淺析BIM技術在山地建筑項目土方平衡中的應用

玉啟海　駱星合　潘海誼　王中海　韋瑞勇

[摘要]根據百色干部學院（一期工程）項目特色及環境要求，介紹了復雜地形環境下的項目整體BIM模型創建方式，闡述基于BIM的施工場布思想，將BIM可視化、仿真模擬、協調性、優化性的特點應用于山地建筑土方平衡施工中，優化施工方案，實現項目土方的自產自銷。

[關鍵詞]BIM；山地建筑；土方平衡；施工模擬

1.工程概況

百色干部學院（一期工程）項目占地面積約600畝，項目地勢高低起伏，最大高差達70m之多。院內53個單體星羅棋布、依山傍水，路網橋梁橫亙交錯，與樹林交相輝映，是一座集教學、辦公、住宿、餐飲、會議、學術交流、研討及文體活動多功能于一體的山水園林式干部學院。本工程占地面積大、地勢復雜、地形崎嶇，是典型的山地建筑開發項目，如圖1所示。因而，施工過程中大量土方的外運及如何有效利用土方成為首要問題，處理不好將成為一項高投入、高消耗和影響施工工期的問題。研究如何實現項目的土方平衡調運，達到施工場地內土方的自產自銷，將為項目帶來巨大的經濟效益。

2.工程特點與應用點分析

傳統的土方平衡設計僅停留在“方格法”算量上，主要依靠各施工單位技術人員的經驗進行調整，已不能滿足此類大型山地建筑開發項目土方工程施工節地、節材的需求。為確保土石方工程施工的準確性、高效性和經濟性，本工程創造性的運用BIM技術輔助項目的土方平衡方案策劃及施工，實現土方的三項平衡。與常規建筑模型不同，土方場地模型需要進行前期的數據采集與編匯，對模型信息與精度要求高。基于BIM模型，通過建筑單體模型與場地的綜合運用從而進行工程量計算、土方平衡方案策劃，進行項目施工現場布置、施工便道規劃，確定土方堆疊位置，編制土方施工進度計劃，在模型中實現場地開挖、平整和回填施工模擬，從而確定出性價比最高的實施方案，并對施工過程進行全程監控。

3.BIM模型的建立

在分析和對比傳統的土石方計算方式方法后，項目提出采Civil 3D模型軟件進行計算。使用該軟件利用復合體積算法或平均斷面算法，能更快速地計算出原有曲面和設計曲面之間的土方量。利用此種三維曲面概念，給人以直觀、立體感覺。

3.1場地模型的建立

1）設計地形圖繪制（建立設計曲面）：根據設計圖紙和三維坐標參數，建立施工區域三維地形圖；2）實際地形圖繪制（建立實際曲面）：采用全站儀和GPS等坐標測量儀器，根據設計邊界線區域及施工區域等高線圖進行測量方案的制定和測量準備，確定測量點的高差和平面距離。等高線稀疏地段點間距采用10m～20m，等高線密集區域采用5m～10m的間距進行數據采集，測量數據為三維坐標（X/Y/z）。數據采集后生成TXT文件直接輸入電腦中，利用Civil 3D生成一個自然曲面；3）地形圖數據的復核：采用Civil 3D軟件對采集的數據按照等高線的分布進行辨識和判斷，可以直接查找出某個區域地形圖的錯誤，隨即進行二次復測和數據修正，形成Civil 3D場地地形圖。Civil 3D模型軟件內的曲面為TIN體積曲面即三角網，采用等高線、特征線和邊界線，比較曲面之間的體積差就是所需計算的工程量（即：體積曲面）。所形成的曲面能夠從任何角度查看，選取任意一個閉合的區域即可計算其工程量。

3.2單體模型的建立

本工程共有53個建筑單體，由地理及設計風格決定建筑群體布局高低不一、錯落分散，因此利用BIM技術把所有單體的模型創建出來，再利用軟件問的互導性將單體模型與場地模型相結合，就可模擬出整個施工場地。建筑單體模型的建立采用目前應用最為廣泛的Revit軟件，通過最初的設計圖紙將建筑的基本信息反饋到模型中。Revit模型精度等級劃分為5級，在結合場地模型的土方平衡計算方法中，建筑單體的精度等級需達到LOD300（LOD300：一般為細部設計）。LOD300BIM模型構件中包括建筑的尺寸、位置、方向等信息，利用建筑模型所包含的信息可較為精確的估算出建筑占地所需開挖的土方量及回填量。

3.3建筑模型與場地模型的結合（圖2）

將建筑模型文件導入Civil 3D軟件中，通過軟件的坐標系統實現建筑模型在場地模型中的精確定位，以這種方式將建筑模型與場地模型相結合，使其具備了模型應用的初步條件。

4.BIM技術在山地建筑土方平衡的應用

4.1土方調運策劃（圖3）

利用BIM技術實現在模型中的“現場施工”模擬，根據施工模擬情況分析場地平整、建筑開挖和場地回填等各階段的現場土方開挖、回填、堆放情況，使用Civil 3D進行土方量估算，生成土方調配圖表，用于分析挖填距離、要移動的土方數量及移動方向，確定合理的取土坑、堆土場，避免取存土沖突，減少重復開挖和回填。

1）通過原始場地與開挖后場地模型進行對比，初步確定土方開挖順序，堆土場地。

2）土方工程量估算，根據實際地形數據和設計參數將模型建立完成后，按照等高線的分布情況，設置斷面和里程樁，計算每個區域和整體項目的開挖與回填工程量。該項目設計根據使用功能不同劃分為生活區、教學區、服務區、辦公區等4個綜合區域和28個棟號。確定模型后，項目按照地理位置及建筑類型的不同，重新劃分了四個生產區及三個綠化區，便于工程量的計算。各區域和項目總工程量如表1。

3）根據土方量統計結果確定土方挖填區域，計算挖填距離，土方移動數量及方向，確定場地人材機布置，生成土方調運任務單并錄入模型系統儲存，編制土方調運方案。

4.2施工道路規劃

施工時，根據山地建筑高低起伏的特點，以項目建成后的道路路線為基礎進行施工道路布置，場地的高差問題將可能導致施工道路坡度太陡或者路線變道受阻的情況。因此，當平面場地規劃無法解決時，需采用BIM三維可視效果進行分析。利用Na—visworks場景漫游功能可對施工道路的布局進行優化。山地建筑有別于一般項目平整的場地，其場地初步平整后，依然存在較大起伏，在平面圖上進行施工便道布置時，轉彎處的道路高差無法直觀反映。對此，在Civil 3D中建立場地道路模型，逐一比對轉角設置，并進行第一人稱視角漫游，分析轉角合理性，優化道路轉彎點。本項目原1#樓行政中心與2#樓報告廳道路采用90。轉彎連接，1#樓向2#樓轉彎后是一個3m高的坡，放坡長度雖然能保證一般車輛同行，但大型貨車、混凝土車交叉運行存在較大危險性。對此，經模型漫游對比之后，將該處施工道路弧線向外延伸后，成功避免了車輛運行不暢的問題。

4.3施工方案優化

通過對開挖完成后的院區道路進行模擬分析可見：道路兩旁多處為高陡邊坡，平均高度20.8m，最高約為32.5m，合計4682m，土質上半部為濕陷性黃黏土，下半部為強風化泥巖，易受沖刷，易坍塌。因此，高陡邊坡支護方案的制定優化與否將影響到項目總體造價。方案編制及比選過程中，利用現有場地模型，將多個護坡施工方案進行模擬演示，綜合比對各方案施工工序簡便性、安全性及成型效果等方面內容。最終，為盡量保護場地內原有自然水域和植被，保持土方平衡，項目成功研發一種支護綠化一體式護坡技術。該技術采用邊坡支護和綠化二合一的方法，一站式解決了安全防護、文明施工、綠色環保、降低投資等問題，最大限度加快施工進度，讓巖土邊坡得以在短時間內得到妥善保護，綠色植被盡早投入使用，減少山地建筑群落的開發成本，達到節地、節材的目的。

4.4施工過程控制

1）利用BIM技術輔助土方平衡管理，體現出整個土方開挖及回填過程中，可以利用BIM的仿真施工模擬對全過程控制，從而指導完成施工。利用Navisworks軟件進行土方開挖、回填動態施工等進度模擬，將制定好的施工進度利用Navisworks軟件的Timeliner功能與模型相結合，使每個時間節點對應完成的工程量通過施工動畫的形式形成動態反饋，既可即時更新場地模型地貌，又能避免交叉作業過程中產生的沖突，便于合理安排人力、物力及材料分配，達到省時節資的作用；2）施工進度模擬技術在受環境制約的條件下，充分發揮出全程控制的作用。對于施工工期短，工程量大的項目，如遇降雨天氣無法進行土方開挖作業時，為避免影響工程進度，在保證安全的前提下，利用施工進度模擬重新制定短期內的搶工措施，規劃近期及遠期的土方調運方案，保證施工工期。本項目成功將停工期間的計劃工程量在模型中合理分配，考慮近期和遠期的開挖和棄土場地，優化調運路線，在不影響下道工序施工的情況下進行搶工。

5.結語

通過BIM技術在山地建筑項目施工中，通過建立模型和土方挖填平衡達到節約成本，優化工期的目的。本文通過對地形復雜、高差大、建筑群體分散的大型山地建筑項目工程特點進行分析，因地制宜利用BIM技術通過場地模型建立、道路規劃、土方開挖調運和施工過程的分析，解決了土方平衡中，挖填土方量的優化計算，達到了項目合理的整體規劃、土方施工方案優化和降低造價節約成本的目的，為今后BIM技術在土方平衡施工中起到一定借鑒指導作用。