西北復(fù)雜丘陵地形環(huán)境條件下的高速鐵路路基土方算量工藝研究

黃 河 付庭茂 張 亮 鄭燁晨

1.中國(guó)中鐵七局集團(tuán)有限公司第三工程有限公司 陜西 西安 710043；2.中國(guó)鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司蘭州工程建設(shè)指揮部 甘肅 蘭州 730050

高速鐵路路基土方算量具有作業(yè)區(qū)域大、數(shù)據(jù)采集難、精度要求高、工期要求緊等特點(diǎn)。傳統(tǒng)方式采用人工實(shí)測(cè)，用全站儀或RTK GPS接收機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，回到內(nèi)業(yè)，再用CAD軟件繪制斷面圖，根據(jù)斷面法復(fù)核土方填挖方量。施工過(guò)程中，還需大量人工作業(yè)。上述這些工作，勞動(dòng)強(qiáng)度大，人力成本高，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，管理粗放。針對(duì)這些問(wèn)題，為了提高精度和效率，工程師利用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)和BIM技術(shù)對(duì)路基土方施工進(jìn)行了積極的探索和改進(jìn)。

路基土方量計(jì)算是線路設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中最主要的內(nèi)容之一，對(duì)計(jì)算效率和準(zhǔn)確性有著比較高的要求。傳統(tǒng)路基土方計(jì)算采用平均斷面法[1-2]，即相鄰路基斷面面積平均值乘以相鄰路基間距，將計(jì)算精度問(wèn)題轉(zhuǎn)換為橫斷面面積的求解問(wèn)題。隨著數(shù)字地面模型技術(shù)的不斷成熟，任何復(fù)雜的地面均可以用三角網(wǎng)表示，從而實(shí)現(xiàn)了路基土方量的三維積分計(jì)算[3]。

近年來(lái)，基于數(shù)字地形模型（digital terrain model，DTM）[4-5]和數(shù)字高程模型（digital elevation model，DEM）[6-7]的方法被廣泛應(yīng)用于土方測(cè)量。馮曉剛等[8]介紹了三維激光掃描在土石方計(jì)算方面的應(yīng)用，實(shí)例驗(yàn)證表明了其能大大地提高計(jì)算精度。汪永紅[9]利用固定翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)建立了甘肅省定西市臨洮縣開(kāi)發(fā)整理項(xiàng)目區(qū)影像數(shù)據(jù)，并且對(duì)其航飛質(zhì)量、影像質(zhì)量、生成的模型精度進(jìn)行了評(píng)價(jià)。王鵬飛[10]對(duì)高速鐵路施工過(guò)程中的技術(shù)重點(diǎn)和難點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)探討。管建軍等[11]利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查，生成了災(zāi)害區(qū)的實(shí)景三維模型、數(shù)字正射影像和數(shù)字高程模型，還提取了地層信息，計(jì)算了泥石流流域面積。李濤等[12-13]利用“天狼星”無(wú)人機(jī)獲取影像匹配點(diǎn)云，制作了高精度數(shù)字高程模型，可以應(yīng)用于道路測(cè)設(shè)土方量計(jì)算、任意斷面設(shè)計(jì)。強(qiáng)輝強(qiáng)[14]討論了基于DTM土方量計(jì)算方法的優(yōu)化分析和應(yīng)用，得出了利用距離加權(quán)和人工干預(yù)的邊界插值方法，可以提高計(jì)算精度。

本文依托甘肅省蘭州市皋蘭縣中蘭（中衛(wèi)—蘭州）高速鐵路客運(yùn)專(zhuān)線蘭州新區(qū)聯(lián)絡(luò)線項(xiàng)目，該項(xiàng)目區(qū)域?yàn)閺?fù)雜丘陵帶狀地形，里程為204＋173.00～213＋966.98。實(shí)際航測(cè)面積約為4.5 km2，采用傾斜攝影技術(shù)對(duì)此區(qū)域進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)合此區(qū)域高速鐵路設(shè)計(jì)BIM模型，提出了一種路基土方算量工藝及方法，用于指導(dǎo)路基土方工程的施工。

1 基于BIM和GIS的路基土方算量工藝方法

1.1 數(shù)字地表模型（DSM）的建立

1.1.1 數(shù)據(jù)獲取

航攝儀采用垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)，無(wú)人機(jī)搭載5鏡頭傾斜相機(jī)，按規(guī)劃航線從5個(gè)不同的視角（1個(gè)垂直方向和4個(gè)傾斜方向）同步自動(dòng)采集地表影像數(shù)據(jù)。根據(jù)劃定的目標(biāo)區(qū)域新建1個(gè)任務(wù)，設(shè)置航高、航向、旁向重疊率、最大飛行速度等參數(shù)。為了保證建模精度，航線設(shè)計(jì)采取80%的旁向重疊度，70%的航向重疊度。

1.1.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理選用ContextCapture軟件進(jìn)行全自動(dòng)化的處理，通過(guò)給予的控制點(diǎn)，生成測(cè)量坐標(biāo)系統(tǒng)下真實(shí)坐標(biāo)的三維模型。軟件操作流程為：數(shù)據(jù)導(dǎo)入→空三計(jì)算→三維重建（圖1）。由于數(shù)據(jù)量較大，為了節(jié)省時(shí)間，加快數(shù)據(jù)處理效率，本次處理采用集群并行計(jì)算模式。

1.1.3 成果輸出

根據(jù)BIM建模軟件OpenRoads導(dǎo)入格式需求，將生產(chǎn)出的成果導(dǎo)出為3MX格式。3MX數(shù)據(jù)格式是BentleyMicrostation軟件平臺(tái)的原生數(shù)據(jù)格式，無(wú)縫支持Microstation平臺(tái)上所有軟件，支持海量數(shù)據(jù)運(yùn)算，承載能力強(qiáng)（圖2）。

圖1 數(shù)據(jù)處理詳細(xì)流程

圖2 數(shù)據(jù)處理成果

1.2 BIM模型的建立

中蘭高速鐵路客運(yùn)專(zhuān)線項(xiàng)目土方算量模型建立主要采用Bentley系列軟件OpenRoads。這是一款面向道路、鐵路、橋隧、場(chǎng)地、雨水管道等基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)的專(zhuān)業(yè)軟件，也是土木行業(yè)的BIM平臺(tái)（內(nèi)嵌MicroStation，可集成其他專(zhuān)業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的模型），可為土木工程和交通運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目的整個(gè)生命周期提供支持?；贒SM模型，BIM軟件通過(guò)道路中心線、路面邊緣或溝渠等要素，建立適應(yīng)于DSM模型的路基BIM模型（流程為地形提取→路線繪制→模板編輯→生成路基模型）。這些要素也可以是分布不均勻的點(diǎn)或斷裂線（表示在線性段中彼此連接的要素）的隨機(jī)要素，如山脊、路面邊緣以及路緣中的要素，還可以是表示建筑、湖泊等對(duì)象的內(nèi)部空隙或孔洞。

1.2.1 地形提取

由于OpenRoads建模對(duì)地形模型的格式要求較高，故需要利用Bentley系列CNCC軟件，從實(shí)景模型上提取dgn格式（Bentley通用格式）的地形模型。

1.2.2 路線繪制

根據(jù)線性工程的特性，需要繪制出這段工程的路線中心線，故先根據(jù)曲線元素表繪制路線平曲線，然后根據(jù)路線縱斷面圖繪制縱斷線，完成整段路線的繪制。

1.2.3 模板編輯

由于本項(xiàng)目地形復(fù)雜，起伏變化較大，挖填方斷面、不同等級(jí)邊坡交替，故需要根據(jù)不同里程的路基橫斷面，創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的橫斷面模板。

1.2.4 生成路基模型

將地形模型文件、路線文件參考進(jìn)路基文件中，激活地形，并根據(jù)不同里程斷面創(chuàng)建精度為1 m間隔的路基模型，生成的BIM路基模型、填方挖方路基模型大樣分別如圖3、圖4所示。

圖3 BIM路基模型

圖4 填方挖方路基模型大樣

1.3 路基土方算量工藝及方法

將GIS地形模型導(dǎo)入到線路BIM模型中，進(jìn)行模型合并，確定橫斷面里程并導(dǎo)出橫斷面，就可以一鍵式進(jìn)行挖方和填方統(tǒng)計(jì)，最終獲得路基施工的土方量（圖5）。

圖5 土方量計(jì)算流程

1.3.1 導(dǎo)出橫斷面

基于BIM模型，利用OpenRoads的導(dǎo)出斷面功能，輸入里程，導(dǎo)出對(duì)應(yīng)斷面，可以根據(jù)要求導(dǎo)出指定里程的斷面（圖6），或按設(shè)置批量導(dǎo)出5、10、20 m樁斷面等。

圖6 典型BIM路基斷面

1.3.2 計(jì)算土方量

基于以上工藝和方法，提出基于BIM＋GIS理念的一種土方量計(jì)算方法。該方法融合創(chuàng)建DTM＋BIM模型，即DEM（digital engineer model）模型，利用Openroads的組件工程量功能，一鍵式提取對(duì)應(yīng)里程段填、挖方工程量。本課題中計(jì)算路基BIM土方算量采用1 m間隔，將本方法命名為BIM法。當(dāng)給BIM軟件輸入路基設(shè)計(jì)參數(shù)后，可自動(dòng)獲取路基方量生成值，此路段實(shí)際工程中的土方量為79 707.37 m3。

2 基于傾斜攝影技術(shù)的BIM路基斷面方量對(duì)比

選取整個(gè)線路中的里程209＋920—210＋100路段，共計(jì)180 m路基作為試驗(yàn)段（圖7），對(duì)測(cè)得的路基挖方面積與實(shí)測(cè)進(jìn)行對(duì)比分析。

圖7 路基設(shè)計(jì)橫斷面示意

2.1 斷面面積對(duì)比

由BIM與設(shè)計(jì)的差值對(duì)比（表1）可知：最大差值比率為－6.56%，這是因?yàn)樵摾锍虜嗝婷娣e小，基數(shù)太小，差值約為1.1 m2，幾乎可以忽略，但相對(duì)于基數(shù)占比大。差值比大部分小于1%，說(shuō)明BIM和設(shè)計(jì)對(duì)比，兩者數(shù)據(jù)基本相符。造成誤差的原因可能是兩者實(shí)施的時(shí)間不一樣，植被覆蓋有差異。

由BIM與實(shí)測(cè)的差值對(duì)比（表1）可知：里程210＋011、210＋038、210＋080、210＋100這4處差值比率大于10%，其中里程210＋011差值比達(dá)57.72%，對(duì)比實(shí)景三維地圖和現(xiàn)場(chǎng)勘察（圖8），該橫斷面恰在山脊上，推測(cè)可能是在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)時(shí)，實(shí)測(cè)人員目測(cè)判斷橫斷面方向有誤，導(dǎo)致實(shí)測(cè)不在理論的橫斷面上，使得差值較大，出現(xiàn)錯(cuò)誤。而其余差值比率則在10%以內(nèi)，推測(cè)出現(xiàn)此誤差的原因可能是實(shí)測(cè)時(shí)采集的高程點(diǎn)不夠密集，導(dǎo)致后期繪制斷面時(shí)，只能大致按地形高低差變化以直線形式繪制，忽略了原始地形的弧度，從而無(wú)法精確地反映原始地形弧形的起伏變化。

圖8 各方法獲取的里程210＋011斷面對(duì)比

表1 各斷面挖方面積對(duì)比

綜上所述，采用BIM加傾斜做出的斷面面積比實(shí)測(cè)更接近于設(shè)計(jì)斷面面積，更能準(zhǔn)確反映出施工過(guò)程中的地形起伏變化，從而算出更為精準(zhǔn)的土方量。

2.2 土方量對(duì)比分析

實(shí)測(cè)和設(shè)計(jì)的土方量都采用斷面法來(lái)計(jì)算，斷面法的計(jì)算公式為：前后2個(gè)相鄰斷面相加除以2，再乘以兩相鄰斷面間的里程差。斷面的多少，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)地面和自然地面復(fù)雜程度及設(shè)計(jì)精度要求確定。在地形變化不大的地段，可少取斷面。相反，在地形變化復(fù)雜、設(shè)計(jì)計(jì)算精度要求較高的地段，要多取斷面。

以本案例中各里程段的土方量為例（表2），BIM法土方量77 904.705 m3，傳統(tǒng)實(shí)測(cè)法土方量74 187.6 m3，設(shè)計(jì)計(jì)算土方量77 836.3 m3。按斷面法原則進(jìn)行對(duì)比，BIM法和設(shè)計(jì)計(jì)算的土方量非常吻合，和實(shí)測(cè)的土方量誤差在5%之內(nèi)。另外，基于BIM軟件可以一鍵提取挖方量，本試驗(yàn)中設(shè)置的默認(rèn)地形精度為1 m，橫斷面間距是1 m，一鍵提取土方量即79 707.4 m3，和實(shí)測(cè)土方量誤差為7.4%。誤差推斷主要來(lái)自覆蓋的植被無(wú)法準(zhǔn)確移除，本次試驗(yàn)航飛時(shí)間在2018年8月份，植被主要是長(zhǎng)20～30 cm的草，工程紅線內(nèi)植被覆蓋率約70%。

2.3 推廣應(yīng)用

將本方法推廣到整個(gè)工程項(xiàng)目的全部里程中，BIM方法得到的土方量和實(shí)測(cè)土方量較為接近（表3）。但由于BIM方法是根據(jù)地形變化，按照1 m一個(gè)斷面算得的，因此不僅具有更高的精度，而且還具有速度快、效率高和自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)。

3 結(jié)語(yǔ)

在西北復(fù)雜丘陵地形條件下，采用傾斜攝影技術(shù)獲取地形，建立路基BIM模型，可利用BIM軟件自動(dòng)生成路基土方計(jì)算量。本項(xiàng)目試驗(yàn)段的對(duì)比研究證明，該方法具有計(jì)算成本低、計(jì)算速度快、效率高、計(jì)算精度更為準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。該項(xiàng)目全線路基采用了傾斜攝影技術(shù)，為項(xiàng)目的實(shí)施做出了明確的時(shí)間規(guī)劃，確保了項(xiàng)目的按時(shí)推進(jìn)和完成。

表2 各里程段挖方量對(duì)比

表3 整個(gè)里程BIM和實(shí)測(cè)土方量對(duì)比