王崇偉，李世晨

（中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津市 300074）

1 概 述

近年來(lái)國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)快速發(fā)展，隨著城市路網(wǎng)的建設(shè)，出現(xiàn)較多大型片區(qū)的開(kāi)發(fā)，它們的面積小則幾千平方米，大至幾十平方千米。項(xiàng)目的總體方案以及總投資均與項(xiàng)目地塊的整體土方平整有著密切的關(guān)聯(lián)，可以說(shuō)，一個(gè)項(xiàng)目地塊的土方平整的好壞將會(huì)影響整個(gè)項(xiàng)目的決策以及將來(lái)地塊使用。

本文工程新農(nóng)至西中島公路（交流島至通水溝）在道路樁號(hào)K10+000～K18+000段需要對(duì)道路南北兩側(cè)地塊進(jìn)行整平。整平范圍：東西方向長(zhǎng)度為8 000 m，寬度為道路南側(cè)紅線（道路中線以南27.5 m）至規(guī)劃鐵路北側(cè)控制線（規(guī)劃鐵路中心線北側(cè)10 m）圍成范圍，寬度范圍為200～630 m，其中道路樁號(hào)K10+109.154～K10+999.134處為規(guī)劃海體通道、K12+795.200～K12+929.208、K13+570.561～K13+718.509處為規(guī)劃河。土方工程不含規(guī)劃海體通道、規(guī)劃河及規(guī)劃鐵路范圍，整平總面積約138萬(wàn)m2，土方總量約600萬(wàn)m3，如圖1所示。

2 工程地質(zhì)條件

場(chǎng)地所處大地構(gòu)造單元為中朝準(zhǔn)地臺(tái)膠遼臺(tái)隆復(fù)州臺(tái)陷復(fù)州-大連凹陷中部西側(cè)。根據(jù)沿線地質(zhì)調(diào)查和資料收集，勘察場(chǎng)地位于長(zhǎng)興島-西三臺(tái)子-趙家屯構(gòu)造帶西南端。根據(jù)勘察場(chǎng)地鉆孔揭露，場(chǎng)地淺層土體構(gòu)成如下：

圖1 項(xiàng)目地理位置圖

（1）淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土(Q4m)?；液稚瑵?，軟塑。局部混粉砂，分布不均勻，呈透鏡體分布。層厚1.00 m左右，層底埋深1.00 m，層底標(biāo)高-0.15 m。

（2）含碎石粉質(zhì)黏土(Q4al+pl)。黃褐色，稍濕，可塑。碎石含量約占20%，成分為石英砂巖，粒徑在20～100 mm，呈次棱角狀。層厚0.5 m，層底埋深1.5 m，層底標(biāo)高-0.65 m。

（3）土層凍結(jié)深度。場(chǎng)地所在地區(qū)土層標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度為0.95 m，最大凍結(jié)深度為1.20 m。

根據(jù)場(chǎng)地工程地質(zhì)條件分析，軟弱土層及凍土可能對(duì)土方計(jì)算有影響。

目前計(jì)算土方量的方法很多，伴隨著新技術(shù)的不斷出現(xiàn)，如何利用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)出的地形數(shù)據(jù)快速、準(zhǔn)確、高效、輕松地計(jì)算出土方量結(jié)果，就成了人們?nèi)找骊P(guān)心的問(wèn)題。而隨著建筑信息模型技術(shù)（BIM技術(shù)）的出現(xiàn)，土方量計(jì)算有了新的更為快捷的途徑。本文將論述該項(xiàng)新技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際工程中，探討出該技術(shù)在土方平整計(jì)算中的實(shí)用性。

3 BIM技術(shù)特點(diǎn)

（1）可視化。所見(jiàn)即所得，這在過(guò)去設(shè)計(jì)中是不可實(shí)現(xiàn)的情況。最初的可視化借助于第三方公司，通過(guò)重新建模、渲染后輸出圖片或視頻內(nèi)容來(lái)展示設(shè)計(jì)內(nèi)容，此方法耗時(shí)長(zhǎng)，且設(shè)計(jì)參數(shù)的修改將引起巨大的工作量以及財(cái)力、人力的浪費(fèi)。BIM下的可視化可令設(shè)計(jì)者在項(xiàng)目初期可直觀、便捷地與項(xiàng)目所有參與方進(jìn)行溝通、討論。項(xiàng)目進(jìn)行中，可視化也可幫助設(shè)計(jì)者從直觀上更加了解自己的作品，且能及時(shí)規(guī)避不必要的錯(cuò)誤。

（2）協(xié)調(diào)性。一個(gè)項(xiàng)目的正常運(yùn)作需要建設(shè)方來(lái)協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)單位、施工單位等。設(shè)計(jì)單位需要協(xié)調(diào)自己部門(mén)的各個(gè)專業(yè)，如項(xiàng)目龐大，還需要協(xié)調(diào)兄弟單位的各個(gè)專業(yè)。施工單位需要協(xié)調(diào)材料供應(yīng)、施工人員管理等。且隨著項(xiàng)目的綜合性、復(fù)雜性的提高，需要協(xié)調(diào)的內(nèi)容越多。BIM旨在減輕管理者的協(xié)調(diào)負(fù)擔(dān)，減少設(shè)計(jì)人員因協(xié)調(diào)不及時(shí)產(chǎn)生的錯(cuò)誤，避免施工單位因協(xié)調(diào)產(chǎn)生的不必要的資金浪費(fèi)。

（3）模擬性。模擬性在BIM系統(tǒng)中不再是簡(jiǎn)單的生成建設(shè)方案模型，而是對(duì)從項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程的模擬、項(xiàng)目建成后運(yùn)營(yíng)的模擬、突發(fā)事件的模擬等。

（4）優(yōu)化性。有了上述三大特點(diǎn)，BIM系統(tǒng)在設(shè)計(jì)建設(shè)方案過(guò)程中就可以針對(duì)項(xiàng)目的方方面面進(jìn)行優(yōu)化，從建設(shè)方案的外觀到運(yùn)營(yíng)期間的內(nèi)部各個(gè)子系統(tǒng)都可以在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行優(yōu)化。

4 項(xiàng)目難點(diǎn)

（1）該項(xiàng)目位于大連西中島，目前現(xiàn)場(chǎng)正處于緊張施工期，如圖2所示。島內(nèi)的山丘因填海需要進(jìn)行開(kāi)山。地形、地物變化快，項(xiàng)目設(shè)計(jì)中需實(shí)時(shí)考慮新施工區(qū)域?qū)ν练接?jì)算的影響。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)施工圖

（2）地形較為復(fù)雜，包含山丘、海域、鹽田、填海吹填區(qū)等。不同海域的海平面高程不同，需分別對(duì)其模型進(jìn)行高程賦值。填海吹填區(qū)的沉降速度及積雪冰凍地區(qū)冬季冰凍影響也需根據(jù)項(xiàng)目進(jìn)度進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，如圖3所示。

圖3 填海吹填區(qū)

（3）根據(jù)建設(shè)進(jìn)度要求，土方工程在石化大道施工期間同步進(jìn)行，如圖4所示。故計(jì)算中需對(duì)石化大道進(jìn)行建模一并考慮，土方地塊與公路邊坡搭接處需要進(jìn)行精細(xì)化建模以滿足土方計(jì)算要求。

圖4 在建石化大道

5 BIM技術(shù)應(yīng)用

本節(jié)通過(guò)Civil 3D軟件建立地形曲面、建立道路模型、分級(jí)放坡、不同海水平面的放坡解決方案的闡述來(lái)形成完整的土方工程施工圖工作流程。

5.1 建立地形曲面

該項(xiàng)目區(qū)域的數(shù)字地形圖由測(cè)量單位提供，格式為DWG，地勢(shì)由等高線與地形散點(diǎn)構(gòu)成。通過(guò)篩選，把數(shù)字地形圖中不必要的圖層關(guān)閉，只保留有效等高線與地形散點(diǎn)。

利用軟件創(chuàng)建曲面，將數(shù)字地形圖轉(zhuǎn)化為特殊格式要求的地形圖，并對(duì)該地形圖進(jìn)行檢查，排除地形異常點(diǎn)，如圖5所示。接下來(lái)在三維觀察器中可以看到局部有異常點(diǎn)，這些點(diǎn)通常是測(cè)量過(guò)程中的誤差，且包含在高程范圍內(nèi)，無(wú)法通過(guò)高程排除功能來(lái)去掉，但一般數(shù)量不多，通過(guò)人工判斷、利用軟件的編輯功能去掉異常點(diǎn)即可。

圖5 三維觀察異常點(diǎn)

通過(guò)以上步驟就可以得到一個(gè)符合軟件要求的地形圖，并且通過(guò)軟件的自動(dòng)排除以及人工去除異常點(diǎn)來(lái)為后面的土方計(jì)算提供精確的數(shù)字地面模型。

5.2 建立道路模型

此次項(xiàng)目石化大道由規(guī)劃單位提供道路的規(guī)劃線位，不需要進(jìn)行道路選線工作，在設(shè)計(jì)中只需對(duì)規(guī)劃的線位進(jìn)行擬合，調(diào)整圓曲線半徑、圓曲線長(zhǎng)度、緩和曲線長(zhǎng)度等滿足相應(yīng)的設(shè)計(jì)車(chē)速要求即可。通過(guò)軟件進(jìn)行道路中心線設(shè)計(jì)、道路縱斷面設(shè)計(jì)、道路橫斷面設(shè)計(jì)。

特別說(shuō)明的是，在道路建模過(guò)程中，具有相同代碼的幾何單元被連接成為連續(xù)的構(gòu)造，而沒(méi)有代碼的幾何單元?jiǎng)t不會(huì)被連接。為了能夠精確反映道路模型，并考慮到以后的施工出圖，設(shè)計(jì)中需要綜合考慮，選用合適的部件，并為部件指定合適的代碼來(lái)組成裝配。

道路模型的建立非常重要。之后的道路土方計(jì)算、施工橫斷面出圖都需要借助精確的道路三維模型?？梢灾苯釉谄矫嬖O(shè)計(jì)中完成道路建模，也可以將路線導(dǎo)出為L(zhǎng)andXML，新建空白文件，再導(dǎo)入LandXML文件，從新建圖形文件開(kāi)始道路建模。這取決于設(shè)計(jì)者的習(xí)慣和工作模式。筆者在設(shè)計(jì)中采用了后一種方法得到道路曲面，如圖6所示。

圖6 石化大道曲面

5.3 曲面粘貼

將石化大道曲面模型粘貼到地形曲面模型上，使之成為一體，便于后續(xù)土方量的計(jì)算。

首先選擇地形曲面，在編輯曲面中選擇粘貼曲面，選擇石化大道路基曲面，則可將石化大道路基曲面粘貼至地形曲面上，如圖7、圖8所示。

圖7 粘貼曲面過(guò)程

圖8 最終粘貼曲面結(jié)果

5.4 分級(jí)放坡

相對(duì)于傳統(tǒng)的計(jì)算軟件，BIM平臺(tái)下的軟件功能更加豐富且直觀。由此可以在實(shí)際工程中通過(guò)簡(jiǎn)單的操作來(lái)創(chuàng)建復(fù)雜的模型。選擇相應(yīng)的邊坡類型后，具體的參數(shù)可進(jìn)一步修改，以滿足計(jì)算精度的要求。

實(shí)際工程中針對(duì)開(kāi)山情況，需要根據(jù)地勘報(bào)告來(lái)分析合理的邊坡坡率及分級(jí)高度，而B(niǎo)IM平臺(tái)下的軟件幾乎滿足了所有實(shí)際工程遇見(jiàn)的類型，如圖9所示。

5.5 不同海水平面的放坡解決方案

圖9 分級(jí)邊坡

該項(xiàng)目處于鹽田區(qū)，不同樁號(hào)所在的鹽田水域高程不同。根據(jù)路基處理方案，海域及鹽田水位線高度與路基處理高度息息相關(guān)。通過(guò)BIM技術(shù)，可以將放坡構(gòu)件根據(jù)路基處理方案的不同設(shè)置不同的目標(biāo)曲面（見(jiàn)圖10），便于計(jì)算的準(zhǔn)確性。

圖10 鹽田海水平面曲面

在項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于建設(shè)期較為緊張，在施工圖設(shè)計(jì)階段，部分水域的高程外業(yè)測(cè)量還未完成，故在建模過(guò)程中采取假定高程建模，待外業(yè)測(cè)量提供數(shù)據(jù)后，替換高程即可動(dòng)態(tài)完成設(shè)計(jì)，既保證了項(xiàng)目進(jìn)度，又能確保工程質(zhì)量要求。

5.6 土方施工圖輸出

5.6.1 計(jì)算方法

（1）體積法。體積法基本原理為通過(guò)對(duì)場(chǎng)地的大致劃分，簡(jiǎn)單歸類為圓錐體、棱臺(tái)等便于計(jì)算的規(guī)則幾何體，通過(guò)幾何體體積計(jì)算公式來(lái)完成計(jì)算，比較方便，但是精度很差，一般用于簡(jiǎn)單工程的土方估算。

（2）斷面法。斷面法基本原理為通過(guò)一組相互平行的橫斷面將計(jì)算地塊分割成段，分別計(jì)算每一段的體積，然后求和。此計(jì)算方法比較靈活，可通過(guò)項(xiàng)目不同階段來(lái)確定劃分?jǐn)嗝娴臄?shù)量，既能滿足各階段的深度要求，又可避免不必要的工作量。

（3）方格網(wǎng)法。方格網(wǎng)法基本原理為通過(guò)將地塊劃分為一個(gè)個(gè)正方形（邊長(zhǎng)在10～100 m），通過(guò)每個(gè)角點(diǎn)的地面高與設(shè)計(jì)高之差來(lái)計(jì)算每個(gè)方格內(nèi)的土方體積，最后求和得到整個(gè)地塊的填挖方數(shù)量。方格網(wǎng)法簡(jiǎn)便直觀、易于操作，尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)及測(cè)量技術(shù)不斷更新，數(shù)字地形圖為土方工程的精確計(jì)算提供了可靠的地形數(shù)據(jù)。本文項(xiàng)目的計(jì)算方法即為方格網(wǎng)法。

5.6.2 施工圖輸出

這里采用的是俄羅斯的一款土方計(jì)算插件Cartogramma來(lái)生成土方施工圖，通過(guò)簡(jiǎn)單操作，便可生成常用的土方施工圖，如圖11所示。

6 結(jié) 語(yǔ)

該項(xiàng)目于2017年9月開(kāi)始實(shí)施，目前已完成段的土方實(shí)際工程量基本與計(jì)算相符，滿足建設(shè)方對(duì)項(xiàng)目把控精度的要求，如圖12、圖13所示。

圖12 現(xiàn)場(chǎng)山體開(kāi)挖

圖13 現(xiàn)場(chǎng)填海段

通過(guò)實(shí)際工程項(xiàng)目的應(yīng)用，BIM技術(shù)在解決場(chǎng)地土方工程上的優(yōu)點(diǎn)主要有下面幾點(diǎn)：

（1）快速計(jì)算，有效把控。項(xiàng)目初期通過(guò)快速建模，及時(shí)得出總體土方工程量，為建設(shè)方提供準(zhǔn)確有效的數(shù)據(jù)，便于有效把控項(xiàng)目的進(jìn)度與資金協(xié)調(diào)。

（2）直接明了，方便溝通。項(xiàng)目進(jìn)行中，利用方案進(jìn)度匯報(bào)會(huì)直接在計(jì)算機(jī)中生成粗略的模型圖，直觀地呈現(xiàn)給建設(shè)方，便于與非專業(yè)的管理者進(jìn)行有效、方便的溝通，提高工作效率。

（3）優(yōu)化便捷，出圖快捷。工程進(jìn)行中其他專業(yè)的調(diào)整（如公路的縱斷變化），在BIM模型中可非常方便地做出調(diào)整，并動(dòng)態(tài)生成最新數(shù)據(jù)。根據(jù)最新數(shù)據(jù)快速調(diào)整后便可輸出施工圖。