大規模場地平整土方量的優化計算解析

陳峰

中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司 浙江 杭州 311122

在工程建設中，不管是工業屬性的建筑，還是民用屬性的建筑；不管是道路工程建設，還是其他工程建設，在具體的施工建設中都需要將自然性的地貌進行調整，從而使得整理后的土地資源能夠滿足各個工程的建設需要。土方量計算是建筑工程設計的重要組成，這些工作的開展關系到工程造價。因此，為了能夠提升建筑工程的建設質量，需要提升土方量計算的精準性、科學性，通過合理的土方調配來降低工程建設費用消耗，加快工程的施工進度。

1 場地平整程序

在具體實施操作的時候，場地平整是將需要施工處理的自然地面通過人工開挖或者機械開挖的方式來對其予以平整化處理。在整個建筑工程的總體承包施工中，三通一平施工由具體的施工單位發展，而場地平整化處理是三通一平工程施工的重要內容。

在實施場地平整操作的時候需要施工人員能夠充分考慮整個工程建設的 總體規劃以及施工工藝的選擇，了解交通設施以及場地布置對場地平整處理的影響。在具體實施操作的時候要盡可能的保證土方挖填的平衡，及減少重復性挖運現象的出現。場地平整操作的一般性要求如下所示：第一，在平整場地之前需要提前做好一系列的地面排水工作，確保平整場地表面坡度能夠滿足規范的設計要求。如果土地的平整操作沒有具體的要求，需要將排水溝的方向設計為不小于0.2%的坡度。第二，在對場地平整處理之后需要逐個檢查各個設置點。一般情況下，每間隔100m2到400m2就會設置一個檢查點，所選取的檢查點數量不能夠低于十個。 平整后場地長度、寬度、邊坡需要每間隔20m就取一個檢測點，每個邊上的檢測點不能夠少于1個。第三，在組織場地平整測試之前還需要按照規范的標準來設定場地平面位置、水平標準高度、邊坡坡度是否滿足設計要求。對于平面控制樁、水準控制點要采取對應的措施予以保護，并在定期做好二次檢測，不能夠將土方設置在邊坡的邊緣。

場地平整處理是整個工程施工的重要項目，這個項目的具體施工操作流程如下所示：到建筑施工現場進行場地勘查，并清除地面上的障礙物；標定場地整平處理的范圍；設施對應的水準基點和方格網，測量標準高；計算出土方挖填工作量；平整土方；場地碾壓；驗收管理。

在選擇好場地平整工程的基礎上，施工人員要達到施工現場進行全方位的場地勘查，了解施工地區的地形、地貌、土壤、水文等自然環境。并參考建筑施工總平圖的規劃來了解現場平整場地施工的大體范圍。在施工場地平整處理之前需要施工人員采取必要的措施清理平整范圍內的障礙物，包含樹木、電線、電桿、管道和房屋。在做好清理工作后按照總施工圖紙要求的標準高，從水準基點引進基準標高來作為確定土方量的重要參考。

2 工程土方量的計算方法

土方量計算是工程建設發展中的重要內容，在具體實施的時候會牽扯到多個方面的內容，包含渠道設計、防洪堤誰家、水庫壩堤設計。為了能夠保證以上工作的順利開展，在施工的過程中需要精準的計算出土方量數值。在工程施工中，常見的土方量計算方法如下所示：

2.1 方格網計算方法

方格網計算方法十分適合應用在地形變化平穩的工程中，在方格網計量方法的支持下能夠提升場地平整土方量計算的精準性。方格網的計算方法如下所示：①在地形圖上繪制方格網，方格網的大小會隨著地形的變化而做出相應的調整。一般情況下，地形圖的長寬會設置成20 m×20 m或者40 m×40 m。②科學確定場地平整設計高程。水平面的設計高程和場地地面高程的平均數值是相等的，在具體實施操作的時候會根據方格頂點地面高程以及其在計算每個平均高程時用到的總次數計算平均數值。③計算出土方的填挖高度以及各個方格點填挖高度。即填、挖高度=地面高程-設計高程。④計算出填埋、開挖土石方數量。在計算挖、填土石方量的時候可以根據角點、邊點、拐點、中心點的開挖高度來進行設計。角點是挖方、填方高度x1/4方格面積。邊點是挖、填方高度x2/4的方格面積。拐點按照挖、填方高度x3/4方格面積進行計算。中心點按照挖、填方高度x1方格面積進行計算。在計算出所有方格填、挖土石方量數值之后，計算出填挖土石方量的總和。

2.2 等高線法

等高線法計算土方量是用來計算任意兩條等高線之間的土方量，但是在具體計算分析時所選擇的等高線需要始終處于閉合的狀態。在具體實施操作的時候由于兩條等高校面積是可以計算的，兩等高線之間的高度差是可以獲得的。在具體實施操作的時候，等高線法的工作內容和操作步驟、操作方法是相似的，但是不同的是場地平均高程的計算。

一般情況下，場地平均高程計算方法如下所示：在地形圖上使用求積儀、其他面積測量方法會按照等高線來計算出場地包圍的面積，臨近等高線所圍起來的體積可以被看作是臺體，其體積是臨近等高線各自圍起面積和平均值和兩條等高線的高差，而后計算出全部臨近高線所圍起體積的總和，也就是場地內最低等高線HO以上的總土方量。在計算好之后將場地平成一個水平面。

2.3 3DEM分析方法

DEM分析方法主要是通過數字形式的X、Y、Z坐標來代表區域范圍內的地貌形態，之后會通過縮微的形式來展現出地表形態的起伏變化。DEM分析方法具有直觀、生動、精準的特點，十分被適合應用到土方工程量的計算中。基于DEM模型所設計出的土方量會根據實際測定地面點坐標和設計高程來生產三角網，從而更為精準的計算出每一個三棱錐的填挖方量，經過累計分析之后獲得指定范圍內填方、挖方土方量，最終打造出填挖分界線。在本質上，DEM方法支持下的土方量是對原始地表和設計地表體積數值的一種精準計算，通過在兩個區域范圍內打造出精準的體系能夠更為精準的計算出計算區的土方量。在具體計算的時候需要在指定的區域范圍內打造出兩個DEM，一個是原始地表DEM，另外一個是設計地表DEM。根據兩個DEM差值就能夠計算出計算區的土方量。

假設原始地表DEM是DEMt，在同樣坐標原點和格網分辨率條件作用下將同一個區域的DEMt和DEMd疊加處理，由此獲得一個新的DEM。△Z（i，J）=Z（i，J）t-Z（i，j）d。在公式計算中，z（i，j）t代表是地表DEM格網點高程。Z（i，j）d代表的是設計DEM格網點的高程。對任何一個格網（i，j），假設△z（i，j）＞0，整個格網是挖方。假設△z（i，j）＜0，則是可以將格網設定為填方。

2.4 斷面分析方法

斷面法土方量計算方式能夠求出兩個臨近橫斷面的面積，在具體實施操作的時候會根據臨近橫斷面的面積來計算出體積。在地形變化大、場地狹窄的帶狀地區，可以通過使用斷面法的方法來計算出土石方量。在地形圖或者碎部測量平面上可以根據土方計算的范圍設定，按照一定的間隔距離降低場地劃分為多個相互平行的橫截面，在橫斷面設定好之后按照設計高程和地面線所打造的斷面圖來計算出每條斷面線所構成的面積，之后將臨近斷面的體積累加在一起，計算出總體積。

按照臨近設計斷面填挖面積平均數值和兩段面距離來獲得兩相鄰橫斷面之間的挖填土石方數量。挖填土石方=1/2（相鄰兩橫斷面的挖方或者填方面積）x臨近兩個橫斷面之間的距離。在具體實施操作時候同樣的方法也適合應用在臨近斷面土石方量的計算中，在具體實施操作的時候各個部分的填方量和挖方量會累計在一起，最終構成場地總挖方量和總填方量。

3 大規模場地平整土方量的計算

在具體分析的時候各方格四個角點原始性的標高設定如圖1所示。假設場平工程設計標高數值為Y，各個方格各個角點的施工高度設定如下：h1=Y1-Y、h2=Y2-Y、h3=Y3-Y、h4=Y4-Y。正號代表的是挖方，負號代表的是填方。根據方格各角點施工高度符號的不同，零線可以將方格劃分為七種情況。第一種情況是全部挖方或者全部填方，土方工程按照以下的方式進行計算：v=0.25a2（h1＋h2＋h3＋h4）.第二種到第七種情況屬于部分挖方部分填方，土方工程量會按照如下的公式進行計算：V=0.25a2（挖填）2/h。

圖1 方格網角點標高示意圖

4 程序處理清單

4.1 程序輸入參數

在系統中所牽扯到的數值包含建筑場地內部設計標高允許的最低數值J，建筑場地設計標高允許最高值K，建筑場地內部方格網中的方格數量N，建筑場地設計標高取定值Y，建筑場地任何一 方格左上角點原始地面標準高Y1，建筑場地內部任何一個方格右上角原始地面的標準高Y2，建筑場地內部任何一個方格左下角原始地面標高，建筑場地任何一個方格右下角點原始地面標高Y4，建筑場地方格網方格邊長A。

4.2 程序輸出參數

系統內部的程序輸出參數包含總挖方量和總填方量的差值CZ，總挖方量和總填方量的總和，具體操作程序如下所示。

10 INPUT“J、K、A、M”；“j、k、a、m”

20 FOR Y=J TO K STEP 1

30 CZ=0

40 CH=0

50 WF=0

60 TF=0

70 FOR N=1 TO m STEP 1

80 INPUT“Y1、Y2、Y3、Y4”y1、y2、y3、y4

82 t=0

90 H1=Y1-Y

100 H2=Y2-Y

110 H3=Y3-Y

120 H4=Y4-Y

130 IF H1＞0 AND H2＞0 AND H2＞0 AND H4＞OTEHN。

W=0.25xaxaxH1xH1/H1＋ABS（H2）＋ABS（H3）＋ABS（H4）

T=0.25aa（H2＋H2＋H4）（H2＋H3＋H4）/（H1＋ABS（H2））＋ABS（H3）＋ABS（H4）。

155 END IF

160 IF H1＜0 AND H2＞＝0 AND H3＞0 AND H4＞0 TEHN。

W=0.25aaH1xH1/（ABS（H1）＋H2＋H3＋H4）

T=0.25aa（H2＋H3＋H4）（H2＋H3＋H4）/（ABS（H1）＋H2＋H3＋H4）165END IF

170 IF H2＞0 AND H1＜0 AND H3＜0 AND H4＜＝0 TEHN

W=0.25aa H2xH2/(ABS(H1)＋H2＋ABS（H3）＋ABS（H4）)

T=0.25aa（H2＋H3＋H4）（H2＋H3＋H4）/(ABS（H1）＋H2＋H3＋H4)

175 END IF

180 IF H2＜0 AND H1＞0 AND H3＞0 AND H4＞＝0 TEHN

W=0.25aaH3xH3/（ABS（H1）＋ABS（H2）＋H3＋ABS（H4））

T=0.25aa（H1＋H2＋H4）（H1＋H2＋H4）/(ABS(H1)＋ABS（H2）＋H3＋ABS（H4）)

195 END IF

200 IF H3＜0 AND H1＞=0 AND H2＞0 AND H4＞＝0 TEHN

W=0.25aa（H1＋H2＋H4）（H1＋H2＋H4）/（H1＋H2＋ABS（H3）＋H4）

T=0.25aaH3xH3/(H1＋H2＋ABS（H3）＋H4)

205 END IF

210 IF H4＞0 AND H1＜0 AND H2＜＝0 AND H3＜＝0 TEHN

W=0.25aaH4xH4/（ABS（H1）＋ABS(H2)＋ABS（H3）＋H4）

T=0.25aa（H1＋H2＋H3）（H1＋H2＋H3）/(ABS(H1)＋ABS（H1）＋ABS（H2）＋ABS（H3）)

5 結束語

綜上所述，大型工業園區以及成片住宅小區在建設過程中會牽扯到比較多的大面積場地平整問題。在具體實施操作的時候，受大型場所填挖土方量大、工程費用高昂的特點，業主和設計單位在確定場平方案的時候會對各個設計參數進行優化處理。在確定好各個設計指標之后，整個場地平整工程量也會會確定。當前，優化設計標高常用方法是最小二乘法，即將總開挖量和總填方量作為重要的約束條件，將總挖方量、總填方量的和作為目標函數，最終獲得設計標高。文章結合大規模場地平整土方量計算要求和常用方法，使用先進的技術手段編訂對應的計算機源程序。這個試驗算法通過一組數據信息的整合編寫來計算出滿足工程施工工藝要求的設計數值，計算出相應場地平整總挖方量和總填方量的差值，經過比對分析選擇比較小的標高方案，確定造價最低的標高方案。