邱燕紅，林 敏，吳 薇

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

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

0 引言

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

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)當下的熱點和未來的趨勢［2］。運用BIM 技術(shù)能高效準確計算場地的土方量［3］，對現(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)對比，本文選用Civil 3D 軟件建立道路及場地模型，因為Revit 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)境對道路及巖土工程不友好［5］，而Civil 3D 功能非常強大，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、準確計算土方量、繪制縱橫斷面圖、查看三維模型，具有強大的項目管理等功能［6］；其相關(guān)設(shè)計要素之間的動態(tài)關(guān)聯(lián)和更新功能大大降低了設(shè)計過程中的勞動強度，實現(xiàn)了所見即所得的設(shè)計模式，特別是在土石方工程量計算中，當?shù)匦螖?shù)據(jù)發(fā)生變化和設(shè)計參數(shù)更新之后該功能保證了工程量計算的正確性［7］。因此，本文嘗試采用BIM 技術(shù)，應(yīng)用Civil 3D快速精確地計算出場地平整土方工程量，有利于圖紙的表達，達到挖填平衡效果。

1 項目概況

某項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。本項目實施范圍為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)計速度60 km∕h。道路設(shè)計總平面如圖1所示。

圖1 道路平面設(shè)計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 樁號范圍內(nèi)的道路土方設(shè)計，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算方法有“斷面法”和“方格網(wǎng)法”，上述方法偏重精確計算，計算繁瑣復(fù)雜，耗時長，常需工程技術(shù)人員根據(jù)經(jīng)驗調(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方格網(wǎng)，分別計算每個四棱柱的體積，進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，宜常用橫斷面法進行土方量計算。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，斷面法計算量大；若加大斷面的間距，雖能減少計算量，但會降低計算結(jié)果的精度；因此斷面法難以兼顧計算精度和設(shè)計速度。

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算是設(shè)計的重要環(huán)節(jié)之一。土方工程量的精確計算和合理調(diào)配可以幫助設(shè)計師選擇最優(yōu)的設(shè)計方案。本道路工程項目場地面積大，數(shù)據(jù)資料形式多為CAD 方格網(wǎng)，且標高差異較大，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算出實際地形曲面與設(shè)計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)量及移動路徑，為精準施工提供保證［8］。

應(yīng)用BIM∕Civil 3D 技術(shù)進行土方計算基本思路，將原始地貌提取初始數(shù)據(jù)，載入到Civil 3D 的項目文件，從而創(chuàng)建原始地面曲面［9］；結(jié)合工程實際情況，綜合考慮地塊規(guī)劃標高、與道路銜接、地塊間過渡、邊坡坡比等因素，創(chuàng)建道路設(shè)計曲面；應(yīng)用采樣線切割道路設(shè)計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 計算原理

在Civil 3D 同一個區(qū)域建立兩個或多個曲面，比較曲面之間的統(tǒng)計差，其值就是土方量。若原始地形準確反映地形，設(shè)計道路曲面完全與設(shè)計文件一致，精確比較兩曲面之間的體積，則土方量計算的結(jié)果完全準確［10］。曲面的建立是應(yīng)用Civil 3D三維設(shè)計的基礎(chǔ)，利用地形圖信息（地形點、等高線或特征線等）構(gòu)成三角網(wǎng)，排除奇異點后，形成地形曲面，以建立的三維曲面為基礎(chǔ)進行布爾運算，即可實現(xiàn)標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從地形圖導出點文件——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的坐標，輸出CSV 文件或文本文件，在以下第三個步驟，利用Civil 3D 生成原始曲面地形。視情況可同時采用全站儀等測量儀器對施工區(qū)域內(nèi)補測點測量，提高地形精度，實現(xiàn)與方格網(wǎng)數(shù)據(jù)的相互補充。

⑵導入點文件，Civil 3D生成點編組

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

⑶點編組創(chuàng)建曲面創(chuàng)建原始地形曲面模型、道路中線、道路設(shè)計曲面

在新建曲面定義中，在點編組中添加“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，因為可能會出現(xiàn)數(shù)據(jù)添加失誤而導致添加錯誤的數(shù)據(jù)形成曲面。需將這些錯誤數(shù)據(jù)刪除，才能創(chuàng)建與實際相符的三維地形曲面模型。同樣方法，我們通過點編組快速準確創(chuàng)建道路中線、道路設(shè)計曲面。

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)計標高創(chuàng)建道路設(shè)計曲面

根據(jù)設(shè)計圖紙及三維坐標參數(shù)進行進行地形圖繪制，建立道路設(shè)計曲面。

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誤點位數(shù)據(jù)，分別對原始地面及設(shè)計高程數(shù)值進行檢查，如圖3所示。

圖3 道路設(shè)計曲面模型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 曲面間的土方量計算

曲面體積法土方量的計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現(xiàn)挖方或填方量的計算。參照曲面選擇道路設(shè)計曲面，基準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算信息，通過體積差運算得填挖方量。

5 Civil 3D土方算法——橫斷面法

5.1 計算原理

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)每個斷面的面積，計算相鄰斷面的平均面積再乘以相鄰斷面的距離，求得相鄰兩個斷面的土石方量。同理，求出所有斷面的土石方量后累計求和，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，但計算量大。一般地形平坦時斷面間距取40～100 m，地形復(fù)雜時斷面間距取10～30 m。本項目為城市道路，地勢平坦，斷面間距取20 m，土方量精度足以滿足工程設(shè)計要求。

5.2 應(yīng)用Civil 3D斷面法道路設(shè)計的要點

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，通過從對象創(chuàng)建路線，即可按道路平曲線要素及其控制點位置創(chuàng)建道路平曲線；按出圖標準定義路線樣式，按工程實際輸入項目起始樁號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、高程、曲線長度。根據(jù)原地形縱斷面，道路設(shè)計等級和車速等要求，遵循“平包縱”設(shè)計原則，確定道路豎曲線、縱坡等設(shè)計參數(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”的新增樁號值、曲線半徑、變坡點高程等數(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)計道路橫斷面主要是通過“道路裝配”實現(xiàn)。根據(jù)設(shè)計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標準的道路設(shè)計模型。當原始場地縱斷面、道路設(shè)計縱斷面、道路設(shè)計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采樣，繪制道路土方施工圖。通過設(shè)置采樣線自動生成對應(yīng)樁號的原始地形橫斷面圖和道路設(shè)計橫斷面圖。通過道路選項卡的“創(chuàng)建裝配”創(chuàng)建出本工程主線道路的標準橫斷面，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”選項卡中，在彈出的窗口中選擇對應(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)計模型骨架。應(yīng)用Civil 3D計算道路土方工程量時，需通過道路設(shè)計曲面及原始地形曲面的對比才能完成土方工程填挖方量的計算。因此，還須在道路特性的曲面選項卡中添加道路曲面，生成道路設(shè)計曲面模型。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)計曲面結(jié)合較好，軟件土方量計算較準確，滿足后期工程量計算要求。

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

采用Civil 3D 計算道路土方工程計算，簡化了工程人員道路場地平整土方量計算的工作流程，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)計模型，土方計算結(jié)果如表1 所示。結(jié)合該工程的實際應(yīng)用，將曲面體積法與斷面法計算土方量與傳統(tǒng)軟件土方計算結(jié)果對比，對比分析結(jié)果如表2所示。

表1 Civil 3D斷面法計算道路土方量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，可采用斷面法設(shè)計并計算土石方量，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，計算道路土方工程量的計算誤差符合相關(guān)規(guī)定及工程設(shè)計施工要求。

⑵Civil 3D 軟件道路土方量計算的核心是曲面，它的計算準確性取決于原始地形曲面、道路設(shè)計曲面的精度。原始地形曲面及道路設(shè)計曲面的準確性取決于三維地形數(shù)據(jù)精度，道路設(shè)計縱斷面和橫斷面的準確性，裝配的合理性。設(shè)計者應(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)計算土方量及其土方調(diào)配，展示了Civil 3D強大的地形曲面數(shù)據(jù)計算能力，所有曲面、橫斷面、縱斷面等均以動態(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)亦會即時更新，提高工程人員的工作效率。