基于Civil 3D的某山區(qū)復雜地形場平工程的土方量計算

昂 龍，李大華，宋辰辰，韓 炎

(安徽建筑大學 土木工程學院,安徽 合肥 230601)

關鍵字：土方量；Autodesk Civil 3D；曲面；計算；評估

0 引言

土方工程是土木工程施工的先導過程[1]。由于它具有工程量大、施工條件復雜和不可確定因素較多等特點，因此制定經濟合理的施工方案對保證工程施工質量、工期、安全和降低工程成本的意義重大，而準確計算土方工程量是制定土方施工方案的前提[2]。現(xiàn)今如Arc GIS、南方測繪的CASS，雖說增加了計算土方量方法的多樣性，但對于一些數據的篩選、添加和刪除以及結果的輸出還或多或少的存在些不足[3-4]。

Civil 3D是由Autodesk公司推出的能進行土木工程道路設計與計算土石方量的精確制圖軟件，該公司在2004年發(fā)布的軟件Autodesk Civil 3D 2004中所有的對象都是動態(tài)聯(lián)系的，并且在設計過程中若有數據的變更，在最終的輸出結果中會有體現(xiàn)。同時在2011年，美國加利福利亞運輸局就宣布將Civil 3D軟件作為州內道路設計的工具[5]。在我國，基于Civil 3D的土方施工工程也都應用廣泛[6-10]。

1 土方工程量計算的一般方法

傳統(tǒng)的土方工程量計算方法有D T M法、方格網法和橫斷面法，不同的方法可以應對不同的計算要求[11]。

1.1 DTM（Digital Terrain Model）法

DTM（數字地形模型） 常通過TIN（Triangulated Irregular Network不規(guī)則三角網） 法構造三角網建立。DTM法通過將各個高程點連成一個個小的三角進而生成一張不規(guī)則的三角網，使需要計算的地形曲面分解為多個或者無數個三角錐。這些三角在實際中分為三種情況，一種是全填方，一種是全挖方（見圖1，h1、h2為挖方或者填方高度），最后一種是既有填方又有挖方（見圖2，h1、h2、h3為挖填方高度）。在計算過程中填方用“+”表示，挖方用“-”表示，之后運用數學公式將每個不規(guī)則的三角形體積計算出來，最后將填方體積和挖方體積統(tǒng)計出來便可得到指定場地內的挖填方數量[12]。

圖1 挖方、填方示意圖

圖2 既挖方又填方示意圖

1.2 方格網法

方格網法（見圖3） 實質是將場地進行單元化分割成若干個正方形網格，計算每個網格的體積[13]。同時網格越小，所包含的地形信息也就越詳細，但因為網格數眾多，信息量大，各網格間的重疊干擾也就越大，精確度也會繼而下降，所以方格法主要適用邊界規(guī)整的場地。

圖3 方格網法示意圖

圖4 橫斷面法示意圖

1.3 橫斷面法

橫斷面法（見圖4）是當遇到場地標高相差較大，地形較為狹長且有不規(guī)則的呈帶狀分布的道路或者河道時常用的一種運算方法，這種方法能較為方便快速的進行計算。在計算時，沿長度方向每隔一定的距離取一斷面，后根據每個斷面的面積計算相鄰斷面的平均面積再乘以相鄰斷面的距離，便可求得相鄰兩斷面的挖填方體積V(計算方法見公式1)[14]。同理在求出所有分割斷面的土方量后累計求和，即為所求場地的總挖填土方量[15]。

式中：F1、F2——兩端的斷面面積(m2);

F0——中間段的斷面面積(m2)；

L——斷面計算長度(m)

在Civil 3D中，可以通過創(chuàng)建曲面來實現(xiàn)數字地形模擬，該模擬過程是將已創(chuàng)建好的由方格網或三角形組成的曲面通過三維空間進行表示。由勘測單位外業(yè)人員所采集的項目地形高程點通過軟件分析繪制成地形圖。在軟件中，可以對之前已經繪制好的地形圖通過構建三維曲面，對高程點、等高線、流域面積、坡向和坡度進行分析。在對已分析好的曲面數據進行添加、刪除和編輯時，因其各設計元素間存在動態(tài)聯(lián)動關系，所以之前的分析數據都可以自動同步更新。通過軟件可以采用三維幾何算法在對已分析完的地形圖中的每個高程點和z值進行精確的差值計算為后續(xù)計算挖填土方量做準備。

2 工程概況

該項目為特大型換流站項目的場平工程，地址位于安徽省宣城市古泉鎮(zhèn)敬亭山區(qū)，總占地面積約37.68公頃。項目地形復雜，坡度7°-25°，場地地面標高最小高程51 m，最大高程89 m。在進行大面積土方工程施工時有一定的技術難度，由于當地林、耕土地資源緊張，土方外運或外購困難，且施工場地周邊生態(tài)保護林地存在，提高了對綠色施工及資源有效利用方面的要求，因此必須合理精準確定土方工程量,以求達到挖填平衡的效果。

圖5 項目現(xiàn)場圖

圖6 原始曲面圖

3 數據準備

本工程計算站區(qū)內平基土方的資料為勘測單位給出的現(xiàn)場圖（見圖5，單位：mm），圖中主要包括道路走向、已測繪好經軟件合成的等高線和高程點數據圖，同時在圖中還標明了站區(qū)平基場地的邊界線。

4 挖填方量計算

4.1 創(chuàng)建曲面

本項目中，利用現(xiàn)場圖中的等高線和高程點創(chuàng)建曲面。經Civil 3D軟件運用特性查看可知現(xiàn)場圖中的等高線和高程點均為三維坐標，即z坐標為正確的高程值。而且通過D T M法創(chuàng)建三角網能更好地表示復雜地形如陡坡和山脊的信息，所以，可選擇“創(chuàng)建曲面”在瀏覽選項卡中點擊“曲面”下拉菜單,在“定義”中利用等高線和高程點將現(xiàn)場圖創(chuàng)建為三角網曲面，在生成的曲面圖中添加主等高線和次等高線使之生成比較精確的原始曲面圖(見圖6)。

4.2 編輯修改原始曲面圖

在已創(chuàng)建好的曲面，依據即建的換流站站址的用地紅線，將原始曲面進行裁剪（見圖7），裁剪成功后，為較清晰的顯示站址內的地形特點，可打開軟件的“曲面特性-地形曲面”，在“分析”欄下可以對創(chuàng)建好的曲面進行高程分析，將“范圍創(chuàng)建依據”中“范圍間隔”設置為“8”進行分析。分析結束后打開“曲面樣式”在“顯示”中將“視圖方向”選為“平面”后，“高程”選項設置為可見，其余不可見。插入圖例，便得到更直觀的站區(qū)場地各標高段內的渲染效果圖(見圖8，單位：m)。

圖7 裁剪圖

圖8 渲染效果圖

圖9 場地平整圖

圖11 土方施工圖

4.3 創(chuàng)建放坡組

Civil 3D中的放坡是以創(chuàng)建好的曲面圖為依據來創(chuàng)建一個新曲面[16]。將圖5中原邊框多段線轉換為要素線，已設置好的高程值在轉換時會自動保留。放坡對象劃分的標志為要素線，放坡時，根據本項目的情況，邊坡挖填方放坡坡度為水平，方向向內，邊坡外放坡暫不考慮。在“放坡”模塊中選擇“放坡創(chuàng)建工具”，選擇必要的參數后，可創(chuàng)建放坡，放坡結束后平基場地內的其他區(qū)域可創(chuàng)建填充，將站址內平整為一平面(見圖9)。

4.4 生成土方報告

根據已放坡的曲面，在確定放坡組特性后，點擊放坡體積工具生成本項目平基土方報告(見圖10)，在Civil 3D的工具欄中點擊曲面，運行生成土方施工圖命令，生成土方網格施工圖(見圖11)，挖填平衡后站址標高為75.202 m。

4.5 土方計算方法比較

除利用Civil 3D軟件計算土方量外，還利用Arc GIS軟件采用DE M法對場區(qū)進行了土方量的計算，以驗證和對比Civil 3D在本工程中的應用價值。

Arc GIS計算土方量需提前設定場平標高(上述Civil 3D算出最終挖填平衡標高為75.202 m)，軟件根據設定好的標高來進行土方的挖填量計算。結合本項目現(xiàn)場地形地貌的實際情況確定選用DE M法進行本工程土方量的計算和比較。計算結果見表1。

表1 計算結果對比

從土的挖填方量來比較，Arc GIS無法達到真正的挖填平衡，對施工的指導意義作用較小，而經Civil 3D模擬的結果，達到了挖填平衡，能為施工人員提供參考。

從實際應用比較，Arc GIS軟件模擬的土方量計算給定場地平整后的標高，其可以作為土方量驗算的工具，而Civil 3D能夠在勘繪結束利用得到的測量數據進行先期的土方量計算，生成施工圖，為后期場平標高的確定給出參考依據。

5 結語

(1)基于建筑信息模型(BIM)技術的Civil 3D具有強大的設計計算能力以及直觀、精確等特點，同時其每個關聯(lián)要素間的緊密聯(lián)系為土方計算提供了高效的解決方法，其時時動態(tài)更新為操作人員帶來便捷。

(2)Civil 3D有利于提高三維可視化設計的質量和精度以及快速進行復雜地形的土石方施工規(guī)劃，能夠準確地計算土石方量，達到了挖填平衡的效果，保證了工程效益，為工程施工提供建議。

(3)通過Civil 3D軟件對初始地形數據圖進行從平面到立體的設計和依據不同地形特點采用不同的計算方法避免了重復工作。