邱燕紅，林 敏，吳 薇

（1、廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣州 510515；2、廣東省冶金建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 廣州 510062）

關(guān)鍵字：道路土方量；BIM技術(shù)；Civil 3D；曲面；計(jì)算

0 引言

在道路工程建設(shè)項(xiàng)目正式施工前，施工現(xiàn)場應(yīng)達(dá)到水通、電通、道路通和場地平整等條件。傳統(tǒng)方格網(wǎng)法分塊計(jì)算土方工程量的方式比較繁瑣，計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性受工程技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)積累、專業(yè)知識(shí)以及現(xiàn)場地形情況等因素的影響，因此準(zhǔn)確性相對(duì)較低。目前大多數(shù)工程師采用EICAD 軟件應(yīng)用斷面法計(jì)算土石方工程量，遇反復(fù)變更時(shí)工作量較大，準(zhǔn)確性欠佳。

近年來，隨著BIM 技術(shù)在國內(nèi)土木界蓬勃發(fā)展［1］，它成為土木行業(yè)當(dāng)下的熱點(diǎn)和未來的趨勢(shì)［2］。運(yùn)用BIM 技術(shù)能高效準(zhǔn)確計(jì)算場地的土方量［3］，對(duì)現(xiàn)場的施工安排、方案優(yōu)化、土方調(diào)配等均起輔助作用，具有應(yīng)用發(fā)展?jié)摿Γ?］。經(jīng)對(duì)比，本文選用Civil 3D 軟件建立道路及場地模型，因?yàn)镽evit 建模有其局限性，其主要功能為解決建筑工程信息數(shù)據(jù)化的問題，軟件環(huán)境對(duì)道路及巖土工程不友好［5］，而Civil 3D 功能非常強(qiáng)大，能根據(jù)不同數(shù)據(jù)來源生成三維數(shù)字地形模型，可直觀、快速、準(zhǔn)確計(jì)算土方量、繪制縱橫斷面圖、查看三維模型，具有強(qiáng)大的項(xiàng)目管理等功能［6］；其相關(guān)設(shè)計(jì)要素之間的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)和更新功能大大降低了設(shè)計(jì)過程中的勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了所見即所得的設(shè)計(jì)模式，特別是在土石方工程量計(jì)算中，當(dāng)?shù)匦螖?shù)據(jù)發(fā)生變化和設(shè)計(jì)參數(shù)更新之后該功能保證了工程量計(jì)算的正確性［7］。因此，本文嘗試采用BIM 技術(shù)，應(yīng)用Civil 3D快速精確地計(jì)算出場地平整土方工程量，有利于圖紙的表達(dá)，達(dá)到挖填平衡效果。

1 項(xiàng)目概況

某項(xiàng)目位于廣州市花都區(qū)新華街廣州北站北側(cè)，為城市主干道，呈東西走向，西起正在改擴(kuò)建施工中的廣清高速新華站立交，向東與新街大道，規(guī)劃廣河、廣湛客運(yùn)專線，在建廣清、廣佛城際輕軌呈十字型交叉，東止于武廣高鐵西側(cè)既有云山橋16#墩。本項(xiàng)目實(shí)施范圍為K0+127.618～K1+064.210 段，路線全長約0.937 km，道路規(guī)劃紅線寬度40.5～66.8 m，主線橋雙向六車道，兩側(cè)設(shè)置雙向四車道輔道，主線設(shè)計(jì)速度60 km∕h。道路設(shè)計(jì)總平面如圖1所示。

圖1 道路平面設(shè)計(jì)Fig.1 Road Plane Design

由于篇幅和圖片清晰度限制，本文截取主線段K0+127.218 m～K0+331.400 m 樁號(hào)范圍內(nèi)的道路土方設(shè)計(jì)，可知主線兩側(cè)設(shè)雙向四車道輔道與新街大道、規(guī)劃站前西路平交。

2 傳統(tǒng)土方算法

常用的土方量理論計(jì)算方法有“斷面法”和“方格網(wǎng)法”，上述方法偏重精確計(jì)算，計(jì)算繁瑣復(fù)雜，耗時(shí)長，常需工程技術(shù)人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)調(diào)整結(jié)果。

2.1 方格網(wǎng)法

遇地形坡度變化平緩、起伏較小的場地或者大面積的土石方估算，宜用方格網(wǎng)法。將場地劃分成若干個(gè)方格網(wǎng)，分別計(jì)算每個(gè)四棱柱的體積，進(jìn)而將所有四棱柱的體積匯總得到總的挖填方量。應(yīng)用方格網(wǎng)法計(jì)算土方量的精度不高。

2.2 斷面法

遇地狹長、挖填深度較大，地形復(fù)雜起伏變化較大的不規(guī)則地段，宜常用橫斷面法進(jìn)行土方量計(jì)算。其精度與橫斷面的間距有關(guān)，間距越小，精度越高。但在范圍較大、精度要求高的情況下，斷面法計(jì)算量大；若加大斷面的間距，雖能減少計(jì)算量，但會(huì)降低計(jì)算結(jié)果的精度；因此斷面法難以兼顧計(jì)算精度和設(shè)計(jì)速度。

3 Civil 3D在道路土方工程的基本應(yīng)用思路

道路土方工程量的計(jì)算是設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)之一。土方工程量的精確計(jì)算和合理調(diào)配可以幫助設(shè)計(jì)師選擇最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。本道路工程項(xiàng)目場地面積大，數(shù)據(jù)資料形式多為CAD 方格網(wǎng)，且標(biāo)高差異較大，故選用Civil 3D 軟件構(gòu)建地形模型。使用該軟件能夠快速有效地計(jì)算出實(shí)際地形曲面與設(shè)計(jì)曲面之間的土方工程量，輸出土方平衡數(shù)據(jù)，以便合理確定挖填土方數(shù)量及移動(dòng)路徑，為精準(zhǔn)施工提供保證［8］。

應(yīng)用BIM∕Civil 3D 技術(shù)進(jìn)行土方計(jì)算基本思路，將原始地貌提取初始數(shù)據(jù)，載入到Civil 3D 的項(xiàng)目文件，從而創(chuàng)建原始地面曲面［9］；結(jié)合工程實(shí)際情況，綜合考慮地塊規(guī)劃標(biāo)高、與道路銜接、地塊間過渡、邊坡坡比等因素，創(chuàng)建道路設(shè)計(jì)曲面；應(yīng)用采樣線切割道路設(shè)計(jì)曲面和原始地形曲面，創(chuàng)建道路橫斷面施工圖，生成道路土方工程量和道路結(jié)構(gòu)層工程量。上述橫斷面及其工程量都均可隨著模型的調(diào)整而同步更新。

4 Civil 3D土方算法——曲面體積法

4.1 計(jì)算原理

在Civil 3D 同一個(gè)區(qū)域建立兩個(gè)或多個(gè)曲面，比較曲面之間的統(tǒng)計(jì)差，其值就是土方量。若原始地形準(zhǔn)確反映地形，設(shè)計(jì)道路曲面完全與設(shè)計(jì)文件一致，精確比較兩曲面之間的體積，則土方量計(jì)算的結(jié)果完全準(zhǔn)確［10］。曲面的建立是應(yīng)用Civil 3D三維設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，利用地形圖信息（地形點(diǎn)、等高線或特征線等）構(gòu)成三角網(wǎng)，排除奇異點(diǎn)后，形成地形曲面，以建立的三維曲面為基礎(chǔ)進(jìn)行布爾運(yùn)算，即可實(shí)現(xiàn)標(biāo)高控制和場地的挖填［11］。本工程中，以道路兩邊線作為曲面特征線。

4.2 應(yīng)用流程

4.2.1 創(chuàng)建三維原始地形曲面

⑴從地形圖導(dǎo)出點(diǎn)文件——CSV 文件或文本文件

根據(jù)CAD 地形圖創(chuàng)建原始地形曲面，地形圖經(jīng)處理后提取原地面高程點(diǎn)的坐標(biāo)，輸出CSV 文件或文本文件，在以下第三個(gè)步驟，利用Civil 3D 生成原始曲面地形。視情況可同時(shí)采用全站儀等測(cè)量儀器對(duì)施工區(qū)域內(nèi)補(bǔ)測(cè)點(diǎn)測(cè)量，提高地形精度，實(shí)現(xiàn)與方格網(wǎng)數(shù)據(jù)的相互補(bǔ)充。

⑵導(dǎo)入點(diǎn)文件，Civil 3D生成點(diǎn)編組

為了便于整理、同步更新模型，通過導(dǎo)入原始CSV 文件或文本文件，我們將原始場地?cái)?shù)據(jù)創(chuàng)建點(diǎn)編組1“原始曲面組”，將道路中線點(diǎn)數(shù)據(jù)保存為點(diǎn)編組2“道路中線組”；另外將道路設(shè)計(jì)面數(shù)據(jù)導(dǎo)入后創(chuàng)建點(diǎn)編組3“道路設(shè)計(jì)曲面組”。

⑶點(diǎn)編組創(chuàng)建曲面創(chuàng)建原始地形曲面模型、道路中線、道路設(shè)計(jì)曲面

在新建曲面定義中，在點(diǎn)編組中添加“原始曲面組”，即可創(chuàng)建三維地形曲面模型。最后，我們需在三維模式下檢查創(chuàng)建的曲面模型是否異常，因?yàn)榭赡軙?huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)添加失誤而導(dǎo)致添加錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)形成曲面。需將這些錯(cuò)誤數(shù)據(jù)刪除，才能創(chuàng)建與實(shí)際相符的三維地形曲面模型。同樣方法，我們通過點(diǎn)編組快速準(zhǔn)確創(chuàng)建道路中線、道路設(shè)計(jì)曲面。

⑷創(chuàng)建曲面后，根據(jù)需要定義各曲面特性及樣式。原始場地三角網(wǎng)曲面如圖2所示。

圖2 原始場地三角網(wǎng)曲面Fig.2 Original Site Triangular Mesh Surface

4.2.2 根據(jù)道路設(shè)計(jì)標(biāo)高創(chuàng)建道路設(shè)計(jì)曲面

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙及三維坐標(biāo)參數(shù)進(jìn)行進(jìn)行地形圖繪制，建立道路設(shè)計(jì)曲面。

結(jié)合曲面顯示情況，在曲面出現(xiàn)突然變化的部位剔除掉錯(cuò)誤點(diǎn)位數(shù)據(jù)，分別對(duì)原始地面及設(shè)計(jì)高程數(shù)值進(jìn)行檢查，如圖3所示。

圖3 道路設(shè)計(jì)曲面模型Fig.3 Road Design Surface Model

4.2.3 創(chuàng)建放坡組以及曲面組合——將放坡組與道路設(shè)計(jì)面粘貼

創(chuàng)建放坡組后的組合曲面模型如圖4所示。

圖4 創(chuàng)建放坡組后的組合曲面模型Fig.4 Combined Surface Model after Creating a Sloping Group

4.2.4 曲面間的土方量計(jì)算

曲面體積法土方量的計(jì)算是通過原始表面場地模型體積與挖方模型體積之間的差值來實(shí)現(xiàn)挖方或填方量的計(jì)算。參照曲面選擇道路設(shè)計(jì)曲面，基準(zhǔn)曲面選擇原地形曲面，在生成的體積曲面中選擇特性得到土方量計(jì)算信息，通過體積差運(yùn)算得填挖方量。

5 Civil 3D土方算法——橫斷面法

5.1 計(jì)算原理

根據(jù)場地情況，沿場地方向每隔一定距離取斷面，然后根據(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，求得相鄰兩個(gè)斷面的土石方量。同理，求出所有斷面的土石方量后累計(jì)求和，即為總土石方量。土方量精度與斷面間距有關(guān)，間距越小，精度越高，但計(jì)算量大。一般地形平坦時(shí)斷面間距取40～100 m，地形復(fù)雜時(shí)斷面間距取10～30 m。本項(xiàng)目為城市道路，地勢(shì)平坦，斷面間距取20 m，土方量精度足以滿足工程設(shè)計(jì)要求。

5.2 應(yīng)用Civil 3D斷面法道路設(shè)計(jì)的要點(diǎn)

5.2.1 創(chuàng)建道路中心線、平面以及道路縱斷面

地形曲面創(chuàng)建后，通過從對(duì)象創(chuàng)建路線，即可按道路平曲線要素及其控制點(diǎn)位置創(chuàng)建道路平曲線；按出圖標(biāo)準(zhǔn)定義路線樣式，按工程實(shí)際輸入項(xiàng)目起始樁號(hào)K0+127.618。應(yīng)用“縱斷面布局工具”按照豎曲線要素及曲線位置設(shè)定主線段的道路設(shè)計(jì)縱斷面，或利用文本文件創(chuàng)建縱斷面，文本中每行信息應(yīng)包括樁號(hào)、高程、曲線長度。根據(jù)原地形縱斷面，道路設(shè)計(jì)等級(jí)和車速等要求，遵循“平包縱”設(shè)計(jì)原則，確定道路豎曲線、縱坡等設(shè)計(jì)參數(shù)。本工程主線道路工程縱斷面如圖5 所示。

圖5 主線道路縱斷面布置Fig.5 Layout of the Main Line Road Profile

后期可通過調(diào)整“縱斷面柵格視圖”的新增樁號(hào)值、曲線半徑、變坡點(diǎn)高程等數(shù)值，精確地調(diào)整縱斷面的參數(shù)。

5.2.2 道路裝配

Civil 3D 中，設(shè)計(jì)道路橫斷面主要是通過“道路裝配”實(shí)現(xiàn)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求從道路部件庫中選取邊坡、路肩、綠化帶、車道等部件，以組合形式共同組成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的道路設(shè)計(jì)模型。當(dāng)原始場地縱斷面、道路設(shè)計(jì)縱斷面、道路設(shè)計(jì)中心線以及橫斷面位置確定后，即可在原始場地曲面上自動(dòng)采樣，繪制道路土方施工圖。通過設(shè)置采樣線自動(dòng)生成對(duì)應(yīng)樁號(hào)的原始地形橫斷面圖和道路設(shè)計(jì)橫斷面圖。通過道路選項(xiàng)卡的“創(chuàng)建裝配”創(chuàng)建出本工程主線道路的標(biāo)準(zhǔn)橫斷面，如圖6所示。

圖6 主線道路裝配模型Fig.6 Main-line Road Assembly Model

5.2.3 創(chuàng)建道路模型

在“創(chuàng)建道路”選項(xiàng)卡中，在彈出的窗口中選擇對(duì)應(yīng)的道路路線、縱斷面、道路裝配、原始地形曲面即可生成由線條組成的道路設(shè)計(jì)模型骨架。應(yīng)用Civil 3D計(jì)算道路土方工程量時(shí)，需通過道路設(shè)計(jì)曲面及原始地形曲面的對(duì)比才能完成土方工程填挖方量的計(jì)算。因此，還須在道路特性的曲面選項(xiàng)卡中添加道路曲面，生成道路設(shè)計(jì)曲面模型。本工程，道路開挖邊坡與原始地形形成開挖線，原始地形與道路設(shè)計(jì)曲面結(jié)合較好，軟件土方量計(jì)算較準(zhǔn)確，滿足后期工程量計(jì)算要求。

6 Civil 3D 道路土方工程計(jì)算結(jié)果對(duì)比——曲面體積法與斷面法

采用Civil 3D 計(jì)算道路土方工程計(jì)算，簡化了工程人員道路場地平整土方量計(jì)算的工作流程，提高工作效率。以本工程為依托，基于橫斷面法采用Civil 3D技術(shù)建立道路設(shè)計(jì)模型，土方計(jì)算結(jié)果如表1 所示。結(jié)合該工程的實(shí)際應(yīng)用，將曲面體積法與斷面法計(jì)算土方量與傳統(tǒng)軟件土方計(jì)算結(jié)果對(duì)比，對(duì)比分析結(jié)果如表2所示。

表1 Civil 3D斷面法計(jì)算道路土方量Tab.1 The Calculation of Road Earthwork by Section Method with Civil 3D

從表2 可知：①本工程主線道路土石方工程中，Civil 3D 斷面法、Civil 3D 曲面體積法與EICAD 軟件計(jì)算土方工程量的差值百分比分別是-0.84%，-0.70%，0.47%和0.3%，均在2%以內(nèi)，均滿足道路土方量計(jì)算需求；②在道路工程土石方施工調(diào)配中，Civil 3D 斷面法和Civil 3D 曲面體積法均體現(xiàn)出良好的適用性，Civil 3D 斷面法更有利于圖紙的表達(dá)，可采用斷面法設(shè)計(jì)并計(jì)算土石方量，另一種方法復(fù)核。

表2 BIM技術(shù)土方工程量對(duì)比分析Tab.2 Comparast Analysis of Earthwork Quantity Based on BIM

7 結(jié)語

⑴基于BIM 技術(shù)的Civil 3D 斷面法和曲面體積法，計(jì)算道路土方工程量的計(jì)算誤差符合相關(guān)規(guī)定及工程設(shè)計(jì)施工要求。

⑵Civil 3D 軟件道路土方量計(jì)算的核心是曲面，它的計(jì)算準(zhǔn)確性取決于原始地形曲面、道路設(shè)計(jì)曲面的精度。原始地形曲面及道路設(shè)計(jì)曲面的準(zhǔn)確性取決于三維地形數(shù)據(jù)精度，道路設(shè)計(jì)縱斷面和橫斷面的準(zhǔn)確性，裝配的合理性。設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)原始地形的復(fù)雜程度合理設(shè)置步長，采樣線的設(shè)置間距等。

⑶本文以廣州市花都區(qū)新華街北側(cè)某城市主干道的主線道路工程為例，應(yīng)用BIM 技術(shù)計(jì)算土方量及其土方調(diào)配，展示了Civil 3D強(qiáng)大的地形曲面數(shù)據(jù)計(jì)算能力，所有曲面、橫斷面、縱斷面等均以動(dòng)態(tài)方式鏈接，更改任一處的數(shù)據(jù)，與其相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)亦會(huì)即時(shí)更新，提高工程人員的工作效率。