復雜地形公路工程項目土方調(diào)配優(yōu)化研究

翟銳濤

（邯鄲市市政工程管理處，河北 邯鄲 056000）

土方調(diào)配[1]是工程建設(shè)基本組成部分，尤其在道路、堤防、礦區(qū)等需要大面積開挖、填埋和運輸土方的工程建設(shè)中，就顯得尤為重要。土方調(diào)配即土方分配工程，是指在施工過程中為了形成水壩、地下洞室、路基等具有特定物理和空間屬性的建筑物，而對土方進行開挖、填埋、運輸?shù)倪^程。

土方調(diào)配在優(yōu)化過程中應(yīng)滿足工程進度和質(zhì)量安全要求，通過科學合理的方案調(diào)整并安排開挖區(qū)、填方區(qū)、取土場、棄土場的調(diào)配關(guān)系，達到降低工程成本的目的。

BIM（Building Information Modeling）即建筑信息模型[2]，它匯集了整個建設(shè)工程項目的相關(guān)信息，并以三維數(shù)字信息的形式通過建立起真實的數(shù)據(jù)模型進行表達，也是BIM數(shù)字建造技術(shù)在建設(shè)施工中的直接應(yīng)用，大大提高了設(shè)計方和施工方協(xié)同工作的效率。同時，BIM技術(shù)憑借其強大的可視化、模擬性等優(yōu)勢，能夠?qū)κ┕み^程進行提前預演，通過解決模擬過程中出現(xiàn)的問題，顯著提高效率，減少重復施工，降低風險。本文試圖將BIM技術(shù)與GIS技術(shù)相結(jié)合，通過建立土方工程場地三維信息模型對施工過程進行科學合理的優(yōu)化，得到經(jīng)濟高效的土石方調(diào)配方案，降低施工成本。

1 土方調(diào)配步驟

土方調(diào)配工作比較復雜，調(diào)配方案直接影響著公路工程項目的成本。因此，項目施工方應(yīng)當嚴格按照方案步驟進行施工作業(yè)[3]。公路工程項目土方調(diào)配步驟如圖1所示。

圖1 土方調(diào)配流程

1.1 調(diào)配區(qū)域劃分

首先劃分需要調(diào)配的土方區(qū)域，調(diào)配區(qū)域的劃分要注意：①劃分的調(diào)配區(qū)域的與項目的施工平面布置相協(xié)調(diào)，并應(yīng)合理布置前期施工區(qū)域與后期施工區(qū)域；②當土方運輸距離較遠，在盡可能滿足挖填平衡的基礎(chǔ)上可以考慮在項目附近借調(diào)或者廢棄土方，此時借土（棄土）區(qū)作為獨立的調(diào)配區(qū)域設(shè)置；③在計算土方工程量時，應(yīng)根據(jù)不同范圍的調(diào)配區(qū)域使用合適的方格網(wǎng)；④選擇合適的施工機械來滿足不同調(diào)配區(qū)域的實際施工需求，提升施工機械的使用效率[4]。

1.2 計算各調(diào)配區(qū)的運距

各調(diào)配區(qū)的運距可以簡化計算為各調(diào)配區(qū)重心之間的距離，計算公式如下：

式（1）—（4）中：Xw、Yw為調(diào)配區(qū)（挖方）的重心直角坐標；Vw、VT為單一方格區(qū)域的土方量；xw、yw、xT、yT為單一方格區(qū)域的重心坐標；XT、YT為調(diào)配區(qū)（填方）的重心直角坐標。

施工時應(yīng)考慮不同地形地貌，當局部地形地理特征比較復雜時，如何找到各調(diào)配區(qū)域的重心位置就顯得十分困難。在這種情況下，各個調(diào)配區(qū)域的重心位置可以考慮運用作圖法求解[5]。

當求出調(diào)配區(qū)域重心坐標后，填挖土方調(diào)配區(qū)的平均運距（L0）可按下式計算：

1.3 土方調(diào)配最優(yōu)方案的編制

土方調(diào)配方案編制完需要進行方案的優(yōu)化，土方調(diào)配方案的優(yōu)劣直接影響工程項目的成本[4]。土方調(diào)配方案優(yōu)化時，首先根據(jù)施工現(xiàn)場的實際情況對該現(xiàn)場進行整體規(guī)劃，然后建立基于BIM的土方調(diào)配數(shù)學模型，其次可將土方調(diào)配的現(xiàn)場規(guī)劃問題轉(zhuǎn)換為線性規(guī)劃的數(shù)學問題，此時可用大M法、單純形法或計算機軟件等方法對其進行求解計算，最后得到優(yōu)化后的土方調(diào)配方案[6]。

2 土方調(diào)配優(yōu)化

土方調(diào)配優(yōu)化主要進行以下工作：①根據(jù)施工現(xiàn)場的實際情況對該現(xiàn)場進行整體規(guī)劃，并在此基礎(chǔ)上對施工場地進行劃分，并初步確認填方區(qū)、挖方區(qū)等劃分區(qū)域的有關(guān)參數(shù)信息；②利用無人機傾斜攝影技術(shù)拍攝多角度影像并將影像導入BIM軟件中生成三維場地模型，通過對三維數(shù)字模型進行分析計算得到場地內(nèi)挖、填方區(qū)的土方量；③平衡各區(qū)域需調(diào)配的土方量，選定合適的棄、借土區(qū)域；④在土方調(diào)配科學合理的前提下，依據(jù)大系統(tǒng)理論中的分解協(xié)調(diào)方法將施工場地的所有區(qū)域劃分成為一個個單獨的子區(qū)域，并保證各個子區(qū)域間的填挖平衡；⑤考慮資金周轉(zhuǎn)、施工人員情況以及施工機械準備等多方因素，結(jié)合上述數(shù)據(jù)編制經(jīng)濟高效的施工進度計劃和施工工藝流程，杜絕窩工、返工等現(xiàn)象的發(fā)生[7]。施工現(xiàn)場如圖2所示。

圖2 施工現(xiàn)場圖

由于山區(qū)地形崎嶇，溝壑縱橫，高低起伏巨大，常用的計算方法無法滿足要求。因此本工程通過BIM中的三維模型的建造技術(shù)與GIS中無人機傾斜攝影技術(shù)相結(jié)合的方式，將拍攝下來的山區(qū)地形影像通過Agisoft Photoscan生成三維數(shù)字模型，并導入到在Auto Desk Revit中來完成填挖土方量的計算。三維建模流程如圖3所示。

圖3 三維建模流程圖

無人機傾斜攝影技術(shù)作為一項新型技術(shù)在當前國際測繪遙感領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用[8]。在拍攝過程中，正片是指垂直于地表水平面的角度對目標拍攝獲取的影像，一般為1組影像；而斜片是指傳感器與地面的水平線成一定的傾斜角度拍攝獲取的影像，一般為4組影像。之后將拍攝完畢的影像導入到一種名為Agisoft Photoscan的掃描軟件中。Agisoft Photoscan工作流程如圖4所示。

圖4 Agisoft Photoscan工作流程圖

對齊照片：根據(jù)地理信息的不同將拍攝的影像進行歸類劃分。

建立密集云：利用掃描軟件Agisoft Photoscan強大的計算功能來分析點與點之間的關(guān)系。

生成網(wǎng)格：依據(jù)函數(shù)關(guān)系連接各個點，從而建立3D模型。

生成紋理：依據(jù)建立密集云的數(shù)據(jù)，將內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部圖像進行分配以形成初步的3D模型，并且呈現(xiàn)在Agisoft Photoscan。

將Agisoft Photoscan軟件生成的場地地形三維模型導入至Revit軟件中，利用Revit地形和場地模塊建立場地三維模型。土方三維模型如圖5所示。

圖5 土方三維模型圖

然后根據(jù)軟件的計算結(jié)果，將施工區(qū)域合理地劃分為多個子區(qū)域，通過大系統(tǒng)理論中的分解協(xié)調(diào)方法，分別對各個子區(qū)域進行土方調(diào)配并得到所有子系統(tǒng)的最優(yōu)解[9-10]。之后多次重復該步驟，最終得到整個區(qū)域的最優(yōu)解。對整個區(qū)域劃分后的子區(qū)域土方填挖信息如表1所示。

表1 土方量填挖信息

本項目土方施工選用小松PC300型挖掘機、SYM3311ZZX1F工程自卸車。

挖掘機生產(chǎn)效率計算公式為：

式（5）中：Qh為挖掘機的生產(chǎn)率，m3/h；q為挖掘機容量，m3；k為挖掘機利用系數(shù)，取0.95；t為挖掘機一次挖土時間，s。

設(shè)挖掘機臺班生產(chǎn)率為Qd，單位為m3/臺班，其計算公式為：

式（6）中：Kb為完成挖掘所需工作時間的利用系數(shù)，取0.8。

由此可得，PC300型挖掘機一次挖土容量為1.2 m3，因此臺班生產(chǎn)效率為：

PC300型挖掘機挖方單價的計算：PC300型挖掘機臺班價格為3 300元，因此挖方單價為ve=3 300/1 641.6=2.01元/m3。

自卸汽車臺班效率計算公式為：

式（7）中：qc為自卸汽車的車廂容量，m3；K為自卸汽車在裝填過程中將土壓實所需添加的換算系數(shù)，計算公式為K=Kc/Kp，其中Kc為土的充盈系數(shù)，Kp為可松性系數(shù)。

T為自卸汽車每次運土需要的時間，單位為min，其計算公式為：

式（8）中：t1為將土填滿自卸汽車車箱需要的時間，min，計算公式為其中n為將自卸汽車車箱填滿需裝斗數(shù)，n0為每分鐘挖掘斗數(shù)，此處t1值取5；l為車輛在土方調(diào)配過程中需要行駛的距離，m；v為車輛填滿土后行駛的平均速度和空載情況下車輛行駛的平均速度的平均值，m/min；t2為每次自卸汽車將土卸完需要的時間，min，此處取值2；tn為車輛在工作過程中必要操作所需要的時間，min，此處取值2。

本工程使用的自卸汽車的容量為20 m3，故其臺班效率如下：

計算運輸單價：vl=1 860/576=3.22元/m3。

計算出由5號區(qū)調(diào)配至13號區(qū)的土方調(diào)配單價為：C=ve+vl+vt=12.95元/m3。

3 結(jié)論

本文給出了復雜地形下公路工程項目土方調(diào)配方案優(yōu)化方法。首先，在理論上，現(xiàn)代方法更科學、更準確。其次，企業(yè)可以通過基于建立的土方計算模型進行預測來節(jié)省很多人工計算。把計算結(jié)果交給計算機可以節(jié)省時間、精力和方便成本控制。再次，基于建立的模型預測結(jié)果的計劃和控制具有很強的指向性，不僅能夠減輕管理人員的負擔，同時也能夠增強項目管理標準以及提高管理人員專業(yè)水平?？傊?，運用現(xiàn)代方法解決公路工程土方調(diào)配問題具有非常廣闊的應(yīng)用前景。