基于CASS的土石方多種計算方法與比較

李建飛，秦巖賓，齊中舉

（1．成都理工大學 地球科學學院，四川 成都610059；2．河南省地質礦產勘查開發(fā)局第一地質勘察院，河南 南陽473000）

基于CASS的土石方多種計算方法與比較

李建飛1，秦巖賓1，齊中舉2

（1．成都理工大學 地球科學學院，四川 成都610059；2．河南省地質礦產勘查開發(fā)局第一地質勘察院，河南 南陽473000）

對傳統常規(guī)計算土方量的具體方法、算法原理、應用范圍、計算步驟等進行對比分析，對其注意問題進行探討，研究并總結常規(guī)方法的優(yōu)缺點。

DTM法；方格網法；斷面法；等高線法

土石方的測量、計算是工程施工中工程量預算、編制施工組織設計和合理安排施工現場的重要依據，土石方計算的正確與否直接關系到施工單位和委托單位的利益，也會影響工程的后續(xù)施工。在目前的設計工作中，土方量計算普遍簡單粗糙，土方量統計的隨意性較大，對預算編制和預算管理工作造成較大影響，已成為項目審查工作中需要迫切解決的一個技術難題。因此，如何利用測量單位現場測出的地形數據或原有的數字地形數據準確地計算出土石方量就成了人們日益關心的問題。

1 土石方的計算方法

目前，計算機已經普及到各行各業(yè)，各種計算機軟件層出不窮。基于CASS的比較常見的幾種計算土方量的方法有：方格網法、斷面法、DTM法、等高線法。

1．1 DTM法土方計算

由DTM模型來計算土方量是根據實地測定的地面點坐標（X，Y，Z）和設計高程，把每個三角形當做一個面，代替實地的地形，通過生成三角網來計算每一個三棱錐的填挖方量，最后累計得到指定范圍內填方和挖方的土方量，并繪出填挖方分界線（見圖1）。

圖1 三角網土石方量計算結果

1．2 用斷面法進行土方量計算

斷面法土方計算主要用在公路土方計算和區(qū)域帶狀土方計算，對于特別復雜的地方可以用任意斷面設計方法。斷面法土方計算主要有：道路斷面、場地斷面和任意斷面3種計算土方量的方法。其基本原理是對不規(guī)則體特征部位進行橫斷面剖取，然后取相鄰斷面面積的均值與其斷面間距相乘，就得到該小段不規(guī)則體的工程量，把每小段不規(guī)則體的工程量累加，最終就得到整個不規(guī)則體的工程量（見表1）。

表1 斷面法土石方量計算結果

1．3 方格網法土方計算

方格網法計算土方量的原理是：根據設計高程和實地測定的地面點坐標（X，Y，Z），通過生成方格網來計算每一個方格內的填挖方量，以及每行的挖方量和每列的填方量。最后累計得到該范圍內填方和挖方的土方量，并繪出填挖方分界線（見圖2）。

圖2 方格網土石方量計算結果

1．4 等高線法

有一種情況，可以把白紙成圖的圖掃描成矢量圖。但這樣的圖都沒有高程數據文件，也不能用前面的幾種方法計算土方量。一般來說，這些圖上都會有等高線，所以，CASS開發(fā)了由等高線計算土方量的功能。

用等高線計算土石方量的原理是：兩條等高線所圍的面積能夠求出，而且兩條等高線之間的高差是已知的，根據求體積公式可以求出這兩條等高線之間的土方量。但是所選等高線必須是閉合的，否則無法算出來。從表格中能看到每條等高線圍成的面積和兩條相鄰等高線之間的土方量（見圖3）。

圖3 等高線土石方量計算結果

2 各種方法的比較

每種土石方的計算方法有各自的優(yōu)點和局限，它們的算法也是不同的，對各種計算方法進行分析比較，根據不同情況選擇一種最優(yōu)的計算方法，能準確反映施工現場的實際情況，又有理可依，能夠精確計算土石方量。

2．1 斷面圖法

要使土石方計算得到較為準確的結果，必須加測大量橫斷面。目前條件下，困難山區(qū)的橫斷面測繪和內業(yè)設計已經是一項非常繁重的工作，如果再增加斷面，實際上也很難做到。在這樣的情況下，為了減少工作量同時又保證計算精度，可采用平均斷面法，它是把帶狀工程用一個兩端互相平行的平面分割成一段段柱狀的實體塊。用兩端的橫斷面面積的平均值乘上它的厚度，也就是把兩相鄰斷面間當做一個高度為斷面間距的棱柱體，分別計算兩相鄰斷面間的土石方量，最后累加起來獲得總土石方量。

相對而言，此方法在線性區(qū)域上計算較為準確，適合于計算設計面比較復雜的帶狀工程（如道路，溝渠）的土石方量，在平坦的地段，計算精度也比較高，是運用范圍比較廣的一種方法。它的優(yōu)點是對軟件要求不高，缺點是這種方法不適合于計算地形復雜多變的面狀地塊。在地勢起伏不大的地段，因誤差的土石方體積數量不大，一般仍可使用平均斷面法計算丘陵、山區(qū)地段的土石方量。

2．2 方格網法

這種方法是將場地劃分成若干個正方形格網，地表與設計平面之間構成四棱柱，然后計算每個四棱柱的體積，從而將所有四棱柱的體積累加得到總的土方量。

用公式可以表示為：V＝S×H 。其中：S為方格網的面積，H為每個方格網的原始地面與設計面的平均高差。

這種方法不能體現每個方格點的含權量。在地面坐標（X，Y，Z）中，在計算過程中沒有體現出高程Z所包含的面積大小，該方法只是按個數計算方格網的平均高程，不能較好地反映實際的地形特征。顯然這種方法只能計算大概土方量，精確度不高。起伏較大的山區(qū)，該方法的缺點就暴露無遺，誤差也相當大。雖然在計算過程中需要通過內插算出其他點的高程，但內插也是個較小工作量的步驟。所以該方法的計算過程仍然比較簡單，而且在其計算結果里非常直觀地把每個方格網的挖填方量顯示出來，一目了然，對土石方平衡計算也很有優(yōu)勢。在過去傳統的計算方法中，準確率較低，在近些年計算機的高速發(fā)展能有效減少采用方格網工作時土方測算中的誤差，得到更準確的土方量。

2．3 DTM 法

DTM法是靠建立三角網來計算土石方的，三角網構建好之后，用生成的三角網來計算每個三棱柱的填挖方量，最后累積得到指定范圍內填方和挖方分界線。

而三角網的實質就是用許多相互連接在一起的三角網來構建地面的起伏模型，模擬地表的地形起伏情況。必須要有大量分布均勻的散點高程數據才能用三角網法來進行方量計算。因此，必須進行大量的野外數據采集或對數字等高線進行離散。從定性上講，計算精度最高的方法，當屬三角網法DTM法。特別是高程密度越大，越能體現地形的變化細節(jié)，越能使土方量接近真實值，適用于地形極其復雜的土石方計算。采用三角網的兩種方法計算結果比較接近，理論上也比較準確，因此，基于DTM的三角網方法適用于任何地區(qū)。

2．4 等高線法

當地面起伏較大、坡度變化較多時，可采用等高線法估算土石方量，在地形圖精度較高時更為合適。等高線法與方格法一樣，也都需要通過內插計算點的高程。等高線法在實際工程一般很少會用到，其存儲數據量大，數據結構復雜難以建立，且等高線計算土石方要求等高線必須是閉合的，但在實際中需要計算的土石方區(qū)域中等高線很少是閉合的。在特殊情況下，如果所要計算的區(qū)域正好是一個山頭，那么用等高線法就非常方便可行。

3 結束語

不論是哪種方法，只要外業(yè)與內業(yè)合理處理，同樣也會得到一個高精度、切實際的土方成果。每種計算方法有各自的優(yōu)點和局限，根據不同情況選擇一種更為有利的計算方法。只要這種方法的選擇是在真實的測量數據基礎上，利用各種算法的差異進行選擇的，能準確地反映現場的實際情況，又有理可依，準確的計算土石方量，達到最優(yōu)的目的。

［1］柯建明，葉根生．如何規(guī)范土石方計算［J］．科技資訊，2006（33）：147－149．

［2］林偉琦．土方量的測算及其精度分析［J］．南方金屬，2001（5）：49－52．

［3］王斌．DEM 土方量計算的誤差探討 ［J］．鐵路航測，1999（3）．

Calculation of earthwork and their comparion based on CASS

LI Jian－fei1，QIN Yan－bin1，QI Zhong－ju2
（1．Earth Science College，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China；2．The No．1 Geological Exploration Institute of Henan Province，Nanyang 473000，China）

In the paper，the traditional calculation of earthwork volume of conventional concrete methods，algorithm theory，application，calculation steps，and details were compared to study and summarize the advantages and disadvantages of conventional methods．

DTM method；grid method；transect；contours

TU751

A

1006－7949（2012）03－0078－03

2011－06－09

李建飛（1986－），男，碩士研究生．

［責任編輯劉文霞］