基于BIM技術(shù)的土石方工程應(yīng)用

張生喜

（甘肅工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，甘肅 蘭州 730030）

1 軟件介紹

采用GPS-RTK對(duì)蘭州新區(qū)某醫(yī)院項(xiàng)目原始地形進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并利用civil3D對(duì)原始地形進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。RTK系統(tǒng)包括基準(zhǔn)站、流動(dòng)站、電臺(tái)三部分，通過(guò)信息傳遞功能，解決遠(yuǎn)距離傳送不良等問(wèn)題，在土方量數(shù)據(jù)采集中占有很大優(yōu)勢(shì)。經(jīng)差分定位計(jì)算得出流動(dòng)站具體方位，在短時(shí)間內(nèi)得到流動(dòng)站具體觀測(cè)信息和坐標(biāo)內(nèi)容。

傳統(tǒng)的土方算量常用計(jì)算方法有體積法、斷面法、方格網(wǎng)法，計(jì)算過(guò)程都過(guò)于繁瑣，計(jì)算效率、計(jì)算精度較低，且傳統(tǒng)土方量計(jì)算方法的適用范圍都受地形條件限制。

Civil3d能夠利用DEM數(shù)字模型構(gòu)建的曲面數(shù)據(jù)進(jìn)行精確的土方量計(jì)算，直接輸出土方施工圖。通過(guò)測(cè)量的地形區(qū)域的有限個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，根據(jù)計(jì)算需求將區(qū)域劃分為相連的三角面網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)矢量拓?fù)潢P(guān)系通過(guò)線性插入點(diǎn)值建立DEM模型。能以不同精度不同形態(tài)描述地表形態(tài)，與傳統(tǒng)的同網(wǎng)格數(shù)據(jù)模型相比,能快速高效地表示更加復(fù)雜的表面，更好地描述顯示地形表面特征。

2 原始地形分析

2.1 利用RTK采集外業(yè)數(shù)據(jù)

2.1.1 測(cè)量控制網(wǎng)的布設(shè)

采用“蘭州市1996中川坐標(biāo)系統(tǒng)”，由于首級(jí)控制點(diǎn)的密度不能滿足整個(gè)測(cè)區(qū)施工測(cè)量控制要求，因此我們通過(guò)采用GPS衛(wèi)星定位技術(shù)對(duì)控制點(diǎn)進(jìn)行加密，從而建立GPS平面控制網(wǎng)。本 項(xiàng)目根據(jù)測(cè)區(qū)面積大小和工程要求采用分級(jí)的方法建立高程控制網(wǎng)，以1985國(guó)家高程基準(zhǔn)為基礎(chǔ)，在全區(qū)用三、四等水準(zhǔn)測(cè)量方法建立水準(zhǔn)網(wǎng)，該水準(zhǔn)網(wǎng)與GPS平面控制網(wǎng)控制點(diǎn)位一致。

2.1.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

蘭州新區(qū)某醫(yī)院項(xiàng)目原始地形平坦，占地面積較小，采用RTK測(cè)量的方法對(duì)整個(gè)測(cè)區(qū)的數(shù)據(jù)采集，盡量提高高程數(shù)據(jù)的采集密度，特別是特殊地貌(如斜坡頂、斜坡腳、坎上、坎下等)和地形變化的特征點(diǎn)，盡可能使采集的數(shù)據(jù)真實(shí)地反映地形的變化特征。每天測(cè)量作業(yè)結(jié)束后，統(tǒng)一將數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納存檔。

2.2 利用civil3D進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)處理及分析

2.2.1 曲面的定義

根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)建立曲面。曲面是地形表面的三維幾何表示，是進(jìn)行土方計(jì)算的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，由Civil 3D 連接組成曲面數(shù)據(jù)的點(diǎn)而創(chuàng)建三角形或柵格。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)數(shù)據(jù)創(chuàng)建曲面，在導(dǎo)入測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)可以自定義數(shù)據(jù)文件格式導(dǎo)入格式，如果數(shù)據(jù)源的面積很大但工作中只需要局部數(shù)據(jù)，可以設(shè)置曲面的有效范圍來(lái)導(dǎo)入有效范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，過(guò)濾有效范圍之外的數(shù)據(jù)。

一般來(lái)講，若只需要進(jìn)行土方量計(jì)算，而不需要顯示測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)，可直接通過(guò)數(shù)據(jù)建立曲面后直接進(jìn)行土石方挖填方計(jì)算，若有需要顯示數(shù)據(jù)，則測(cè)量數(shù)據(jù)可導(dǎo)入建立點(diǎn)編組，通過(guò)調(diào)點(diǎn)節(jié)樣式及特性修改顯示方式，按照需求進(jìn)行相關(guān)信息，之后通過(guò)采用點(diǎn)編組建立曲面，進(jìn)行計(jì)算。

測(cè)量數(shù)據(jù)可能存在個(gè)別錯(cuò)誤，數(shù)據(jù)較大或較小，導(dǎo)致計(jì)算出錯(cuò)，可以設(shè)定一個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)范圍區(qū)間，在曲面生成時(shí)直接排出這個(gè)合理區(qū)間之外的數(shù)據(jù)，保證計(jì)算的準(zhǔn)確度。

2.2.2 曲面的分析

曲面作為civil3D的核心功能，可以對(duì)曲面進(jìn)行分析，包括坡度、高程、體積、匯水分析等，可以根據(jù)設(shè)計(jì)及施工要求，對(duì)曲面進(jìn)行不同的分析，快速直觀的得到相關(guān)信息。以高程分析為例，通過(guò)建立地形曲面，統(tǒng)計(jì)分析原始地貌的高程，并生成圖表格式，可以根據(jù)不同的高程需求進(jìn)行調(diào)節(jié)，設(shè)置高程段的顏色，自動(dòng)生成高程圖例還可統(tǒng)計(jì)出對(duì)應(yīng)高程段的面積，可以直接劃分填挖方區(qū)塊，方便土方量的合理調(diào)配，一旦高程設(shè)置進(jìn)行調(diào)整，相關(guān)顏色及圖例進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。如圖1所示。

圖1 原始地形高程分析圖

2.2.3 曲面的顯示

根據(jù)需求的不同，可設(shè)置不同的曲面顯示方案，一般計(jì)算需要，可僅僅顯示邊界以選定、區(qū)分不同曲面；需要地形圖，則可顯示根據(jù)要求調(diào)節(jié)主、次等等高線，顯示地形圖方案；涉及匯水，則需顯示坡面箭頭及流域方案等，可以靈活使用不同的顯示方案來(lái)滿足不同工作要求。

3 基坑模型的建立與分析

3.1 建立原始地形模型

根據(jù)蘭州新區(qū)某醫(yī)院項(xiàng)目原始地形測(cè)量數(shù)據(jù)創(chuàng)建原始地形曲面，調(diào)整相關(guān)樣式及特性。根據(jù)蘭州新區(qū)某醫(yī)院基坑支護(hù)（設(shè)計(jì)）專項(xiàng)施工方案中基坑設(shè)計(jì)的放坡系數(shù)要求，利用civil3D對(duì)基坑設(shè)計(jì)進(jìn)行三維建模。如圖2所示。

圖2 基坑模型圖

3.2 土石方填挖量計(jì)算

建模完成后，對(duì)所建模型與原始地形進(jìn)行基坑設(shè)計(jì)土方量的計(jì)算，對(duì)比常規(guī)計(jì)算方法，兩個(gè)曲面之間進(jìn)行土方量計(jì)算避免了斜坡空白區(qū)域，計(jì)算結(jié)果更加精確。通過(guò)體積面板功能，快速計(jì)算土石方挖填方量，也可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際抬升或者下沉設(shè)計(jì)基坑，再進(jìn)行土方計(jì)算，結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)，計(jì)算出實(shí)際土方量，為土方量審核提供依據(jù)。如圖3所示。

圖3 基坑土方計(jì)算圖

4 小結(jié)

經(jīng)過(guò)蘭州新區(qū)某醫(yī)院項(xiàng)目對(duì)Civil 3d在土方計(jì)算中的應(yīng)用嘗試，我們的收獲有以下幾點(diǎn)：

1）Civil 3d計(jì)算體積的數(shù)據(jù)模型和算法更加嚴(yán)密科學(xué)，有效保證了事干項(xiàng)目中土方計(jì)算的效率和精度。

2）Civil 3d給設(shè)計(jì)者提供了豐富和強(qiáng)大的設(shè)計(jì)工具，大大提高了設(shè)計(jì)者的工作效率，同時(shí)也對(duì)測(cè)繪提出了更高的要求，以往提供二維圖形數(shù)據(jù)已經(jīng)不能滿足設(shè)計(jì)部門的需要，提供能直接用于設(shè)計(jì)的三維數(shù)據(jù)是迫在眉睫的需要，也是未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

3）在這個(gè)大數(shù)據(jù)時(shí)代，數(shù)字化城市的建設(shè)道路上，以后土方數(shù)據(jù)的采集方式將會(huì)多元化。我們將通過(guò)全站儀、GPS、航拍、航天影像等方法得到高精度三維地形數(shù)據(jù)，在高精度三維地形上進(jìn)行工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)，為工程項(xiàng)目全生命周期的應(yīng)用打好基礎(chǔ)。