基于BIM技術的公路工程精細化土方量計算方法研究

王東亮,汪 軍,蘇俊龍,康雨嘉,范林紅

(四川省公路規(guī)劃勘察設計研究院有限公司 成都市 610041)

0 引言

土方量對公路工程設計方案比選、預算控制,以及建設過程中的進度控制、成本控制、結算支付等都有著較大影響。公路工程一般呈狹長帶狀,涉及范圍廣,丘陵山區(qū)地形起伏較大,精準、快速計算其土方量難度較大[1-3]。

公路工程土方量計算主要取決于兩個方面,首先是獲取地形數據的精度,然后是精確的計算方法。獲取地形數據方面,傳統的測量方式一般精度偏低,耗費大量的人力物力和時間。測量工作受現場條件限制較多,部分依賴人工操作,對于高山、峽谷、陡坎、深溝等地形起伏較大、植被覆蓋層較厚的區(qū)域往往無法保證地形數據的精度。此外,當測繪數據來源不唯一時,傳統手段很難快速對大量不同數據源的地形數據相互校核,造成數據浪費,降低數據的可靠度。針對經緯度跨度較大的公路工程,其平面坐標系到球面坐標系的轉換也影響土方量的計算精度[4]。土方量的計算方法方面,公路工程中傳統的計算方法有平均斷面法、梯形斷面法、方格網法等。這些傳統方法均通過對填挖方體和地形數據的簡化來粗略估計兩斷面或方格內的填挖方體,由于實際填挖方體為不規(guī)則三維體,其計算精度很難控制,尤其是地形變化較大、路線跨度較長的項目。傳統公路設計采用二維設計表達三維的線性工程,也是影響土方量計算精度的因素[5-6]。

BIM技術在公路工程設計中相對于傳統的設計手段具有精度高、可視化、智能化、高效化等巨大優(yōu)勢。針對公路工程土方量計算中存在的問題,文章從地形數據獲取和土方量計算方法兩個方面進行研究,提出了基于BIM技術的公路工程精細化土方量計算方法。

1 地形數據獲取

1.1 多源高精度地形數據獲取

高精度的地形數據是土方量計算的前提。針對公路工程一般呈帶狀的特點,載人飛機或無人機攜帶高精度相機、GPS定位系統、LiDAR、激光雷達等數據采集設備進行航飛作業(yè),輔以便攜式設備,如手持GPS設備、經緯儀等,其測繪地形數據成果為等高線、高程點、點云數據、實景模型等,多種測繪方式對比如表1所示。

表1 多種測繪方式對比

各種測繪方式各有利弊,測量時根據當地氣候狀況、技術條件、工期要求、精度要求等選擇一種或多種技術進行組合,保證測繪成果的質量。

1.2 多源地形數據融合

單一數據來源的地形數據存在一定問題。首先,單一數據來源中的測量誤差和系統誤差很難被發(fā)現,容易累積。其次,缺少其他來源的數據驗證,可靠度不夠高。另外,對于公路工程而言,設計方案的調整,如路線方案、互通方案或取棄土場調整等,都可能出現設計范圍超出原有地形數據范圍的情況。這種情況需要對超出的小范圍地形進行補測。當原地形數據采用航測等適合大范圍一次測量的方式時,由于該方式不利于小范圍地形的補測,一般采用其他適合小范圍測繪的方式。重大公路項目一般周期較長,初步設計階段測地形數據可能部分已經改變,或精度達不到要求。到了施工圖階段,需要對重點區(qū)域、重點工點地形數據進行復測,如隧道洞口、路基斷面、橋、取棄土場等,以滿足數據精度的要求。多次測繪、多方式測繪必然涉及到多批、多源數據的融合問題[7-8]。

多源地形數據的融合,需要充分考慮多種、多批地形數據的精度、數據格式和特點,以高程控制點為主要依據,通過可視化、設置誤差值等方式,剔除高程突變等位置的地形數據,最后通過數值擬合的方式將多源數據進行重新融合。多數據來源的地形數據可相互驗證、相互校核,進一步提高地形數據的可靠度[9-10],多源地形數據融合流程如圖1所示。

圖1 多源地形數據融合流程圖

2 設計模型準備

基于高精度的地形數據,計算土方量還需要專業(yè)的設計模型。設計模型需要一款能夠建立高精度三維公路設計模型、支持公路工程專業(yè)設計需求,同時能高效處理多源類型數據的軟件工具。通過深入對比各個公路BIM軟件,文章以Bentley的Open Roads Designer軟件為例。

2.1 專業(yè)模板定制

專業(yè)的公路通用模板是建立高精度的公路工程設計模型的前提。利用Open Roads Designer軟件,通過創(chuàng)建組件、末端條件、點約束、參數約束等功能,創(chuàng)建項目通用模板。

根據道路標準橫斷面、路面設計圖,創(chuàng)建主線、匝道、改路等不同路面的標準模板,適應每個版塊寬度和橫坡的調整。對于匝道鼻端處的路面,路面標準模板庫還支持道路脊線的設置,保證和設計完全一致。根據道路一般設計圖中邊坡坡高、坡率、平臺寬度等尺寸特征,參照擋土墻設計、排水設計的通用圖,結合橫斷面設計圖中邊坡設計、擋土墻等構件的具體尺寸,建立邊坡、排水、擋墻的標準模板庫。最后對模板進行測試,以保證適應當前項目的所有橫斷面設計需求。對于一些構造特殊的復雜構件,通過二次開發(fā)的模板創(chuàng)建工具,實現更加復雜的模板定制。最終,經過多條高速公路施工圖項目的檢驗,積累形成了精度高、使用方便、適用范圍廣的模板庫。

2.2 精細化的設計模型

傳統二維設計僅能表達構造物的平面信息或立面信息,對于復雜三維的線性道路工程,很多細節(jié)無法表達。利用Open Roads Designer軟件模板,建立結構物模型,可真實反映工程建成的精確信息,實現“所見即所得”。

(1)通過二次開發(fā)工具輔助建模,如圖2所示,導入或創(chuàng)建路基、橋梁、隧道的分段信息,以及路線、超高、加寬等信息。根據設計文件中的詳細信息,引用相應段落的路面模板,并添加超高、寬度信息的參數約束,快速生成路線和路面等三維模型,速度快,效率高,減少了繁瑣的手動操作并保證了精度。

圖2 二次開發(fā)輔助建模工具箱

(2)建立精細的路基邊坡模型。創(chuàng)建擋土墻等支擋防護組件,可按要求進行任意組合,邊坡坡高、坡率、級數可按設計意圖進行調整,擋墻等構造物可在三維可視化的界面中交互式放置,直觀快捷。通過調整廊道放置的間距等參數來調整模型的設計精度。

(3)創(chuàng)建精細的細部構造。橋臺錐坡、橋下清方、場坪、取棄土場等構造物利用緯地等傳統二維設計軟件很難精細化的表達。復雜邊坡、匝道邊坡相交、上穿下跨邊緣等位置,只能留給現場靈活處理,對應的土方量只能大概預估。設計中出于項目預算的考慮,設計人員都會對這些土方量進行一定的放大,導致設計土方量與實際相差更大。相對傳統設計,利用BIM技術進行可視化、精細化設計,既保證設計圖紙的質量,又保證了土方量的準確性。

3 三維土方體積計算方法

3.1 新建項目土方量計算

(1)體積計算方法更加精確。BIM技術采用三維精確的地形配合詳細的結構物模型進行布爾運算,得到真三維的填挖方體,通過橫斷面查看器查詢任意斷面處的填挖方形狀和面積,扣除路面鋪裝層范圍,更加準確。

(2)體積計算方法更加多樣?？伸`活應對場坪到指定高程、地形到指定高程、舊路改造擴建、既有結構物扣除、任意斷面方量計算等土方量計算相關需求。任意體均可設置特征,以計算其與地形之間的填挖方。建立地面原有的道路等地物,也可作為棄方體,選擇重新換填或者忽略。

(3)土方量報告方式滿足定制化需求。基于現有模型,可獲取任意格式的土方量報告。除了傳統的按每個斷面出土方量報告,配合樁號分段來統計計算,還可按填挖方體、左右側等精細化土方量統計。除此之外,對于換填等工點的特殊處置方式,還可自定義邊界來計算填挖方的邊界來統計工程量。

3.2 施工過程中土方量計量

采用BIM技術可進行施工過程中土方量的精確計算,解決土方工程計量支付中的精確性問題。

(1)單次計量。在施工過程中,通過高精度地形數據獲取技術,獲得計量前準確的地形模型,并與原地形模型進行布爾運算,得到已經施工的土方量。

(2)分期計量。對于大型土方工程,需要分次計量支付的情況,通過建立相鄰兩次計量時高精度三維地形模型,進行布爾運算,得出兩次計量間隔內施工的精確土方量,為分期支付提供準確依據。

4 精細化土方量計算實例

以四川山嶺重丘區(qū)某高速公路互通立交設計為例,該項目所在地區(qū)地形起伏較大,且互通路基側設置了場坪,用以消耗隧道棄渣,故其土石方量利用傳統的斷面法很難精確計算。

該項目借助Open Roads Designer軟件建立了融合DEM數據、傾斜攝影數據以及常規(guī)DWG地形圖數據的地形信息模型以及結合施工圖圖紙建立的精細化道路三維模型,通過計算地形模型與設計模型之間的三維體來計算得出設計土方,并對傳統方式計算的土方量與采用BIM技術計算的結果進行對比,對比結果如表2所示。

表2 土方量計算統計結果

通過對比結果可知,傳統的土方量計算方法在地形起伏較大的山嶺重丘區(qū),特別是路基結合填方場坪進行設計時,精度往往無法滿足要求。兩者在單個匝道的土方量統計誤差甚至接近10%,總體土方量誤差約5%。因此,采用BIM技術進行精細化土方量計算具有較大優(yōu)勢。

5 結語

針對公路工程傳統土方量計算的地形精度不高、計算方法粗放、計算精度低等諸多問題,提出了基于BIM技術的土石方量精確計算方法。

(1)通過多種地形數據采集方式進行原始數據采集,并對多源地形信息進行融合處理,不同來源數據相互驗證,剔除誤差偏大的數據,保證地形數據的精度,為土方的精確計算做好基礎。

(2)在精確地形的基礎上,通過二次開發(fā)工具,根據設計意圖或設計數據,快速建立精細化的路面、邊坡和細部構造模型。

(3)通過Open Roads Designer軟件計算設計模型與地形之間的填挖方體,并對填挖方體積進行統計,得出精確的土方量數據。

通過工程案例,驗證了本計算方法相比傳統計算方法優(yōu)勢。該計算方法對于公路工程設計土方量預估和施工過程中的土方量進度控制均具有一定的參考價值。