工程土方量計(jì)算研究現(xiàn)狀與展望

周浩文 李吉 田和平

摘要：土方量的計(jì)算在工程建設(shè)各環(huán)節(jié)中占有重要地位，其計(jì)算的精度和效率將對(duì)工程建設(shè)產(chǎn)生重大影響。分析總結(jié)了目前計(jì)算土方量所使用的各種方法和軟件的計(jì)算效果；指出了現(xiàn)有的土方量計(jì)算方式的弊端；探討了土方量計(jì)算未來的發(fā)展方向，不但要求計(jì)算精準(zhǔn)高，而且需要更加迅速、更加智能的信息反饋，為工程建設(shè)提供及時(shí)有效地參考和指導(dǎo)。

Abstract： Earthwork calculation plays an important role in all aspects of engineering construction， and its accuracy and efficiency will have a significant impact on engineering construction. We analyze and summarize the calculation results of various methods and software used to calculate earthwork quantity， and point out the disadvantages of existing earthwork calculation methods， and probe into the future development direction of earthwork calculation， which not only requires high precision， but also needs more rapid and intelligent information feedback to provide timely and effective reference and guidance for engineering construction.

關(guān)鍵詞：土方量計(jì)算；研究現(xiàn)狀；發(fā)展方向；及時(shí)反饋；智能化

Key words： earthwork calculation；research status；development direction；timely feedback；intelligence

中圖分類號(hào)：TU751 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）32-0238-03

1 概述

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國內(nèi)外工程建設(shè)項(xiàng)目越來越多。在各種工程項(xiàng)目建設(shè)中，如公路、鐵路、城市規(guī)劃、土地整理開發(fā)等，土方量的計(jì)算是一項(xiàng)必不可少的、經(jīng)常性的工作。土方工程在整個(gè)項(xiàng)目占有舉足輕重的地位，相比于整個(gè)的項(xiàng)目的工程量，土方工程常占相當(dāng)?shù)谋壤?，土地平整工程投資占總投資的比例甚至可達(dá)40%-80%[1]。對(duì)土方量進(jìn)行精準(zhǔn)、快速的計(jì)算能夠?yàn)楣こ塘款A(yù)算、施工組織設(shè)計(jì)和施工現(xiàn)場安排提供及時(shí)、重要的參考和決策依據(jù)。一方面土方量計(jì)算準(zhǔn)確與否將直接影響到工程建設(shè)的經(jīng)濟(jì)效益，精準(zhǔn)的土方量計(jì)算有利于合理地進(jìn)行土方調(diào)配，節(jié)省施工成本；另一方面土方量計(jì)算速度也將對(duì)現(xiàn)場施工組織控制和建設(shè)工期產(chǎn)生重要影響，及時(shí)、迅速、智能化的土方計(jì)算有利于及時(shí)反饋現(xiàn)場土方填挖情況，以便進(jìn)行項(xiàng)目審查核對(duì)，合理地安排施工進(jìn)度，控制施工成本。

2 土方量計(jì)算研究現(xiàn)狀

2.1 計(jì)算方法

土方量的計(jì)算，實(shí)質(zhì)上就是求取同一區(qū)域開挖前后的挖方量或者填充前后的填方量，即計(jì)算體積。一般的土方量計(jì)算方法主要有：斷面法、方網(wǎng)格法、等高線法、DEM法。

2.1.1 斷面法

斷面法，亦稱截面法，是最為傳統(tǒng)的算法[2]。適用于地形條件復(fù)雜、高差較大的情況，因其計(jì)算方法簡單、便于校核，工程中較為常用。斷面法的工作原理是將地形圖以一定間距劃分為若干橫截面，每個(gè)橫截面面積由設(shè)計(jì)高程和地面線確定，根據(jù)橫截面面積和相鄰橫截面間距即可確定土方量。采用類似原理的改進(jìn)方法還有辛普森法（拋物線法）[3]，不同于斷面法將地形看成折線，辛普森法將地形表面看成拋物線，這與實(shí)際曲線變化的地形比較相符；斷面特征點(diǎn)選取適當(dāng)時(shí)，辛普森法的精度要高于斷面法。

2.1.2 方網(wǎng)格法

方網(wǎng)格法的原理是在圖紙上將需要計(jì)算的場地劃分為若干網(wǎng)格，根據(jù)每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的場地標(biāo)高和設(shè)計(jì)標(biāo)高，按長方體體積求出每個(gè)網(wǎng)格的挖（填）方量，然后累加求出該區(qū)域總的挖（填）方量。通常適用于地形平坦、高差起伏不大的區(qū)域。方網(wǎng)格法計(jì)算公式較多，常用的有算術(shù)平均法和加權(quán)平均法[4]，地形高差較大時(shí)，算術(shù)平均法的計(jì)算精度較差，宜采用加權(quán)平均法。

2.1.3 等高線法

等高線法即根據(jù)計(jì)算等高線所圍成的閉合面積，再由等高線高差計(jì)算土方量[5]。由于不需要標(biāo)定其他高程，省去了復(fù)雜的內(nèi)插工作，計(jì)算速度相對(duì)較快，但精度也較低。適用于高差起伏較大、地形復(fù)雜，對(duì)精度要求不高的區(qū)域。

2.1.4 DEM法

數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）是采用地面點(diǎn)的平面坐標(biāo)（x，y）和高程數(shù)據(jù)（z）實(shí)現(xiàn)對(duì)地形的數(shù)字化模擬，能夠比較真實(shí)地表達(dá)實(shí)際地形，計(jì)算精度較高。利用DEM計(jì)算土方量的原理是分別建立待求區(qū)域原始地形DEM和設(shè)計(jì)地形DEM，然后求出兩者的體積差。DEM有兩種表現(xiàn)形式：規(guī)則格網(wǎng)（Grid）DEM和不規(guī)則三角網(wǎng)（Triangulated Irregular Network，TIN）DEM，其中TIN能夠以靈活的邊長模擬實(shí)際地形，相比于Grid能夠更加真實(shí)的反映實(shí)際的地形，在計(jì)算土方量方面精度更高[6]。

2.2 計(jì)算軟件

隨著計(jì)算機(jī)科技的發(fā)展，各種能夠進(jìn)行土方量計(jì)算的軟件層出不窮，越來越廣泛地被應(yīng)用于各種工程建設(shè)中，主要分為以下幾類：GIS系列（ArcGIS、Arcview、MAPGIS、Autodesk Map）、AutoCAD系列（HTCAD、南方CASS、Civil3D、ZDM）、遙感系列（ERDAS）以及BIM系列（Revit），下面對(duì)目前經(jīng)常使用的一些的軟件及其計(jì)算效果進(jìn)行介紹。

2.2.1 GIS系列

GIS系列軟件在計(jì)算土方量中應(yīng)用得最多，很多研究者都用GIS系列軟件進(jìn)行過土方量的計(jì)算，而其中ArcGIS應(yīng)用得又最多。陳勇[7]利用ArcGIS地統(tǒng)計(jì)分析模塊進(jìn)行了土地平整土方量計(jì)算；潘紅飛和趙翠薇[8]，李春梅和景海濤[6]，郭寬偉等[9]基于TIN形式的DEM，利用ArcGIS的3D Analys模塊中的Cut/Fill工具對(duì)土方量進(jìn)行了計(jì)算；柳長順和杜麗娟[10]將Arcview用于土地整理項(xiàng)目土方量的計(jì)算；張新海等[11]探討了MAPGIS在土方量計(jì)算中的應(yīng)用；徐志剛等[12]通過AutoDesk Map 3D軟件計(jì)算了土方量。從使用量上來看，ArcGIS應(yīng)用得最多，其次是MAPGIS，最后是Arcview和AutoDesk Map 3D；從計(jì)算結(jié)果上來看，ArcGIS和Arcview的計(jì)算結(jié)果很接近；從運(yùn)行效率上來看，ArcGIS和Arcview運(yùn)算速度較緩慢，MAPGIS較快[13]。

2.2.2 AutoCAD系列

AutoCAD系列的南方CASS軟件也是常用的計(jì)算方量的軟件，可以利用DEM模型、斷面、方網(wǎng)格、等高線等多種方法進(jìn)行土方量計(jì)算；近年來杭州家園科技有限公司也推出了HTCAD，針對(duì)各種復(fù)雜地形情況提供了多種土方量計(jì)算方法；Civil3D是Autodesk公司在土木工程行業(yè)推出的一款三維設(shè)計(jì)軟件，可以創(chuàng)建三維地形，進(jìn)行土方量計(jì)算。劉建英[14]采用南方CASS軟件比較了四種土方量計(jì)算方法的特點(diǎn)；黃少谷[15]基于方網(wǎng)格法對(duì)比了CASS和HTCAD計(jì)算土方量的優(yōu)缺點(diǎn)，指出CASS計(jì)算結(jié)果受網(wǎng)格尺寸影響較大，而HTCAD影響較??；余劍[16]應(yīng)用Civil3D計(jì)算了蚌埠市某建設(shè)拆遷還原小區(qū)項(xiàng)目的土方量，具有較高的精度和較快的計(jì)算速度；其他相關(guān)的軟件還有ZDM等[17]。

2.2.3 遙感系列

遙感系列中的ERDAS IMAGINE軟件，是美國ERDAS公司開發(fā)的遙感圖像處理系統(tǒng)，能夠結(jié)合傳統(tǒng)的方格網(wǎng)法、DEM法進(jìn)行土方量計(jì)算[1]，但目前使用并不多。

2.2.4 BIM系列

BIM技術(shù)近幾年得到了飛速的發(fā)展，在建筑工程技術(shù)方面的應(yīng)用越來越多。一些研究者在嘗試著將其應(yīng)用于土方工程[18-20]，發(fā)現(xiàn)土方量計(jì)算效果良好，結(jié)果較為精確。但總體而言BIM軟件支持的空間范圍較小，不能承載海量大范圍的地形數(shù)據(jù)，因此只能對(duì)小范圍區(qū)域的土方量進(jìn)行計(jì)算，這還有待進(jìn)一步研究。

3 土方量計(jì)算研究展望

3.1 目前土方量計(jì)算方式的弊端

以上對(duì)土方量計(jì)算的各種方法和軟件進(jìn)行了介紹和比較分析，其中基于DEM法的GIS系列和AutoCAD系軟件是當(dāng)下比較常用的計(jì)算手段。但這些方式和手段一般只適用于項(xiàng)目的規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，此時(shí)可以通過實(shí)測場地地形和設(shè)計(jì)場地地形運(yùn)用各種方式方法計(jì)算土方量；而對(duì)于施工階段，不但要清楚施工之前土方量的大小，更需要詳細(xì)地了解施工階段每個(gè)時(shí)間段甚至每一天的工程土方量情況，這樣才能更加合理地控制施工成本、安排施工工期，并對(duì)當(dāng)前挖填方量進(jìn)行校核。因此不但要求計(jì)算精準(zhǔn)，而且要求計(jì)算速度要足夠快，要能夠更加及時(shí)、更加智能地將每個(gè)時(shí)段的土方量計(jì)算結(jié)果反饋給施工現(xiàn)場。然而目前的技術(shù)手段還難以做到這一點(diǎn)，一般都需要測繪工程師去現(xiàn)場勘測校核土方量，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

3.2 未來土方量計(jì)算方式的發(fā)展

盡管現(xiàn)在的土方量計(jì)算方式難以滿足施工階段的要求，但也并不是遙不可及的夢(mèng)想。無人機(jī)技術(shù)的引入和使用能夠有望幫助我們解決這一難題，有的研究者初步探討了無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)在土方工程中的應(yīng)用（無人機(jī)+Civil3D）[21]，但仍有待進(jìn)一步探索并將其推廣應(yīng)用。本集團(tuán)公司的研究人員正在探索一種“無人機(jī)+GIS+BIM”的技術(shù)手段，有望大幅度提高土方量計(jì)算的精度和效率，期待其研究成果能夠應(yīng)用于實(shí)際工程中，為工程施工帶來更大的便利。

4 結(jié)語

目前土方量的計(jì)算方法和手段多種多樣，也確實(shí)能夠在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段有效地進(jìn)行土方量的計(jì)算。但依然難以滿足施工階段的要求，不能及時(shí)反饋與校核施工現(xiàn)場的土方量情況，這不利于對(duì)施工工期和施工成本的控制。需要更大幅度地提高土方量計(jì)算的精度和效率，尤其是計(jì)算效率。無人機(jī)技術(shù)的使用有望能夠解決這一難題，無人機(jī)技術(shù)與現(xiàn)有的土方量計(jì)算軟件技術(shù)結(jié)合是未來的發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡振琪，高永光，李江新，等.ERDAS在土地整理土方量計(jì)算中的運(yùn)用[J].中國土地科學(xué)，2006（01）：50-54.

[2]李書全.土木工程施工[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2004.

[3]林偉琦.土方量的測算及其精度分析[J].南方金屬，2001（05）：49-52.

[4]羅德仁，鄒自力，湯江龍.工程土方量計(jì)算比較分析[J].東華理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2005（01）：59-64.

[5]黎細(xì)波，馬向陽，黃宗發(fā).等高線法計(jì)算挖填土方[J].大壩與安全，2004（S1）：74-76.

[6]李春梅，景海濤.基于ArcGIS的土方量計(jì)算及可視化[J].測繪科學(xué)，2010，35（02）：186-187，116.

[7]陳勇.利用ArcGIS地統(tǒng)計(jì)分析進(jìn)行土地平整土方量計(jì)算的研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2007（01）：70-71，103.

[8]潘紅飛，趙翠薇.基于TIN模型較高精度土方量計(jì)算方法[J].價(jià)值工程，2012，31（05）：63-65.

[9]郭寬偉，岑國平，馬文軒，等.ArcGIS在機(jī)場土方計(jì)算中的應(yīng)用分析[J].四川建筑科學(xué)研究，2012，38（01）：115-117.

[10]柳長順，杜麗娟.Arcview在土地整理項(xiàng)目土方量計(jì)算中的運(yùn)用[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2003（02）：224-227.

[11]張新海，何政偉，吳柏清，等.MapGIS技術(shù)支持下的典型田塊土方量計(jì)算及成圖[J].測繪科學(xué)，2007（03）：132-133，93，197.

[12]徐志剛，高鵬，張金雷，等.基于AutoDesk Map 3D的土方量計(jì)算[J].江西理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，34（01）：47-50.

[13]王勇濤.GIS在土地平整土方量計(jì)算中的應(yīng)用研究[A].中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)2005年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C].中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)，2005.

[14]劉建英.南方CASS軟件土方量計(jì)算方法的探討以及特殊地貌土方量的計(jì)算[J].城市勘測，2008（05）：108-115.

[15]黃少谷.基于方格網(wǎng)法的CASS與HTCAD土方計(jì)算比較[J].山西建筑，2009，35（06）：147-148.

[16]余劍.Civil3D在土方量計(jì)算中的應(yīng)用[J].城市勘測，2009（04）：128-130.

[17]汪李艷，楊珂，王春娟.ZDM軟件在土方開挖工程量計(jì)算中的應(yīng)用[J].西北水電，2018（02）：46-49.

[18]譚正清，陳愛兵.BIM技術(shù)在土方工程施工中應(yīng)用與探討[J].四川建材，2017，43（04）：76-77.

[19]嚴(yán)事鴻，趙春雷，楊廣鶴.BIM技術(shù)在土方開挖過程中的應(yīng)用研究[J].施工技術(shù)，2017，46（12）：123-125.

[20]肖貝.Revit二次開發(fā)在基坑土方工程中的應(yīng)用研究[D].南昌大學(xué)，2016.

[21]陳淼新，袁樹才，孫雨.無人機(jī)航空攝影測量在土方平衡中的應(yīng)用[J].測繪與空間地理信息，2017，40（12）：177-179，182.