總圖設(shè)計(jì)中土方量計(jì)算的研究與比較

范康燕

中輕國(guó)際工程有限公司 北京 100026

在工程項(xiàng)目的建設(shè)中，土方量計(jì)算是重要且相對(duì)復(fù)雜的環(huán)節(jié)。很多的因素都會(huì)影響土方計(jì)算，包括選擇的測(cè)量精度、計(jì)算方法等。土方計(jì)算中截面法、網(wǎng)格法以及DTM方法比較常見(jiàn)。不同的計(jì)算方法在原理上有所不同，所適用的工程范圍也不同。接下來(lái)，本文將對(duì)常用土方計(jì)算方法以及軟件進(jìn)行分析。

1 總圖設(shè)計(jì)中土方量計(jì)算的主要方法

1.1 網(wǎng)格法

1.1.1 功能和范圍

方格方法的操作非常簡(jiǎn)單，計(jì)算結(jié)果易于理解，甚至初學(xué)者也可以很好地使用它。使用網(wǎng)格法計(jì)算土方量過(guò)程中，每個(gè)網(wǎng)格的土方量都可以準(zhǔn)確地進(jìn)行計(jì)算?？梢酝ㄟ^(guò)疊加每個(gè)網(wǎng)格的土方來(lái)計(jì)算總土方。因此，網(wǎng)格方法適用于相對(duì)平坦的地形。

1.1.2 計(jì)算的基本原理

網(wǎng)格法計(jì)算首先獲取每個(gè)角的網(wǎng)格高度，將這些高度值相加，然后從標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格邊長(zhǎng)獲取網(wǎng)格區(qū)域的總面積，進(jìn)而通過(guò)簡(jiǎn)單的體積計(jì)算最終計(jì)算出土方量。

1）計(jì)算施工標(biāo)高。地形的實(shí)際標(biāo)高與施工標(biāo)高之間的差值。

2）計(jì)算零位。如果網(wǎng)格中具有挖方與填方，則必須首先計(jì)算網(wǎng)格邊緣的零點(diǎn)的具體位置，并將其標(biāo)記在網(wǎng)格上。這是填方區(qū)域與填方區(qū)域之間的邊界。

1.1.3 計(jì)算的主要步驟

1）導(dǎo)出高程圖數(shù)據(jù)。利用網(wǎng)格法計(jì)算土方時(shí)，首先要進(jìn)行采點(diǎn)操作，使用鼠標(biāo)進(jìn)行“工程應(yīng)用->選擇指定點(diǎn)以生成數(shù)據(jù)文件”操作時(shí)，軟件將自發(fā)地彈出一個(gè)界面并請(qǐng)求坐標(biāo)數(shù)據(jù)。如果將文件另存為dat格式，則指定的點(diǎn)將顯示在左下角。

用鼠標(biāo)左鍵單擊高程點(diǎn)以查看特征代碼。該代碼代表行政代碼。在下一步中，進(jìn)行采點(diǎn)，然后按Enter。當(dāng)按下Enter鍵時(shí)，將顯示高程（0.00m），可以輸入剛剛用鼠標(biāo)得到的高程點(diǎn)數(shù)據(jù)。

2）圖紙?zhí)幚?。使用鼠?biāo)進(jìn)行“繪圖->高程點(diǎn)”操作，以上述導(dǎo)出的數(shù)據(jù)格式加載數(shù)據(jù)文件，然后進(jìn)行高程點(diǎn)距離以及參數(shù)比例的設(shè)置。對(duì)基點(diǎn)使用復(fù)制原始圖像，然后關(guān)閉使用多段線。

3）土方計(jì)算。繪制后，進(jìn)行“工程應(yīng)用程序->網(wǎng)格法土方計(jì)算->選擇計(jì)算區(qū)域邊界線”的操作。在高程點(diǎn)坐標(biāo)文件中，選用“施工前數(shù)據(jù)”這一文件。目標(biāo)標(biāo)高值應(yīng)高于實(shí)際的施工后標(biāo)高。單擊“確定”導(dǎo)出設(shè)計(jì)圖，并獲得總的施工前填方量。然后使用相同的方法導(dǎo)入“后期工作數(shù)據(jù)”文件，計(jì)算出施工后的總填方值，然后減去2得到土方。

1.2 斷面法

1.2.1 計(jì)算的基本原理

土方計(jì)算中，斷面法計(jì)算出最初的地面線與實(shí)際設(shè)計(jì)的地地面線之間圍起來(lái)部分的斷面面積，并使用斷面之間的距離找到圍起來(lái)的幾何圖形的總體體積。通過(guò)匯總統(tǒng)計(jì)各斷面的體積，獲得目標(biāo)區(qū)域中的填方量。

1.2.2 計(jì)算的主要步驟

在進(jìn)行土方計(jì)算時(shí)，使用斷面法必須進(jìn)行剖面線設(shè)置，并在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)一定距離處收集剖面數(shù)據(jù)。通常，布局截面應(yīng)垂直與截面線或線性投影的軸線垂直。

通常，在同一項(xiàng)目中用于計(jì)算土方量的斷面法需要進(jìn)行多公式計(jì)算。土方計(jì)算的剖面法中，計(jì)算的準(zhǔn)確性受到剖面之間的距離、地面的數(shù)據(jù)收集準(zhǔn)確性以及所使用計(jì)算方法的影響。如果可以控制測(cè)量的精度，則為了提高土方計(jì)算的準(zhǔn)確性，有必要通過(guò)縮短截面之間的距離，并利用恰當(dāng)?shù)挠?jì)算方法來(lái)作。基于滿足規(guī)范的要求，在地形變化不顯著的地區(qū)中，可以合理地增加斷面之間的間距。如果地形發(fā)生明顯變化，則應(yīng)適當(dāng)減小斷面之間的間距，以確保計(jì)算的土方量準(zhǔn)確性。

1.3 DTM法

1.3.1 計(jì)算的基本原理

DTM方法用于土方計(jì)算的原理是基于測(cè)得的地面高程點(diǎn)坐標(biāo)和設(shè)計(jì)的高程數(shù)據(jù)，并通過(guò)三角網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建，計(jì)算所有三棱錐的填方量。并計(jì)算每個(gè)三棱錐對(duì)應(yīng)的土方量。通過(guò)疊加土方量來(lái)計(jì)算最終的土方量，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果顯示填挖方之間的邊界。

1.3.2 計(jì)算的主要步驟

DTM方法主要利用高程點(diǎn)數(shù)據(jù)、坐標(biāo)數(shù)據(jù)以及基于原始圖三角網(wǎng)等三種方式的計(jì)算，進(jìn)而完成土方計(jì)算。如果計(jì)算中使用前兩者，則需要重建三角形網(wǎng)格，而第三種方法只需要使用原始圖紙的三角形網(wǎng)格。具體如下：

（1）根據(jù)坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。在復(fù)合線圈上標(biāo)記要處理的土方區(qū)域，然后按照軟件說(shuō)明在圖上確定計(jì)算區(qū)域的邊界所在，導(dǎo)入該區(qū)域?qū)?yīng)的坐標(biāo)文件，在隨后顯示的界面中輸入邊界采樣間隔與平場(chǎng)標(biāo)高，然后按OK。

圖1 利用DTM法計(jì)算土方量

2）根據(jù)圖上的高程點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算時(shí)，需要標(biāo)記復(fù)合線圈要處理的區(qū)域，并用鼠標(biāo)進(jìn)行相應(yīng)操作。

3）計(jì)算圖中的三角網(wǎng)。首先，建立一個(gè)DTM模型，根據(jù)被測(cè)地形的特征進(jìn)行三角網(wǎng)的適當(dāng)刪除，用鼠標(biāo)執(zhí)行最終的DTM方法土方計(jì)算操作，按照軟件說(shuō)明引導(dǎo)輸入平坦區(qū)域的高程，并確保計(jì)算中需要的三角形面積，單擊Enter，計(jì)算結(jié)果將自動(dòng)顯示。

2 飛時(shí)達(dá)、鴻業(yè)與civil3D軟件在土方量計(jì)算上的研究

2.1 土方計(jì)算中飛時(shí)達(dá)軟件FastTFT

2.1.1 計(jì)算原理

土方計(jì)算中，飛時(shí)達(dá)軟件FastTFT是在AutoCAD平臺(tái)上設(shè)計(jì)出來(lái)的土方計(jì)算的專業(yè)軟件。它根據(jù)原始地形圖對(duì)應(yīng)的等高線、高程點(diǎn)進(jìn)行原始高程的自動(dòng)收集，原始地形的處理中，根據(jù)軟件的操作步驟，將原始地形數(shù)據(jù)輸入。還可以根據(jù)站點(diǎn)要求自動(dòng)優(yōu)化和計(jì)算站點(diǎn)設(shè)計(jì)的立面圖，并對(duì)其進(jìn)行參數(shù)化，以確定站點(diǎn)設(shè)計(jì)中的立面圖。

2.1.2 軟件計(jì)算的范圍與優(yōu)勢(shì)

FastTFT軟件在土方計(jì)算中，范圍主要是工廠總圖站點(diǎn)以及居住區(qū)規(guī)劃的土方計(jì)算，同時(shí)也用于機(jī)場(chǎng)站點(diǎn)、城市道路設(shè)計(jì)、農(nóng)業(yè)工程中的農(nóng)業(yè)用地和土地規(guī)劃、園林景觀設(shè)計(jì)、灌溉設(shè)計(jì)中河堤和大壩等的土方量計(jì)算。FastTFT會(huì)根據(jù)將運(yùn)輸距離乘以最小的運(yùn)輸量與土方建設(shè)成本的原理，自動(dòng)確定土方分配計(jì)劃并自動(dòng)生成3D模型。它根據(jù)實(shí)際工地的需求以及不同復(fù)雜的地形條件，提供了計(jì)算土方的針對(duì)性方法?？梢詧?zhí)行分區(qū)域的土方開(kāi)挖和填方的結(jié)果優(yōu)化，以解決現(xiàn)場(chǎng)土方平衡的要求。

2.2 土方計(jì)算中鴻業(yè)市政道路軟件的應(yīng)用

2.2.1 計(jì)算的主要原理

為了在更大范圍內(nèi)計(jì)算土方，鴻業(yè)市政道路軟件在計(jì)算填挖方量時(shí)，精度較高，工作量更少，計(jì)算更簡(jiǎn)單。基本原理是在需要在計(jì)算的范圍內(nèi)以規(guī)則的間隔繪制網(wǎng)格，使用設(shè)計(jì)的高程平面作為計(jì)算土方量的底部，并根據(jù)上述高程點(diǎn)計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格頂點(diǎn)的高程，分別計(jì)算每個(gè)方形的具體土方量，并將所有土方量相加獲得總的土方量，土木工程計(jì)算的場(chǎng)地平整是通常遇到的問(wèn)題。

2.2.2 計(jì)算的范圍與優(yōu)勢(shì)

對(duì)于工程建設(shè)，尤其是大規(guī)模的地面平整土方工程，有必要計(jì)算填土量和開(kāi)挖量。紅葉城市道路軟件土方計(jì)算模塊可以較好地解決土方平衡填方和基坑體積計(jì)算問(wèn)題。較舊的土方平衡設(shè)計(jì)經(jīng)常使用其他方法和軟件進(jìn)行計(jì)算，工作量大，效率低并且具有不理想的設(shè)計(jì)效果。經(jīng)過(guò)對(duì)紅葉城市道路軟件的進(jìn)一步研究和開(kāi)發(fā)，主要用于城市道路設(shè)計(jì)。除了強(qiáng)大的功能外，它還可以解決其他工程設(shè)計(jì)問(wèn)題，例如土方平衡路堤體積計(jì)算和開(kāi)挖。

使用紅葉城市道路軟件來(lái)執(zhí)行土木工程平衡計(jì)算，無(wú)需使用大量的海拔梯度，復(fù)雜的插值以及其他調(diào)整其他繁重任務(wù)的方法。該方法適用性強(qiáng)，土方計(jì)算的準(zhǔn)確性和效率高。對(duì)于土方平衡工程設(shè)計(jì)，建議使用它來(lái)計(jì)算現(xiàn)有高程點(diǎn)的土方量。

2.3 Civil3D中的土方計(jì)算中的應(yīng)用

2.3.1 計(jì)算的適用與原理

Civil3D是Autodesk為土木工程行業(yè)提供的功能強(qiáng)大的的處理軟件。近年來(lái)，越來(lái)越多的開(kāi)發(fā)商將重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到丘陵與山區(qū)的開(kāi)發(fā)上。這些區(qū)域的開(kāi)發(fā)需要特別注意地質(zhì)環(huán)境、地形與工程技術(shù)等。對(duì)于設(shè)計(jì)師而言，傳統(tǒng)的信息收集技術(shù)和2D方法不能滿足總體控制以及項(xiàng)目進(jìn)度的需求，尤特別是計(jì)算土方量、擋土墻以及道路設(shè)計(jì)的總圖設(shè)計(jì)中。

Civil3D在場(chǎng)地臺(tái)階與道路之間實(shí)現(xiàn)不同的協(xié)調(diào)關(guān)系，減少了人工方案選取和工程量統(tǒng)計(jì)的總體工作量，因此可以同時(shí)輸出工程量表。調(diào)整道路的高程也會(huì)動(dòng)態(tài)更新垂直剖面圖。設(shè)置截面裝配后，可以將其直接轉(zhuǎn)換為完整的道路施工圖。

2.3.2 軟件計(jì)算的優(yōu)劣勢(shì)

在土方計(jì)算中，Civil3D有其自身的優(yōu)勢(shì)，特別是在引入曲面概念時(shí)，工程設(shè)計(jì)人員可以快速并動(dòng)態(tài)地對(duì)土方的演變過(guò)程進(jìn)行了解，始終掌握主要的環(huán)節(jié)并實(shí)現(xiàn)優(yōu)化和調(diào)整。可以將邊坡與工廠區(qū)域的土方工程結(jié)合起來(lái)，以進(jìn)行總體平衡優(yōu)化。Civil3D在計(jì)算精度上，使用了更復(fù)雜的計(jì)算模型，因此與實(shí)際情況更加吻合，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)顯示3D界面，這也對(duì)計(jì)算機(jī)設(shè)備的性能提出了很高的要求，這也是很多普通用戶不選用該軟件的原因。

3 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前，許多計(jì)算機(jī)軟件都具有土方計(jì)算的基本功能。尤其重要的是，如何在總圖設(shè)計(jì)中快速且合理地使用計(jì)算機(jī)軟件，以根據(jù)實(shí)際需求，利用適當(dāng)?shù)挠?jì)算方法，準(zhǔn)確地滿足并完成土方量計(jì)算。為了解決這一問(wèn)題，在某些實(shí)際項(xiàng)目中，可能需要確定較復(fù)雜的條件與參數(shù)，針對(duì)這些方法與軟件的原理與優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行合理選擇。