劉懷林，胡 君，賀立捧，白 翔

(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴陽(yáng) 550002)

1 概 述

在水利水電工程建設(shè)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(kāi)挖、導(dǎo)流洞開(kāi)挖、渠道及各邊坡放坡開(kāi)挖等。由于開(kāi)挖方量較大及環(huán)保要求，對(duì)選擇棄渣場(chǎng)也很重要，棄渣場(chǎng)是否滿(mǎn)足棄渣要求、棄渣場(chǎng)實(shí)際棄渣方量計(jì)算等問(wèn)題與工程投資及結(jié)算直接相關(guān)。如何準(zhǔn)確計(jì)算挖填方量，對(duì)規(guī)劃設(shè)計(jì)、資金分配及工程質(zhì)量控制都具有十分重要的意義。

目前，方量計(jì)算的傳統(tǒng)方法主要有DTM法、方格網(wǎng)法、等高線法、斷面法等。傳統(tǒng)方法在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，從原始數(shù)據(jù)生成網(wǎng)格或等高線到計(jì)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(dāng)計(jì)算數(shù)據(jù)量較大時(shí)可能導(dǎo)致計(jì)算機(jī)死機(jī)。隨著獲取原始數(shù)據(jù)手段不斷提升，儀器設(shè)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(jì)算方法可引入點(diǎn)云數(shù)據(jù)、航測(cè)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(shí)體體積，減少精度損失。在BIM設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)下，傳統(tǒng)的方量計(jì)算方法在精度等方面不能滿(mǎn)足發(fā)展需要，而基于BIM的三維方量計(jì)算方法可有所提高，能更好地滿(mǎn)足工程需要。

2 方量計(jì)算原理

2.1 傳統(tǒng)計(jì)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(duì)每一個(gè)三角形計(jì)算區(qū)域按三棱柱的體積來(lái)計(jì)算方量，累計(jì)指定范圍內(nèi)的方量得到最終的總方量。其相對(duì)于規(guī)則網(wǎng)格有以下優(yōu)點(diǎn)：一是三角網(wǎng)中點(diǎn)和線的分布結(jié)構(gòu)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?cè)紨?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(jì)算精度最高；不足之處是模型復(fù)雜，需進(jìn)行大量的野外數(shù)據(jù)采集，存儲(chǔ)空間占用大。

方格網(wǎng)法是根據(jù)設(shè)計(jì)高程和實(shí)測(cè)地面點(diǎn)坐標(biāo)將待計(jì)算的區(qū)域劃分成若干個(gè)方格，每個(gè)方格按照長(zhǎng)方體的體積計(jì)算方量，最后累計(jì)指定范圍內(nèi)的方量得到最終的總方量。方格網(wǎng)法適用于大面積土方量的計(jì)算，尤其是地形起伏較小、坡度變化較緩的區(qū)域。它簡(jiǎn)明直觀、通用性強(qiáng)，可以生成挖填線。但是由于方格網(wǎng)法是取方格四角上的高程來(lái)計(jì)算方格網(wǎng)的體積，因此對(duì)于變化較大的地形來(lái)說(shuō)計(jì)算精度會(huì)降低。理論上，方格網(wǎng)法采用的方格密度越大，方量計(jì)算就越接近實(shí)際值，精度就會(huì)越高，但對(duì)應(yīng)工作量會(huì)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(cè)量一個(gè)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(jì)算適合用于線性工程，特別復(fù)雜區(qū)域可選任意斷面法。斷面法外業(yè)需要進(jìn)行大量斷面測(cè)量工作，同時(shí)必須對(duì)各斷面參數(shù)的設(shè)置比較清楚。鑒于斷面法在計(jì)算方量時(shí)受到諸多條件限制，其計(jì)算精度與可靠性難以評(píng)估，在兩斷面間不規(guī)則變化較大時(shí)，誤差較大。

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

2.2 基于BIM的三維方量計(jì)算方法

MicroStation V8i (SELECTseries 3) 是美國(guó)Bentley公司開(kāi)發(fā)的一款三維設(shè)計(jì)軟件，在各建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[2]。利用該軟件可以輕松建模、記錄及查看實(shí)體的尺寸大小等信息，能更加直觀展示設(shè)計(jì)成果。

在土方量計(jì)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(wǎng)，利用格網(wǎng)拉伸成體，兩體相交進(jìn)行布爾運(yùn)算，相交體的體積即為挖填方量。對(duì)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(diǎn)云數(shù)據(jù)和航測(cè)模型等。

3 工程案例分析

3.1 項(xiàng)目介紹

貴州省興仁縣尖山水庫(kù)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(nèi)，水庫(kù)總庫(kù)容1 496×104m3。水庫(kù)為多年調(diào)節(jié)水庫(kù)， 大壩高53.9 m。項(xiàng)目總投資4.78億元。根據(jù)貴州省興仁縣尖山水庫(kù)工程施工要求，要對(duì)棄渣場(chǎng)棄渣方量進(jìn)行計(jì)算，收集原始地形數(shù)據(jù)，棄渣后地形數(shù)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)用RTK采集，采集范圍為棄渣邊界外5 m。為了計(jì)算結(jié)果可靠，方量計(jì)算分別采用南方Cass 7.1軟件DTM法和基于BIM的三維方量計(jì)算方法(MicroStation V8i (SELECTseries 3))計(jì)算，并作分析比較。

3.2 傳統(tǒng)方量計(jì)算方法過(guò)程及結(jié)果

南方Cass 7.1 軟件DTM法計(jì)算步驟如下：

1) 打開(kāi)Cass 7.1 軟件，導(dǎo)入原始地形數(shù)據(jù)。

2) 根據(jù)范圍線生成三角網(wǎng)，并導(dǎo)出原始地形的三角網(wǎng)文件。

3) 導(dǎo)入堆渣后地形數(shù)據(jù)。

4) 根據(jù)范圍線生成三角網(wǎng)，并導(dǎo)出堆渣后地形的三角網(wǎng)文件。

5) 利用Cass7.1軟件中“工程應(yīng)用→DTM法土方計(jì)算→計(jì)算兩期間土方” 計(jì)算出堆渣方量為235 029.0 m3，見(jiàn)圖1。

圖1 DTM法計(jì)算結(jié)果

3.3 基于BIM的方量計(jì)算過(guò)程及結(jié)果

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

1) 導(dǎo)入原始地形數(shù)據(jù)。

2) 由原始數(shù)據(jù)生成格網(wǎng)。

3) 由格網(wǎng)拉伸成體，即為原始地形生成的體模型，見(jiàn)圖2。

圖2 原始地形生成的體模型

4) 導(dǎo)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(wǎng)。

6) 由格網(wǎng)拉伸成體，即為堆渣后地形生成的體模型，見(jiàn)圖3。

圖3 堆渣后地形生成的體模型

7) 兩體模型相交，見(jiàn)圖4。

圖4 兩體相交模型

8) 兩體進(jìn)行布爾運(yùn)算，相交部分即為堆渣方量，測(cè)量體積為235 001.396 4 m3，堆渣體模型及計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 堆渣體模型及計(jì)算結(jié)果

3.4 兩種計(jì)算方法結(jié)果對(duì)比

由上節(jié)Cass7.1計(jì)算得到的堆渣方量是235 029.0 m3，由MicroStation V8i (SELECTseries 3) 計(jì)算得到的堆渣方量是235 001.396 4 m3，兩種軟件計(jì)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(jì)算方法中，南方Cass計(jì)算法是傳統(tǒng)的計(jì)算方法，MicroStation V8i (SELECTseries 3)計(jì)算方法是在計(jì)算方量的范圍線內(nèi)，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(duì)用南方Cass計(jì)算方量直觀又嚴(yán)密，所以選取MicroStation V8i (SELECTseries 3)計(jì)算的堆渣方量為本次計(jì)算成果，即渣場(chǎng)堆渣方量為235 001.396 4 m3。

4 結(jié) 論

對(duì)于水利水電工程的方量計(jì)算，用傳統(tǒng)方法計(jì)算時(shí)，DTM法相比其他方法精度高，適合復(fù)雜區(qū)域的土方計(jì)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(jì)算法，對(duì)精度要求高的工程在數(shù)據(jù)上可引入點(diǎn)云數(shù)據(jù)、航測(cè)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(shí)體體積，減少精度損失。在BIM設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)下，傳統(tǒng)的方量計(jì)算方法在精度等方面不能滿(mǎn)足發(fā)展需要，而基于BIM的三維方量計(jì)算方法可有所提高，能更好地滿(mǎn)足工程需要。作為BIM設(shè)計(jì)軟件之一的MicroStation V8i 軟件具備強(qiáng)大的三維設(shè)計(jì)功能，在各建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，該軟件輕松建模、記錄及查看實(shí)體的尺寸大小等信息，能更加直觀展示設(shè)計(jì)成果，給設(shè)計(jì)人員帶來(lái)極大的便利，未來(lái)用MicroStation V8i 軟件在水利水電工程中計(jì)算方量及BIM設(shè)計(jì)展示方面還有廣闊的推廣應(yīng)用空間。