基于BIM的三維方量計算方法在水利水電工程中應用研究

劉懷林，胡 君，賀立捧，白 翔

(貴州省水利水電勘測設計研究院有限公司，貴陽 550002)

1 概 述

在水利水電工程建設中，涉及挖填方的工作面較多且方量較大，如大壩壩基及壩肩開挖、導流洞開挖、渠道及各邊坡放坡開挖等。由于開挖方量較大及環(huán)保要求，對選擇棄渣場也很重要，棄渣場是否滿足棄渣要求、棄渣場實際棄渣方量計算等問題與工程投資及結算直接相關。如何準確計算挖填方量，對規(guī)劃設計、資金分配及工程質量控制都具有十分重要的意義。

目前，方量計算的傳統(tǒng)方法主要有DTM法、方格網法、等高線法、斷面法等。傳統(tǒng)方法在數(shù)據(jù)處理過程中，從原始數(shù)據(jù)生成網格或等高線到計算方量是二維成果，不能很好發(fā)現(xiàn)粗差，不直觀，有一定的精度損失，當計算數(shù)據(jù)量較大時可能導致計算機死機。隨著獲取原始數(shù)據(jù)手段不斷提升，儀器設備精良，可獲得更大密度的原始數(shù)據(jù)。而基于BIM的三維方量計算方法可引入點云數(shù)據(jù)、航測模型等數(shù)據(jù)，更加直觀，相比傳統(tǒng)方法便于發(fā)現(xiàn)粗差，從原始數(shù)據(jù)生成模型就可直接得到實體體積，減少精度損失。在BIM設計的發(fā)展趨勢下，傳統(tǒng)的方量計算方法在精度等方面不能滿足發(fā)展需要，而基于BIM的三維方量計算方法可有所提高，能更好地滿足工程需要。

2 方量計算原理

2.1 傳統(tǒng)計算方法

DTM法是利用地形數(shù)據(jù)建立不規(guī)則三角形(TIN)[1]，對每一個三角形計算區(qū)域按三棱柱的體積來計算方量，累計指定范圍內的方量得到最終的總方量。其相對于規(guī)則網格有以下優(yōu)點：一是三角網中點和線的分布結構可以完全與地面的形態(tài)特征保持一致；二是它可以不需要改變原始數(shù)據(jù)和精度，可以更好地表示地面特征。從理論上講，該方法適用于任何地形地貌，計算精度最高；不足之處是模型復雜，需進行大量的野外數(shù)據(jù)采集，存儲空間占用大。

方格網法是根據(jù)設計高程和實測地面點坐標將待計算的區(qū)域劃分成若干個方格，每個方格按照長方體的體積計算方量，最后累計指定范圍內的方量得到最終的總方量。方格網法適用于大面積土方量的計算，尤其是地形起伏較小、坡度變化較緩的區(qū)域。它簡明直觀、通用性強，可以生成挖填線。但是由于方格網法是取方格四角上的高程來計算方格網的體積，因此對于變化較大的地形來說計算精度會降低。理論上，方格網法采用的方格密度越大，方量計算就越接近實際值，精度就會越高，但對應工作量會明顯增加而不利于工作效率的提高。

斷面法是沿著縱斷面方向每隔一段距離在其垂直方向測量一個斷面，兩斷面間的方量等于兩斷面的平均截面積與斷面間距離的乘積，累加各段體積即為總體積。斷面法方量計算適合用于線性工程，特別復雜區(qū)域可選任意斷面法。斷面法外業(yè)需要進行大量斷面測量工作，同時必須對各斷面參數(shù)的設置比較清楚。鑒于斷面法在計算方量時受到諸多條件限制，其計算精度與可靠性難以評估，在兩斷面間不規(guī)則變化較大時，誤差較大。

等高線法可以用于計算任意兩條等高線之間的方量，其計算體積可近似看作截椎體。實際工程很少用到等高線法，一般都是用于估算，參與計算的等高線要求是閉合的，但在實際工作中需要計算方量的區(qū)域中等高線閉合的較少，所以等高線法實用性不強，只用于獨立山頭較為理想。

2.2 基于BIM的三維方量計算方法

MicroStation V8i (SELECTseries 3) 是美國Bentley公司開發(fā)的一款三維設計軟件，在各建筑設計領域得到了廣泛應用[2]。利用該軟件可以輕松建模、記錄及查看實體的尺寸大小等信息，能更加直觀展示設計成果。

在土方量計算方面，借助MicroStation V8i (SELECTseries 3)軟件繪圖功能，利用兩期原始地形數(shù)據(jù)生成格網，利用格網拉伸成體，兩體相交進行布爾運算，相交體的體積即為挖填方量。對精度要求高的工程在數(shù)據(jù)上可以脫離傳統(tǒng)方法，引入點云數(shù)據(jù)和航測模型等。

3 工程案例分析

3.1 項目介紹

貴州省興仁縣尖山水庫工程位于貴州省黔西南布依族苗族自治州興仁縣潘家莊境內，水庫總庫容1 496×104m3。水庫為多年調節(jié)水庫， 大壩高53.9 m。項目總投資4.78億元。根據(jù)貴州省興仁縣尖山水庫工程施工要求，要對棄渣場棄渣方量進行計算，收集原始地形數(shù)據(jù)，棄渣后地形數(shù)據(jù)現(xiàn)場用RTK采集，采集范圍為棄渣邊界外5 m。為了計算結果可靠，方量計算分別采用南方Cass 7.1軟件DTM法和基于BIM的三維方量計算方法(MicroStation V8i (SELECTseries 3))計算，并作分析比較。

3.2 傳統(tǒng)方量計算方法過程及結果

南方Cass 7.1 軟件DTM法計算步驟如下：

1) 打開Cass 7.1 軟件，導入原始地形數(shù)據(jù)。

2) 根據(jù)范圍線生成三角網，并導出原始地形的三角網文件。

3) 導入堆渣后地形數(shù)據(jù)。

4) 根據(jù)范圍線生成三角網，并導出堆渣后地形的三角網文件。

5) 利用Cass7.1軟件中“工程應用→DTM法土方計算→計算兩期間土方” 計算出堆渣方量為235 029.0 m3，見圖1。

圖1 DTM法計算結果

3.3 基于BIM的方量計算過程及結果

MicroStation V8i (SELECTseries 3) 軟件計算步驟如下：

1) 導入原始地形數(shù)據(jù)。

2) 由原始數(shù)據(jù)生成格網。

3) 由格網拉伸成體，即為原始地形生成的體模型，見圖2。

圖2 原始地形生成的體模型

4) 導入堆渣后地形數(shù)據(jù)。

5) 由堆渣后地形數(shù)據(jù)生成格網。

6) 由格網拉伸成體，即為堆渣后地形生成的體模型，見圖3。

圖3 堆渣后地形生成的體模型

7) 兩體模型相交，見圖4。

圖4 兩體相交模型

8) 兩體進行布爾運算，相交部分即為堆渣方量，測量體積為235 001.396 4 m3，堆渣體模型及計算結果見圖5。

圖5 堆渣體模型及計算結果

3.4 兩種計算方法結果對比

由上節(jié)Cass7.1計算得到的堆渣方量是235 029.0 m3，由MicroStation V8i (SELECTseries 3) 計算得到的堆渣方量是235 001.396 4 m3，兩種軟件計算的方量相差27.603 6 m3，差值是總方量的1/10 000。在這兩種計算方法中，南方Cass計算法是傳統(tǒng)的計算方法，MicroStation V8i (SELECTseries 3)計算方法是在計算方量的范圍線內，用原始地形面和堆渣后地形面分別沿鉛錘線正反方向拉伸成體，其相交部分即為堆渣方量，相對用南方Cass計算方量直觀又嚴密，所以選取MicroStation V8i (SELECTseries 3)計算的堆渣方量為本次計算成果，即渣場堆渣方量為235 001.396 4 m3。

4 結 論

對于水利水電工程的方量計算，用傳統(tǒng)方法計算時，DTM法相比其他方法精度高，適合復雜區(qū)域的土方計算，但是傳統(tǒng)方法均為二維成果，不容易發(fā)現(xiàn)粗差，不能更好的展示。基于BIM的方量計算法，對精度要求高的工程在數(shù)據(jù)上可引入點云數(shù)據(jù)、航測模型等數(shù)據(jù)，更加直觀，相比傳統(tǒng)方法便于發(fā)現(xiàn)粗差，從原始數(shù)據(jù)生成模型就可直接得到實體體積，減少精度損失。在BIM設計的發(fā)展趨勢下，傳統(tǒng)的方量計算方法在精度等方面不能滿足發(fā)展需要，而基于BIM的三維方量計算方法可有所提高，能更好地滿足工程需要。作為BIM設計軟件之一的MicroStation V8i 軟件具備強大的三維設計功能，在各建筑設計領域得到了廣泛應用，該軟件輕松建模、記錄及查看實體的尺寸大小等信息，能更加直觀展示設計成果，給設計人員帶來極大的便利，未來用MicroStation V8i 軟件在水利水電工程中計算方量及BIM設計展示方面還有廣闊的推廣應用空間。