基于BIM技術(shù)的輸水工程土石方量測(cè)算及出圖方法研究

李夢(mèng)龍

(遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000)

土石方量的測(cè)算是工程行業(yè)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它不僅直接關(guān)系到工程的費(fèi)用概算及方案選優(yōu)，而且關(guān)系到與實(shí)際開(kāi)挖是否相符，其貫穿于工程設(shè)計(jì)階段及施工階段，在一些地質(zhì)條件較為復(fù)雜的地區(qū)因土方量測(cè)算的精確性經(jīng)常產(chǎn)生糾紛[1]。輸水管線項(xiàng)目由于其自身的工程特點(diǎn)，勘察精度大多控制在200m左右，各階段土石方量出入較大[2]。傳統(tǒng)的方格網(wǎng)法、等高線法、斷面法、區(qū)域土方量平衡法和平均高程法等測(cè)算方法[3]，大多基于分區(qū)分塊計(jì)算，在增大工作量的同時(shí)，測(cè)算精度也不能有效保證。對(duì)于地質(zhì)勘察人員和施工地質(zhì)人員主要依據(jù)斷面鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行單斷面的繪制橫斷面圖，在勘察階段及施工階段橫斷面密度較大，往往大量耗費(fèi)時(shí)間及人力，制約著工程進(jìn)度。如何利用勘察數(shù)據(jù)、實(shí)際開(kāi)挖數(shù)據(jù)及數(shù)字地形數(shù)據(jù)快速準(zhǔn)確的測(cè)算出土石方量，并快速繪制橫斷面圖，是加快地質(zhì)人員工作效率，提升工作質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。近年來(lái)國(guó)內(nèi)水利水電BIM技術(shù)發(fā)展迅猛，工程應(yīng)用形式逐漸從點(diǎn)狀工程擴(kuò)展到線性工程[4-7]，應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大到地質(zhì)領(lǐng)域，但受多種原因影響，三維地質(zhì)建模軟件與設(shè)計(jì)軟件相比功能較為薄弱，主要應(yīng)用于場(chǎng)地工程項(xiàng)目，對(duì)于線性項(xiàng)目應(yīng)用較少，而地質(zhì)三維技術(shù)在水利線性工程中的應(yīng)用更是少之又少[8-11]。

因此本文基于Geostation軟件利用BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)輸水管線項(xiàng)目中土石方的快速準(zhǔn)確測(cè)算及出圖，為線性工程中地質(zhì)人員工作從二維向三維的過(guò)渡提供新的思路。

1 項(xiàng)目概況

2 建模及出圖方法

2.1 管線模型

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙統(tǒng)計(jì)線路各拐點(diǎn)的空間坐標(biāo)，利用軟件中，“導(dǎo)點(diǎn)成線”工具生成空間三維曲線，選取“實(shí)體-掃略”工具輸入內(nèi)外徑后，生成管道模型，在管線下部切線處即開(kāi)挖底高程繪制垂直于軸線的智能線，應(yīng)用“拉伸成面”工具生成面，最后利用“mesh-元素網(wǎng)格”工具將其網(wǎng)格化，生成開(kāi)挖底面，如圖1所示。

圖1 管道模型

2.2 地形曲面模型

地形曲面模型精度大小直接影響土石方量的測(cè)算。該地形面的生成可以依靠mapstation及Open Rouds生成TIN模型，本文中以Geostation軟件為例進(jìn)行地形模型的建立。首先參考測(cè)量專(zhuān)業(yè)人員提供的1∶2000數(shù)字地形圖(dwg或者shp文件皆可)并將其合并到主文件，應(yīng)用“擬合生成面”工具，選取生成地形面，根據(jù)個(gè)人需求繪制模型范圍，采用“線剪切面”工具切割地形面，確定最終地形模型，如圖2所示。值得注意的是地形文件導(dǎo)入后，需要關(guān)閉等高線及高程點(diǎn)以外圖層，確保地形模型的準(zhǔn)確性。如果基礎(chǔ)地形圖數(shù)據(jù)格式為T(mén)IN，需要用“TIN轉(zhuǎn)DTM”工具進(jìn)行轉(zhuǎn)換。對(duì)于局部微地形要求較高的地形模型，可以采用Mapstation對(duì)局部網(wǎng)格做到精準(zhǔn)修改。

圖2 地形面模型

2.3 地質(zhì)實(shí)體模型

地質(zhì)實(shí)體模型為開(kāi)挖方量測(cè)算及出圖的基礎(chǔ)，在設(shè)計(jì)階段與施工階段的建模過(guò)程中，建模方法略有區(qū)別。

勘察期地質(zhì)實(shí)體模型建模方法：將鉆探基礎(chǔ)資料導(dǎo)入到Geodata manage數(shù)據(jù)庫(kù)之中，Geostation for city 中“直接建模”工具建立的地質(zhì)實(shí)體模型在整體修改及局部控制方面存在不足，因此本文采用手動(dòng)建模。應(yīng)用“拉伸面”工具拉伸地形模型至剖面出圖的最大深度，建立鉆孔模型及勘探線模型，繪制橫縱剖面各巖性分層點(diǎn)連線并賦予相應(yīng)界面屬性，在三維模式下利用“帶邊界生成mesh”工具生成巖性分界面，反復(fù)此操作生成全部亞寧界面，最后采用“面剪切體”工具利用生成的巖性界面切割地質(zhì)體，生成地質(zhì)實(shí)體模型，同時(shí)賦予相應(yīng)巖性屬性，如圖3所示。

圖3 地質(zhì)實(shí)體模型

施工期實(shí)體模型建立采用手動(dòng)建模方式，施工期間正常以300m左右為一個(gè)開(kāi)挖槽段，驗(yàn)槽期間采用RTK分層采集分界線控制點(diǎn)的空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)[12]，在巖層變化較大的部位加密采集密度，利用Geostation for city中“導(dǎo)入點(diǎn)”工具，直接導(dǎo)入同一地層分界處的散點(diǎn)，并采用“帶邊界TIN生成”工具生成分界曲面，同時(shí)賦予分界屬性，最后重復(fù)以上操作生成各分界面，重復(fù)勘察期手動(dòng)建模流程生成地質(zhì)實(shí)體。需要注意的是在面剪切體之前，需要“更改網(wǎng)格法線”工具確定被開(kāi)挖體與開(kāi)挖面的法線方向，在被開(kāi)挖體法線向外同時(shí)開(kāi)挖面法線向上的情況下，剪切速度最快，成功率最高。并且生成的巖性分界面的范圍需要大于地質(zhì)實(shí)體的投影范圍。

2.4 開(kāi)挖模型

開(kāi)挖模型建立之前需使用“夾角量測(cè)”工具確定管線中心軸線方位角，軟件默認(rèn)y正向?yàn)檎狈较?。在開(kāi)挖底面上提取平行于軸線的兩條邊線，利用“跡線軌跡生成面”工具，輸入向上延伸、軸線方向79.9°傾向南西、傾角為Arctan 0.76=53.13生成巖石部分的開(kāi)挖界面。利用“面面剪切-勾選求算剪切交線”工具，將開(kāi)挖界面分割成兩部分，生成強(qiáng)風(fēng)化界面與巖石開(kāi)挖界限的交線，之后以交界線為跡線輸入向上延伸、軸線方向79.9°傾向南西、傾角為Arctan 1.25=38.67生成土部分的開(kāi)挖界面，重復(fù)以上方法完成左側(cè)開(kāi)挖界面。在完成以上操作后，選擇 “mesh-縫合網(wǎng)格”工具將上述各網(wǎng)格面合并成一個(gè)開(kāi)挖模型，如圖4所示。

圖4 開(kāi)挖界面模型

2.5 土石方量測(cè)算

利用mesh工具集中“面剪切體-勾選切分mesh面”工具，對(duì)地質(zhì)實(shí)體模型進(jìn)行剪切，可以將開(kāi)挖體與被開(kāi)挖體分割，如圖5所示。之后利用“土石方量測(cè)算”工具選擇目標(biāo)巖性實(shí)體，即可確定開(kāi)挖方量。

圖5 開(kāi)挖體與被開(kāi)挖體

2.6 批量出圖

采用“勘探線建?！惫ぞ呓短?hào)23+200、23+600兩處勘探線模型，利用“批量切剖面”可以自動(dòng)繪制兩勘探線之間任意間距任意方向的橫斷面，出圖后進(jìn)行長(zhǎng)度及高程標(biāo)注即可完成橫斷面圖的出圖，如圖6所示。

圖6 橫斷面圖

2.7 可視化顯示

模型建立完畢后將各模型導(dǎo)入至總文件之中，根據(jù)展示目的，利用 “顯示樣式管理器”工具切換各類(lèi)顯示樣式，如圖7所示。通過(guò)調(diào)節(jié)內(nèi)部參數(shù)達(dá)到理想展示效果[13-15]。

圖7 多模式下模型顯示樣式

3 與傳統(tǒng)工作方式對(duì)比

3.1 新的工作流程

區(qū)別于傳統(tǒng)的方格網(wǎng)法、等高線法、斷面法、區(qū)域土方量平衡法和平均高程法等土石方量測(cè)算方法，此方法將土石方開(kāi)挖量測(cè)算與設(shè)計(jì)/竣工出圖工作流程進(jìn)行整合，即在設(shè)計(jì)出圖過(guò)程中已將開(kāi)挖量測(cè)算完畢，即工作方式由傳統(tǒng)的“串聯(lián)方式”轉(zhuǎn)換至“并聯(lián)方式”，縮短了工作時(shí)長(zhǎng)，提升了工作效率。

3.2 精準(zhǔn)性

該方法土石方量測(cè)算的精準(zhǔn)程度主要取決于分界面的繪制精度，在設(shè)計(jì)及施工階段巖性界面空間數(shù)據(jù)獲取較為便利的條件下，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)推測(cè)的地質(zhì)點(diǎn)，可以大幅度提升分層界面的精度。

3.3 便捷性

地質(zhì)實(shí)體模型及地形曲面模型建立后，可以根據(jù)不同的開(kāi)挖曲面，測(cè)算任意槽段任意巖性的開(kāi)挖方量，可以在不同橫斷面位置，任意角度任意長(zhǎng)度切割地質(zhì)模型，快速批量生成設(shè)計(jì)圖或竣工圖，大大的提升的出圖效率，縮短設(shè)計(jì)周期。

3.4 直觀性

在設(shè)計(jì)階段可以直觀的觀察到管線持力層巖性，確定承載力大小及不良地質(zhì)現(xiàn)象，為加強(qiáng)設(shè)計(jì)提供支持；對(duì)比不同槽段的設(shè)計(jì)開(kāi)挖體巖性與實(shí)際開(kāi)挖巖性，可以確定造成土石方量變化的主要原因。

4 結(jié)論

相比傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)及算量的方式，BIM技術(shù)提供了另一種將出圖、土石方開(kāi)挖算量、可視化同時(shí)進(jìn)行的融合性的解決方案，其具有精準(zhǔn)、簡(jiǎn)便、快捷、直觀的特征，適用于長(zhǎng)距離輸水管線的設(shè)計(jì)及施工過(guò)程，符合地質(zhì)人員工作方式，該方法同樣適用于勘探孔較為密集的點(diǎn)狀工程的設(shè)計(jì)施工過(guò)程。

本方法基于Geostation V8i版本基礎(chǔ)進(jìn)行的，“三維實(shí)體切割”有時(shí)因?yàn)榫W(wǎng)格問(wèn)題造成剪切失敗，隨著CE版改進(jìn)，“圍合”等功能將逐步改進(jìn)三維地質(zhì)實(shí)體的分割方式。下一步將探究BIM技術(shù)在復(fù)雜邊坡設(shè)計(jì)計(jì)算中彌補(bǔ)巖土ACE軟件空間繪圖方面缺陷的能力。