汪李艷，楊 珂，王春娟

(1.中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司，西安 710065；2.陜西省水務(wù)集團(tuán)，西安 710016)

1 ZDM軟件介紹

ZDM軟件是在AutoCAD平臺上開發(fā)出來的一款CAD輔助設(shè)計軟件，可以廣泛應(yīng)用于水利水電行業(yè)的各個專業(yè)。該軟件由184項通用功能與232項專業(yè)功能組成了土建、管道、電氣共3個專業(yè)模塊，包含了鋼筋圖、建筑規(guī)劃、渠道、管線、堤防及河道設(shè)計、管網(wǎng)水力計算以及開挖計算等不同功能的軟件包共10余種，含有制圖命令約600多條。經(jīng)過大量的工程設(shè)計實(shí)踐驗證，ZDM軟件能夠大幅提高設(shè)計人員的工作效率，節(jié)省大量的制圖時間。該軟件的渠道、管線、堤防及河道設(shè)計軟件包特別是對長線路工程的設(shè)計效率有較顯著的提高[1]。同樣，在該軟件中占據(jù)重要地位的開挖計算軟件包功能也非常強(qiáng)大。其中，針對土方工程量的計算根據(jù)其功能與適用范圍的設(shè)計有3種不同的方法[2-3]：剖面法、放坡法和三維實(shí)體法。

2 3種土方量計算方法的分析與比較

本文根據(jù)已施工的某管道工程[4-5]中的一段 (見圖1)，就ZDM軟件3種土方工程量計算方法的計算過程、適用性及其優(yōu)缺點(diǎn)等方面進(jìn)行分析比較。無論是哪種計算方法，都必須以精確的測繪地形圖為基礎(chǔ)，并利用該軟件對地形圖進(jìn)行必要的處理。

2.1 剖面法

剖面法[4]是指在管線平面布置圖中設(shè)置等距離的剖切樁號，再剖切橫斷面并插入設(shè)計開挖斷面，然后在橫剖圖上計算挖填量，最后匯總統(tǒng)計生成工程量表。該方法基本步驟如下[1]。

(1) bzzh：標(biāo)注管線首尾兩端及各拐點(diǎn)樁號。

(2) dxpm：剖切管道中心線縱斷面，然后在該縱斷面圖上根據(jù)地形、管道的設(shè)計埋深以及其他要求來確定管道的設(shè)計開挖底部高程。

(3) bzzh2：在平面布置圖上對管線設(shè)置等距離的剖切樁號，本例每30 m設(shè)置1個樁號(剖切樁號的疏密是影響土方工程量計算精度的因素之一)。

(4) p_bg：在平面布置圖上設(shè)置管道中心線的設(shè)計開挖底部高程。將第2步設(shè)置好的管道中心線設(shè)計開挖底部高程通過cr及uppm命令導(dǎo)入到管道中心線平面布置圖中(見圖2)。

(5) dxpm：剖切管道平面圖上各樁號所對應(yīng)的橫剖面。

(6) indm：批量對第5步中每個橫剖面插入設(shè)計開挖斷面(見圖3)。

(7) kwarea：批量計算每個橫斷面的土方開挖量

(8) calarea：根據(jù)管道實(shí)際長度按斷面平均法計算開挖工程量，并在CAD圖上直接生成計算表格(見表1)。

圖1 管道平面布置圖

圖2 帶樁號及處理后的管道平面布置圖

圖3 開挖斷面圖 單位：m

樁號/m間距L/m挖方A/m2A/m2V/m30+000.00 3.94 0+030.00303.943.94118.20+060.00303.953.95118.360+090.00303.923.94118.060+120.00303.953.94118.060+150.0030.014.184.07121.990+180.00304.194.19125.550+210.00303.944.07121.950+240.00303.913.93117.760+270.0030.014.094.00120.040+300.00303.944.02120.460+330.0030.013.953.95118.390+360.0030.013.993.97119.130+390.00303.943.97118.950+420.0030.013.973.96118.710+430.4810.483.953.9641.51工程量合計 1717.11

2.2 放坡法

放坡法[5-6]是直接在管線平面圖中根據(jù)開挖坡比繪制放坡線，并按設(shè)計開挖斷面進(jìn)行土方挖填的計算。實(shí)際計算時對梯形開挖斷面分別計算第Ⅰ部分及第Ⅱ部分工程量，最終計算結(jié)果為Ⅰ、Ⅱ部分工程量之和(見圖4)。

圖4 開挖斷面計算分塊圖

該方法基本步驟如下[1]。

(1) p_bg：在平面布置圖上設(shè)置管道中心線的設(shè)計開挖底部高程(直接采用第1種方法的基礎(chǔ)數(shù)據(jù))。

(2) ofpbg：根據(jù)管道設(shè)計開挖槽底寬度，偏移中心線。

(3) fpx：根據(jù)擬定的開挖坡比繪制管槽兩側(cè)放坡線(見圖5)。

(4) pjx：生成坡腳線并計算第Ⅰ部分開挖工程量。所謂坡腳線即為放坡線與地面線結(jié)合而生成的開挖線。

(5) tltw：計算第Ⅱ部分開挖工程量。

最終兩部分計算結(jié)果(見圖5)。

2.3 三維實(shí)體法

三維實(shí)體法[7]是指在管線平面圖中建立三維實(shí)體模型，并進(jìn)行土方挖填的計算。ZDM軟件可以建立幾種簡單的三維實(shí)體模型，如楔形實(shí)體、帶狀實(shí)體、方變圓實(shí)體及異形城門洞實(shí)體等，對實(shí)體進(jìn)行差集計算，即可求出土方挖填量。該方法基本步驟如下。

(1) bzzh：標(biāo)注管線首尾兩端及各拐點(diǎn)樁號。

(2) p_bg：在平面布置圖上設(shè)置管道中心線的設(shè)計開挖底部高程(直接采用第1種方法的基礎(chǔ)數(shù)據(jù))。

(3) tran3d：將二維多段線轉(zhuǎn)換為三維多段線。

(4) stls：此步先制作一個封閉的開挖斷面，再將該開挖斷面放入管道平面圖中進(jìn)行三維拉伸。

(5) dx_solid：沿管道中心線采用多段線設(shè)置一個封閉區(qū)域，建立實(shí)體地面以及管道帶狀三維實(shí)體模型(見圖6)。

(6) calwtf：直接通過第5步建立的實(shí)體模型進(jìn)行管道土方開挖計算。

2.4 計算結(jié)果分析

以上3種土方挖填計算方法的計算結(jié)果見表2[8]。

表2 3種方法計算成果比較表

根據(jù)表2可以看出，剖面法的計算結(jié)果最接近實(shí)際施工所發(fā)生的工程量，誤差僅為4.5%，若是縮小樁號計算間距，誤差還可以減小。

3 結(jié) 語

ZDM軟件3種挖填計算方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，且每種方法的適用范圍、精度、易操作性都有所不同，具體如下：

(1) 剖面法可適用于任何地形和建筑物體型的土方挖填計算，也適用于工程的各個設(shè)計階段并特別適用于長距離工程，計算精度依賴于樁號設(shè)置的疏密程度，尤其在地形起伏較大的位置，若要獲得較為精確的計算結(jié)果，需要減小斷面間距，增加斷面?zhèn)€數(shù)。該方法優(yōu)勢在于一旦平面線路調(diào)整，可以根據(jù)線路的調(diào)整對相關(guān)聯(lián)的縱斷面圖、橫斷面圖進(jìn)行自動更新，修改方便。該方法雖然步驟較多但可操作性強(qiáng)，設(shè)計人員能夠較快而且熟練的掌握，也是使用頻率最高的一種方法。

圖5 放坡法計算原理及計算結(jié)果圖

圖6 管道開挖實(shí)體模型

(2) 放坡法和三維實(shí)體法適用于工程的前期規(guī)劃及可研階段(工程量計算精度的要求不是很高)，對工程的初設(shè)階段、施工詳圖階段以及長距離工程并不推薦。這兩種方法的最大優(yōu)點(diǎn)是無需剖切橫斷面進(jìn)行開挖計算，挖填方的組合計算較方便。隨著地形越復(fù)雜，距離越長，這兩種方法的計算過程也很長，計算的精度也難以保證，因為在計算過程中對地形做了很多近似處理。況且，一旦平面線路調(diào)整，必須重新建模并計算，修改不方便。這兩種方法都是直接在平面圖上進(jìn)行操作并得到計算結(jié)果，沒有形成縱橫斷面圖的相關(guān)數(shù)據(jù)，為以后成圖工作帶來很大不方便。

剖面法、放坡法和三維實(shí)體法3種挖填計算工具是ZDM軟件的核心內(nèi)容之一，其中剖面法有其廣泛的實(shí)用性，相對放坡法和三維實(shí)體法，計算精度也更容易被設(shè)計人員把握，同時還可以結(jié)合ZDM軟件中的縱、橫斷面圖模塊共同使用，后期成圖工作也顯得尤為方便，設(shè)計人員可以在較為緊張的設(shè)計周期內(nèi)大幅提高工作效率。

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