng)建擋土墻等支擋防護(hù)組件,可按要求進(jìn)行任意組合,邊坡坡高、坡率、級數(shù)可按設(shè)計意圖進(jìn)行調(diào)整,擋墻等構(gòu)造物可在三維可視化的界面中交互式放置,直觀快捷。通過調(diào)整廊道放置的間距等參數(shù)來調(diào)整模型的設(shè)計精度。

(3)創(chuàng)建精細(xì)的細(xì)部構(gòu)造。橋臺錐坡、橋下清方、場坪、取棄土場等構(gòu)造物利用緯地等傳統(tǒng)二維設(shè)計軟件很難精細(xì)化的表達(dá)。復(fù)雜邊坡、匝道邊坡相交、上穿下跨邊緣等位置,只能留給現(xiàn)場靈活處理,對應(yīng)的土方量只能大概預(yù)估。設(shè)計中出于項目預(yù)算的考慮,設(shè)計人員都會對這些土方量進(jìn)行一定的放大,導(dǎo)致設(shè)計土方量與實際相差更大。相對傳統(tǒng)設(shè)計,利用BIM技術(shù)進(jìn)行可視化、精細(xì)化設(shè)計,既保證設(shè)計圖紙的質(zhì)量,又保證了土方量的準(zhǔn)確性。

3 三維土方體積計算方法

3.1 新建項目土方量計算

(1)體積計算方法更加精確。BIM技術(shù)采用三維精確的地形配合詳細(xì)的結(jié)構(gòu)物模型進(jìn)行布爾運(yùn)算,得到真三維的填挖方體,通過橫斷面查看器查詢?nèi)我鈹嗝嫣幍奶钔诜叫螤詈兔娣e,扣除路面鋪裝層范圍,更加準(zhǔn)確。

(2)體積計算方法更加多樣?？伸`活應(yīng)對場坪到指定高程、地形到指定高程、舊路改造擴(kuò)建、既有結(jié)構(gòu)物扣除、任意斷面方量計算等土方量計算相關(guān)需求。任意體均可設(shè)置特征,以計算其與地形之間的填挖方。建立地面原有的道路等地物,也可作為棄方體,選擇重新?lián)Q填或者忽略。

(3)土方量報告方式滿足定制化需求?；诂F(xiàn)有模型,可獲取任意格式的土方量報告。除了傳統(tǒng)的按每個斷面出土方量報告,配合樁號分段來統(tǒng)計計算,還可按填挖方體、左右側(cè)等精細(xì)化土方量統(tǒng)計。除此之外,對于換填等工點(diǎn)的特殊處置方式,還可自定義邊界來計算填挖方的邊界來統(tǒng)計工程量。

3.2 施工過程中土方量計量

采用BIM技術(shù)可進(jìn)行施工過程中土方量的精確計算,解決土方工程計量支付中的精確性問題。

(1)單次計量。在施工過程中,通過高精度地形數(shù)據(jù)獲取技術(shù),獲得計量前準(zhǔn)確的地形模型,并與原地形模型進(jìn)行布爾運(yùn)算,得到已經(jīng)施工的土方量。

(2)分期計量。對于大型土方工程,需要分次計量支付的情況,通過建立相鄰兩次計量時高精度三維地形模型,進(jìn)行布爾運(yùn)算,得出兩次計量間隔內(nèi)施工的精確土方量,為分期支付提供準(zhǔn)確依據(jù)。

4 精細(xì)化土方量計算實例

以四川山嶺重丘區(qū)某高速公路互通立交設(shè)計為例,該項目所在地區(qū)地形起伏較大,且互通路基側(cè)設(shè)置了場坪,用以消耗隧道棄渣,故其土石方量利用傳統(tǒng)的斷面法很難精確計算。

該項目借助Open Roads Designer軟件建立了融合DEM數(shù)據(jù)、傾斜攝影數(shù)據(jù)以及常規(guī)DWG地形圖數(shù)據(jù)的地形信息模型以及結(jié)合施工圖圖紙建立的精細(xì)化道路三維模型,通過計算地形模型與設(shè)計模型之間的三維體來計算得出設(shè)計土方,并對傳統(tǒng)方式計算的土方量與采用BIM技術(shù)計算的結(jié)果進(jìn)行對比,對比結(jié)果如表2所示。

表2 土方量計算統(tǒng)計結(jié)果

通過對比結(jié)果可知,傳統(tǒng)的土方量計算方法在地形起伏較大的山嶺重丘區(qū),特別是路基結(jié)合填方場坪進(jìn)行設(shè)計時,精度往往無法滿足要求。兩者在單個匝道的土方量統(tǒng)計誤差甚至接近10%,總體土方量誤差約5%。因此,采用BIM技術(shù)進(jìn)行精細(xì)化土方量計算具有較大優(yōu)勢。

5 結(jié)語

針對公路工程傳統(tǒng)土方量計算的地形精度不高、計算方法粗放、計算精度低等諸多問題,提出了基于BIM技術(shù)的土石方量精確計算方法。

(1)通過多種地形數(shù)據(jù)采集方式進(jìn)行原始數(shù)據(jù)采集,并對多源地形信息進(jìn)行融合處理,不同來源數(shù)據(jù)相互驗證,剔除誤差偏大的數(shù)據(jù),保證地形數(shù)據(jù)的精度,為土方的精確計算做好基礎(chǔ)。

(2)在精確地形的基礎(chǔ)上,通過二次開發(fā)工具,根據(jù)設(shè)計意圖或設(shè)計數(shù)據(jù),快速建立精細(xì)化的路面、邊坡和細(xì)部構(gòu)造模型。

(3)通過Open Roads Designer軟件計算設(shè)計模型與地形之間的填挖方體,并對填挖方體積進(jìn)行統(tǒng)計,得出精確的土方量數(shù)據(jù)。

通過工程案例,驗證了本計算方法相比傳統(tǒng)計算方法優(yōu)勢。該計算方法對于公路工程設(shè)計土方量預(yù)估和施工過程中的土方量進(jìn)度控制均具有一定的參考價值。