BIM技術(shù)在基礎(chǔ)設(shè)施土方量計(jì)算中的應(yīng)用

郭雁霄

在基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計(jì)和施工階段，土石方量計(jì)算是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，土石方挖填量的計(jì)算直接關(guān)系到工程造價(jià)預(yù)算及設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化，對(duì)于工程總投資的控制及施工效率的提高有重要意義[1]。常用的土石方量計(jì)算有方格網(wǎng)法、數(shù)字地面模型法（DTM）、等高線法、散點(diǎn)法等[2]。BIM技術(shù)的可視化特性為項(xiàng)目設(shè)計(jì)優(yōu)選及施工方案的優(yōu)化提供了直觀的比較，強(qiáng)大的數(shù)據(jù)支撐為其擴(kuò)展提供了支持。本文結(jié)合BIM技術(shù)圖形運(yùn)算特性，利用LandXML實(shí)現(xiàn)其數(shù)據(jù)支撐，將其二者進(jìn)行有效結(jié)合，提出了基于LandXML標(biāo)準(zhǔn)的土石方量計(jì)算的方法，實(shí)現(xiàn)土石方工程量的快速精準(zhǔn)計(jì)算。

1　土石方計(jì)算原理

土石方開挖或填充量的計(jì)算指的是同一地塊開挖或填充前后的方量差。要計(jì)算前后的體積差必須知道兩個(gè)基本條件：①施工前場(chǎng)地的地形輪廓；②設(shè)計(jì)方案中開挖后的場(chǎng)地狀況或設(shè)計(jì)標(biāo)高[3]。項(xiàng)目開始前通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量及地質(zhì)勘測(cè)可獲取項(xiàng)目所在地的地形數(shù)據(jù)信息，通過對(duì)比地形數(shù)據(jù)信息及設(shè)計(jì)方案中的地形信息，算出整個(gè)工程中土石方的開挖量及填方量。而在實(shí)際運(yùn)用中，基礎(chǔ)設(shè)施特別是大型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目大都涉及復(fù)雜的地形地質(zhì)條件，不同類型的地質(zhì)層的開挖或填充難度也不盡相同，施工方式均有不同要求，實(shí)際計(jì)算中在地形信息的基礎(chǔ)上還應(yīng)擴(kuò)展地質(zhì)類型、開挖難度等權(quán)重?cái)?shù)據(jù)。

根據(jù)相關(guān)數(shù)學(xué)原理，利用地質(zhì)勘測(cè)數(shù)據(jù)擬合得到地層曲面函數(shù)后即可進(jìn)行土石方量的計(jì)算。土石方量計(jì)算公式見公式（1）：

式中：D為積分區(qū)域，z=fi（x，y）為第i層地質(zhì)層曲面函數(shù)，z=fi+1（x，y）為第i+1層地質(zhì)層曲面函數(shù)，z=g（x，y）為開挖曲面函數(shù)，Ui為第i層地質(zhì)層的開挖權(quán)重。

2　BIM和LandXML數(shù)據(jù)擴(kuò)展方法

2.1　LandXML數(shù)據(jù)格式

LandXML是基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域特別是道路設(shè)計(jì)中應(yīng)用較多的一種數(shù)據(jù)交換的標(biāo)準(zhǔn)格式。LandXML是由行業(yè)聯(lián)盟（www.LandXML.org）推動(dòng)的非專有數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[4]。LandXML標(biāo)準(zhǔn)包含點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)、角度數(shù)據(jù)、面積、體積、溫度、走向等數(shù)據(jù)。

2.2　LandXML數(shù)據(jù)及擴(kuò)展方法

在LandXML文件中點(diǎn)數(shù)據(jù)是地形地貌信息的關(guān)鍵，通過定義兩點(diǎn)之間的關(guān)系確定特征線，再確定三角網(wǎng)格面，進(jìn)而形成了完整的地形信息，進(jìn)行材質(zhì)、溫度等數(shù)據(jù)的擴(kuò)展后，構(gòu)成了具有完整地形信息的LandXML文件。其數(shù)據(jù)模型如圖1所示。

圖1　landXML定義方量的數(shù)據(jù)模型

2.3　LandXML與圖形數(shù)據(jù)的結(jié)合

利用空間幾何關(guān)系，通過程序轉(zhuǎn)變?yōu)長(zhǎng)andXML格式的數(shù)據(jù)文件經(jīng)擴(kuò)展又可賦予其相應(yīng)的屬性，形成既有數(shù)據(jù)又有屬性的實(shí)體數(shù)據(jù)。同時(shí)LandXML文件又可以在多種三維設(shè)計(jì)軟件中讀取，修改后的LandXML文件能通過軟件展示出三維實(shí)體模型，實(shí)現(xiàn)了圖形與數(shù)據(jù)之間的相互轉(zhuǎn)化。

3　應(yīng)用實(shí)例

以某工程為例，該工程地處某山區(qū)，需要確定辦公場(chǎng)地及料區(qū)的位置，第一種方案是設(shè)在山谷左側(cè)，第二種方案是設(shè)在山谷右側(cè)。將項(xiàng)目的地形文件導(dǎo)入Infraworks后獲得地質(zhì)三維模型，分別在山谷兩側(cè)進(jìn)行場(chǎng)地的布置，完成場(chǎng)地布置后，利用Infraworks中基于LandXML文件數(shù)據(jù)而開發(fā)的地形信息統(tǒng)計(jì)功能，即可計(jì)算出兩個(gè)不同方案的挖方量、填方量及凈挖填方量等數(shù)據(jù)。兩種方案的布置示意相關(guān)數(shù)據(jù)如表1。

表1　兩種方案挖填方信息對(duì)比

通過上述兩個(gè)方案的對(duì)比可以看出，基于LandXML文件數(shù)據(jù)進(jìn)行的地形信息統(tǒng)計(jì)可以直接計(jì)算出挖填方量等信息，在上圖所示的兩個(gè)方案中，可以對(duì)任意的數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，形成各種不同的設(shè)計(jì)方案，然后進(jìn)行地形信息統(tǒng)計(jì)，在多次對(duì)比后實(shí)現(xiàn)方案的優(yōu)選。

5　結(jié)語

基于LandXML標(biāo)準(zhǔn)文件進(jìn)行土方量計(jì)算有效解決了基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中土方量計(jì)算的問題，結(jié)合圖形數(shù)據(jù)技術(shù)提高了工作效率，其可擴(kuò)展性為更復(fù)雜的土方量計(jì)算提供了強(qiáng)大的支撐。

[1]畢林，趙輝，楊新鋒.DIMINE填挖方量計(jì)算原理與方法研究[J].黃金科學(xué)技術(shù)，2017，25（03）：108～115.

[2]陳愛梅，吳昊，吳北平，黨海龍，惠振陽.四種土方量計(jì)算方法的對(duì)比研究與應(yīng)用[J].北京測(cè)繪，2015（01）：104～108.

[3]高 超.土石方量工程計(jì)算方法研究[J].測(cè)繪與空間地理信息，2017，40（11）：190～193.

[4]高嵩，張暉，周 歡，吳超仲.基于LandXML數(shù)據(jù)可視化技術(shù)的道路交通仿真三維場(chǎng)景快速生成方法[J].交通與計(jì)算機(jī)，2008（04）：103～106+119.