羅 斌

（中交一航局第四工程有限公司，江西 南昌 330100）

基于Civil 3D 的土方分層建模與應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)從施工現(xiàn)場到內(nèi)業(yè)模型，又從內(nèi)業(yè)模型到施工現(xiàn)場的動(dòng)態(tài)管理，實(shí)現(xiàn)土石方施工的提前測算與過程中的精準(zhǔn)把控，以及竣工之后的成果展示，方便組織者合理安排施工力量，優(yōu)化施工工藝，做好各工序間的有效搭接，為實(shí)現(xiàn)流水化施工保駕護(hù)航。

1 工程背景

某大型土石方項(xiàng)目，占地面積廣、填挖方量大、各個(gè)工作面搭接多，每天完成工作區(qū)域很多，人員、機(jī)械協(xié)調(diào)難度大。存在質(zhì)量檢驗(yàn)漏檢復(fù)檢的問題，并且存在有的區(qū)域由于等待質(zhì)量檢驗(yàn)造成人員、機(jī)械窩工的現(xiàn)象，質(zhì)量檢驗(yàn)工作開展難度很大。尤其在土方填筑施工中，需要考慮土方量、土方運(yùn)距、土方施工順序、土方調(diào)配等各方面因素，因此為了精確預(yù)測土方量，合理規(guī)劃填筑順序，保證檢驗(yàn)頻率，實(shí)現(xiàn)流水化施工，提前測算出每個(gè)區(qū)域、每一層的填筑面積與填筑方量，提前繪制出土方分層圖就顯得特別重要。

2 Civil 3D 軟件在土方施工中的應(yīng)用

運(yùn)用Civil 3D 軟件建立土石方填挖模型，計(jì)算工程量的方法已經(jīng)得到了業(yè)界的廣泛認(rèn)可。由于Civil 3D 軟件具備強(qiáng)大的“曲面”功能，可以十分方便地基于邊界、特征線、等高線、圖形對(duì)象、點(diǎn)編組、點(diǎn)文件等地形數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)模擬場地原始地形，運(yùn)用Civil 3D 軟件建立土石方填挖模型，計(jì)算工程量的方法已經(jīng)得到了業(yè)界的廣泛認(rèn)可。土方量的計(jì)算正是基于多個(gè)曲面開展進(jìn)行的，在實(shí)際施工過程中，我們通過原始地形曲面與設(shè)計(jì)曲面之間的差異自動(dòng)計(jì)算出某個(gè)區(qū)域的差值，分析差值后便可準(zhǔn)確得出填方或挖方的土方工程量[1]。

2.1 Civil 3D 軟件常用功能介紹

Autodesk Civil 3D 軟件是Autodesk 公司為土木與基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)提供的三維設(shè)計(jì)解決方案，適用于勘測、場地規(guī)劃、總圖、道路、設(shè)計(jì)、水利工程、市政管網(wǎng)、地質(zhì)礦產(chǎn)等多個(gè)不同行業(yè)領(lǐng)域。Autodesk Civil 3D 功能非常強(qiáng)大，能形成三維數(shù)字地形模型。利用數(shù)字地形模型可直觀、快速、準(zhǔn)確地計(jì)算土方量、繪制縱橫斷面圖、查看三維模型等功能。同時(shí)Autodesk Civil 3D 還整合了CAD、3Dmax 等軟件，并具有強(qiáng)大的項(xiàng)目管理功能，為土木建設(shè)工程提供了完整的解決方案。

Civil 3D 基本功能：

2.1.1 測量

Civil 3D 全面集成了勘測功能，可以直接導(dǎo)入原始勘測數(shù)據(jù)，編輯勘測資料，自動(dòng)創(chuàng)建勘測圖形和曲面?？梢越换ナ降貏?chuàng)建并編輯勘測圖形頂點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)并編輯相交的特征線，避免潛在的問題，生成能夠在項(xiàng)目中直接使用的點(diǎn)、勘測圖形和地形曲面。

2.1.2 放坡

Civil 3D 中的放坡是一項(xiàng)令人激動(dòng)的功能，它包括根據(jù)設(shè)計(jì)的放坡來自動(dòng)創(chuàng)建一個(gè)曲面，并能計(jì)算體積。放坡這項(xiàng)功能還能進(jìn)行土方平衡，這對(duì)大規(guī)模土石方工程非常有用。

2.1.3 地塊布局

通過轉(zhuǎn)換現(xiàn)有的AutoCAD 實(shí)體生成地塊，實(shí)現(xiàn)流程的自動(dòng)化。這樣，如果一個(gè)地塊發(fā)生變更，臨近的地塊會(huì)自動(dòng)反映變更情況。

2.1.4 土方量計(jì)算

利用復(fù)合體積算法或平均斷面算法，更快速地計(jì)算現(xiàn)有曲面和設(shè)計(jì)曲面之間的土方量。使用Civil 3D 生成土方調(diào)配圖表，用以分析適合的挖填距離，要移動(dòng)的土方數(shù)量及移動(dòng)方向，確定取土坑和棄土堆的可能位置。

與傳統(tǒng)土方計(jì)算方法相比，利用Civil 3D 軟件計(jì)算土方量的方法更加便捷與準(zhǔn)確。由于Civil 3D 軟件擁有十分方便的“曲面放坡”功能與各種實(shí)體編輯能力，其中“曲面放坡”功能可以實(shí)現(xiàn)根據(jù)任意面邊線向上或者向下放坡來自動(dòng)創(chuàng)建一個(gè)曲面，并用這個(gè)邊坡曲面來計(jì)算邊坡體積。有別于傳統(tǒng)的土方計(jì)算方法很難做到精確計(jì)算邊坡土方量。另外，實(shí)體模型編輯功能的大力運(yùn)用，充分體現(xiàn)了未來三維建設(shè)取代傳統(tǒng)二維建設(shè)的趨勢和方向[2]。

在目前的施工過程中，我們充分運(yùn)用Civil 3D 軟件提前測算土方量，進(jìn)行土方平衡，合理調(diào)配土方、選擇施工機(jī)械和人員排班，保障施工進(jìn)度、減少了不必要的資源浪費(fèi)。

2.2 利用Civil 3D 軟件探究土方分層的思路及實(shí)際應(yīng)用

2.2.1 利用Civil 3D 軟件探究土方分層的思路

在土方填筑施工工程中，為了提前測算出每個(gè)施工區(qū)域、每一層的填筑面積與填筑方量，確定檢驗(yàn)驗(yàn)收頻率，及時(shí)準(zhǔn)確地了解施工現(xiàn)場的施工信息，提前繪制出土方分層圖就顯得尤為重要。土方分層圖的繪制，需要結(jié)合施工現(xiàn)場，根據(jù)土方填筑施工規(guī)范，科學(xué)合理地進(jìn)行繪制。經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，一般在填筑的過程中存在三種情況，即：

1.填筑體在填筑過程中填筑體頂面還未與設(shè)計(jì)填筑體的“邊坡”線相切，這個(gè)時(shí)候只是在填筑一些墳穴、坑道。

2.填筑體在填筑過程中填筑體頂面一邊還未與設(shè)計(jì)填筑體的“邊坡”線相切，一邊已與設(shè)計(jì)填筑體的“邊坡”線相切，這個(gè)時(shí)候已經(jīng)填筑了一定的高度，填筑體一側(cè)已經(jīng)填筑到了“設(shè)計(jì)放坡線”位置。

3.填筑體在填筑過程中填筑體頂面已經(jīng)與設(shè)計(jì)填筑體的兩邊“邊坡”線相切，這個(gè)時(shí)候填筑體兩側(cè)都已填筑到了“設(shè)計(jì)放坡線”位置。

用Civil 3D 軟件的語言來說，這三種情況為：

1.填筑體曲面與原地形曲面相切。

2.填筑體曲面既與原地形曲面相切，又與設(shè)計(jì)曲面相切。

3.填筑體曲面與設(shè)計(jì)曲面相切。

針對(duì)這三種情況，我們在土方分層過程中采用以下流程進(jìn)行土方平面分層工作：

1.利用原始測量數(shù)據(jù)，建立原始曲面模型，并找到填筑范圍內(nèi)的最低點(diǎn)的高程，隨后與設(shè)計(jì)完成面高程進(jìn)行對(duì)比，確定每層的分層頂高程，以及分層層數(shù)。

2.利用設(shè)計(jì)完成面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，建立設(shè)計(jì)曲面，并用“曲面放坡”功能從設(shè)計(jì)曲面向原地面放坡，生成“填筑體設(shè)計(jì)”模型。

3.利用每層的分層頂面高程建立填筑曲面。

4.分別用填筑曲面與原地形相切（即求兩曲面間的最小距離）；填筑曲面既與原地形相切，又與設(shè)計(jì)曲面相切；填筑曲面與設(shè)計(jì)曲面相切。分別生成三維多段線交線，并對(duì)于這三種情況，分別處理：

填筑曲面只與原地形相切時(shí)，生成三維多段線交線就為這一層的分層邊線，形成的閉合區(qū)域面積就為這一層的分層面積。

填筑曲面既與原地形相切，又與設(shè)計(jì)曲面相切時(shí)，兩次分別生成三維多段線交線需要用“裁剪”命令與“Join”命令將三維多段線連在一起，從而生成三維多段線交線就為這一層的分層邊線，形成的閉合區(qū)域面積就為這一層的分層面積。

填筑曲面與設(shè)計(jì)曲面相切時(shí)，生成三維多段線交線就為這一層的分層邊線，形成的閉合區(qū)域面積就為這一層的分層面積[3]。

2.2.2 土方分層圖的現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用

1.將繪制完成的土方“平面分層圖”以“dxf”格式輸出，并導(dǎo)入GPS 手簿，GPS 手簿自動(dòng)識(shí)別“平面分層圖”中的三維多段邊線后，現(xiàn)場測量人員根據(jù)“平面分層圖”進(jìn)行每一層土方填筑的平面與高程的控制，方便，快捷，并且充分體現(xiàn)了無紙化施工的優(yōu)點(diǎn)。

2.將繪制完成的土方“平面分層圖”的圖形、面積輸出，根據(jù)土方“平面分層圖”提前生成施工臺(tái)賬，編制施工進(jìn)度計(jì)劃，并根據(jù)質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范計(jì)算出試驗(yàn)檢驗(yàn)頻率，及時(shí)反饋給試驗(yàn)人員做好每一層填筑體的壓實(shí)度試驗(yàn)檢驗(yàn)，并出試驗(yàn)檢驗(yàn)報(bào)告[4]。

3.根據(jù)繪制完成的土方“平面分層圖”匯總、分析。利用土方“平面分層圖”完成二維平面場布，然后在Civil 3D 軟件中用該層的閉合邊線與上一層的閉合邊線做出每層的模型，測算出該層的土方量。也可以根據(jù)平面土方分層圖在Revit 軟件中用新建“族”功能建立該層的分層模型，然后載入到Revit 建筑樣板中，直接查詢得到土方量，如表1 所示[5]。

表1 土方量計(jì)算表

根據(jù)土方分層工作得到上述的圖表后，完成了將某施工區(qū)域土方填筑體細(xì)化分層的工作，利用分層的模型與圖表，提前計(jì)算得到了每一層的具體、準(zhǔn)確的工程量，以便合理規(guī)劃填筑區(qū)域與填筑順序，編制進(jìn)度計(jì)劃，制定質(zhì)量保證措施，保證檢驗(yàn)頻率，以實(shí)現(xiàn)信息化、科學(xué)化、精細(xì)化施工管理[6]。

4.根據(jù)利用土方“平面分層圖”，在SU 軟件與Lumion 軟件中進(jìn)行模型渲染與漫游視頻的輸出，完成土方分層工作的方案展示。

3 基于Civil 3D 的土方分層建模在土方工程實(shí)踐中的意義

與傳統(tǒng)的土石方分層方法相比，基于Civil 3D 的土方分層建模技術(shù)突破了CAD 二維分層的瓶頸，準(zhǔn)確、合理地模擬出了現(xiàn)場實(shí)際分層填筑過程，更加科學(xué)、更加精確。由于傳統(tǒng)的土石方填筑分層工作只能憑借二維CAD 軟件，結(jié)合現(xiàn)場情況以一定的形狀估算出每層填筑體的區(qū)域，由于這個(gè)估算的二維區(qū)域與該層施工的實(shí)際區(qū)域誤差很大，因此根本不能與現(xiàn)場實(shí)際情況相適應(yīng)，也不能準(zhǔn)確估算施工工程量，給科學(xué)組織施工，調(diào)配施工力量帶來了極大困難?；贑ivil 3D 的土方分層建模技術(shù)很好地解決了上述的問題，由于其土方分層工作是在三維模型的基礎(chǔ)上繪制的，在Civil 3D 軟件中，我們利用填筑體曲面與原地形曲面在空間上相切，就可以快速、準(zhǔn)確的得到該層的理論填筑區(qū)域，進(jìn)而完成土方分層建模工作。土方分層建模及其模型在工程中的應(yīng)用優(yōu)勢為提前準(zhǔn)確測算工程量與動(dòng)態(tài)信息管理：提前測算土方施工的工程量，及時(shí)發(fā)現(xiàn)各施工區(qū)域的交叉作業(yè)問題，為管理者提供及時(shí)有效的第一手可視化資料，以便科學(xué)組織施工，形成有序的流水施工，有效地避免了施工資源浪費(fèi)的情況。

體現(xiàn)了從施工現(xiàn)場到內(nèi)業(yè)模型，又從內(nèi)業(yè)模型到施工現(xiàn)場的動(dòng)態(tài)信息管理思路。將Civil 3D 的土方分層建模技術(shù)與現(xiàn)場施工有效結(jié)合，充分發(fā)揮分層模型與軟件、設(shè)備之間的互通互導(dǎo)優(yōu)勢，通過軟件快速、精確的提取模型數(shù)據(jù)，導(dǎo)入施工設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場高效作業(yè)，從而達(dá)到Civil 3D 的土方分層模型指導(dǎo)施工，提高了工作效率，大大降低窩工率，避免資源浪費(fèi)，縮短工期的目的，為以后類似項(xiàng)目提供了思路。