司江民

（甘肅省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000）

0.引言

隴西宏偉鄉(xiāng)風(fēng)電場項(xiàng)目位于甘肅省定西市隴西縣境內(nèi)，距隴西縣約34千米，是“甘肅通渭風(fēng)電基地規(guī)劃”子風(fēng)電場，也是國家電投新疆公司“絲路百萬千瓦風(fēng)電項(xiàng)目”之一，項(xiàng)目總裝機(jī)規(guī)模為20萬千瓦，動(dòng)態(tài)總投資153 812.79萬元。由于測區(qū)為原始高山地貌，該項(xiàng)目在施工過程中需要大量的土方計(jì)算和核查工作，其中扇葉平臺(tái)、進(jìn)場道路、舊路改造的土方計(jì)算工作量較大。為了能盡快滿足工程核算的時(shí)間要求，同時(shí)保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文針對(duì)不同形狀的地塊土方計(jì)算提出了不同的方法，并在一定范圍內(nèi)進(jìn)行了精度驗(yàn)證，最終形成了一套完整的土方計(jì)算工作流程。

1.土方計(jì)算原理

傳統(tǒng)的土方計(jì)算都是按照水準(zhǔn)抄平結(jié)合平場面積的方法進(jìn)行匯算的，隨著測繪技術(shù)的進(jìn)步，主流的測繪儀器已經(jīng)從光學(xué)時(shí)代進(jìn)入以電子設(shè)備為主的新型發(fā)展階段，土方計(jì)算的原理也隨著測繪設(shè)備的更新發(fā)生了一些改變，而人們的需求也從簡單地獲得土方數(shù)據(jù)變?yōu)橥练接?jì)算的三維可視化。土方計(jì)算原理一般都是將待算土方實(shí)體進(jìn)行不同格式、不同精度的剖分，針對(duì)每一個(gè)規(guī)則的剖分體進(jìn)行體積計(jì)算，然后進(jìn)行合并運(yùn)算或者積分運(yùn)算，最終獲得連續(xù)不規(guī)則實(shí)體的體積。結(jié)合上述原理和先進(jìn)的測繪技術(shù)，目前能提供給土方計(jì)算的原始測量數(shù)據(jù)有高程點(diǎn)、等高線、測量斷面、數(shù)字高程模型、曲面模型等，結(jié)合小型無人機(jī)可以實(shí)現(xiàn)土方的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)計(jì)算和變化提示，使用先進(jìn)的三維建模軟件和設(shè)計(jì)軟件能更加精確、直觀地完成體積的計(jì)算和加減運(yùn)算等，使得土方計(jì)算不再拘泥于復(fù)雜的公式推導(dǎo)和數(shù)據(jù)匯算，普通人也能夠通過簡單的菜單命令完成特定的方量計(jì)算，在提高了土方計(jì)算精度的同時(shí)提高了作業(yè)效率。

2.斷面法計(jì)算土方量

用斷面法計(jì)算土方量，首先在計(jì)算范圍內(nèi)布置斷面線，斷面一般垂直于等高線，或垂直于大多數(shù)主要構(gòu)筑物的長軸線。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。兩斷面的間距一般小于100米，通常采用20～50米。繪制每個(gè)斷面的自然地面線和設(shè)計(jì)地面線，然后分別計(jì)算每個(gè)斷面的填、挖方面積。計(jì)算兩個(gè)相鄰斷面之間的填、挖方量，并將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。隨著計(jì)算機(jī)的使用，面積計(jì)算已具有較高的精度，如采用辛普生法計(jì)算。斷面法土方量的計(jì)算，通常仍采用由兩端橫斷面的平均面積乘以兩橫斷面之間的間距算得，稱為斷面法土方量計(jì)算平均公式，即斷面法計(jì)算土方量平均公式由于只需要知道兩端橫斷面的面積，因而計(jì)算很簡單。結(jié)合本項(xiàng)目實(shí)際，斷面法方量計(jì)算用于進(jìn)場道路和舊路改造方量計(jì)算。

3.方格網(wǎng)法計(jì)算土方量

飛時(shí)達(dá)系列軟件，包括土方計(jì)算軟件FastTFT、總圖設(shè)計(jì)軟件GPCADZ、修建詳規(guī)設(shè)計(jì)軟件GPCADX等，均采用方格網(wǎng)法計(jì)算土方量，計(jì)算公式和原理均采用雙向切分三棱錐平均值計(jì)算土方量。根據(jù)各角點(diǎn)施工高度的不同，零線可能將三角形劃分為兩種情況：三角形全部為挖方或全部為填方、部分挖方和部分填方。根據(jù)不同的劃分情況，進(jìn)行分類計(jì)算，最后進(jìn)行匯總。該方法適合本項(xiàng)目扇葉平臺(tái)和風(fēng)機(jī)平臺(tái)的計(jì)算，根據(jù)實(shí)測點(diǎn)的密度和區(qū)域形狀確定不同的格網(wǎng)間距。

4.多軟件計(jì)算土方量

為了提高成果的可靠性，本次方量計(jì)算前后兩期數(shù)據(jù)均與施工單位保持一致，計(jì)算方法也和施工單位保持一致，計(jì)算軟件根據(jù)需要進(jìn)行合理配置，最終完成了一期、二期、三期的道路和平臺(tái)的方量計(jì)算。由于單一軟件計(jì)算的結(jié)果可能出現(xiàn)模型方法不合理的現(xiàn)象，本次計(jì)算采用4種方法對(duì)同一平臺(tái)（三期T55風(fēng)機(jī)平臺(tái)）進(jìn)行土方計(jì)算，計(jì)算結(jié)果和施工單位的方量成果進(jìn)行了對(duì)比統(tǒng)計(jì)，最終驗(yàn)證結(jié)果表明：本次計(jì)算選擇的軟件合理、成果準(zhǔn)確。

4.1 基于CASS軟件的土方計(jì)算

CASS 10米斷面法計(jì)算軟件采用沿縱軸每10米布置一條橫斷面的方法。橫斷面左右均延長至計(jì)算范圍邊界，橫斷面采點(diǎn)間距均為1米，然后分別采集內(nèi)插點(diǎn)處的開挖后高程和原始地面高程，之后分別繪制斷面線計(jì)算斷面面積，通過軟件計(jì)算兩斷面間的平均土方量，最終匯總得到該測區(qū)的土方量。

4.2 基于飛時(shí)達(dá)軟件的土方計(jì)算

飛時(shí)達(dá)10米斷面法計(jì)算軟件采用沿縱軸每10米布置一條橫斷面的方法。橫斷面左右均延長至計(jì)算范圍邊界，橫斷面采點(diǎn)間距均為1米，然后分別采集內(nèi)插點(diǎn)處的開挖后高程和原始地面高程，之后分別繪制斷面線計(jì)算斷面面積，通過軟件計(jì)算兩斷面間的平均土方量，最終匯總得到該測區(qū)的土方量。

4.3 基于Civil3D的土方計(jì)算

Civil3D軟件首先使用開挖前和開挖后的測量數(shù)據(jù)建立地形曲面，然后導(dǎo)入測區(qū)范圍定義曲面邊界，最后用分析菜單下的“土方計(jì)算”來算出兩個(gè)曲面的填挖方。平臺(tái)開挖前后三維模型對(duì)比如圖1、圖2所示。

圖1 平臺(tái)開挖前三維模型

圖2 平臺(tái)開挖后三維模型

4.4 基于ArcGIS的土方計(jì)算

ArcGIS軟件首先使用開挖前和開挖后的測量數(shù)據(jù)建立不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN），然后使用TIN轉(zhuǎn)為柵格，導(dǎo)入測區(qū)邊界進(jìn)行柵格的裁剪，最后使用兩個(gè)柵格文件進(jìn)行填挖方計(jì)算。

4.5 結(jié)果對(duì)比

通過不同軟件計(jì)算同一測區(qū)的方量得到不同的計(jì)算結(jié)果。飛時(shí)達(dá)和CASS軟件是通過斷面法計(jì)算土方量，通過加密斷面發(fā)現(xiàn)挖方差值可以大幅度減小，但是填方反而出現(xiàn)增大的情況，通過分析可以得出：該差值變化與地形的復(fù)雜程度和斷面的布置有關(guān)系。三期T55風(fēng)機(jī)平臺(tái)不同軟件計(jì)算填挖方差值對(duì)比如表1所示。

表1 不同軟件計(jì)算的填挖方數(shù)值比較 單位:方

通過三維設(shè)計(jì)軟件Civil3D和ArcGIS軟件計(jì)算的結(jié)果可以得知，這兩種軟件計(jì)算的結(jié)果由于計(jì)算方法均為建立地形曲面或者立體模型，所以計(jì)算結(jié)果與斷面法有較大的差別，但是Civil3D和ArcGIS計(jì)算的結(jié)果相近，在實(shí)際計(jì)算中應(yīng)該按照不同的施工階段和要求選擇合適的軟件和模型進(jìn)行計(jì)算。

4.6 可視化分析

結(jié)合現(xiàn)有的三維建模軟件，通過三維坐標(biāo)構(gòu)建三角網(wǎng)進(jìn)而生成數(shù)字高程模型，通過可視化模塊可以直觀地了解施工進(jìn)度和開挖前后的對(duì)比，對(duì)分析決策和把握整體的施工進(jìn)度有重要意義。結(jié)合現(xiàn)在主流的BIM技術(shù)可以向建設(shè)單位提供報(bào)表、斷面和模型不同格式的方量計(jì)算數(shù)據(jù)，也可以將設(shè)計(jì)標(biāo)高輸入軟件建立最終模型，通過分時(shí)段劃分規(guī)劃出不同時(shí)間段的施工進(jìn)度和開挖方量，給工程項(xiàng)目管理和經(jīng)費(fèi)預(yù)算提供重要的數(shù)據(jù)支撐。

5.結(jié)束語

通過對(duì)三期T55風(fēng)機(jī)平臺(tái)方量的計(jì)算對(duì)比，發(fā)現(xiàn)施工單位的挖方差值較小，但是填方值差值較大。這次核算僅僅是核算施工單位前后兩期的方量，方法和數(shù)據(jù)均與施工單位保持一致，且軟件計(jì)算采用的都是純數(shù)學(xué)模型和方法，未考慮施工過程中實(shí)際的壓實(shí)系數(shù)等，所以最終的計(jì)算結(jié)果和實(shí)際土方會(huì)有差值。突飛猛進(jìn)的航測技術(shù)和三維激光掃描技術(shù)能在很大程度上提高測繪作業(yè)的效率和精度。無人機(jī)航測技術(shù)通過傾斜攝影測量能建立真實(shí)的三維實(shí)景模型，該模型不僅能反映地形的起伏，還能真實(shí)反映地表的各種地物元素，可以使用三維軟件的功能模塊進(jìn)行開挖方的演示和初算，使用無人機(jī)航測技術(shù)能快速高效地計(jì)算土方量，特別是對(duì)于陡峭巖體等測量儀器無法靠近的計(jì)算體，能較好地完成數(shù)據(jù)的采集和后期的計(jì)算。三維激光點(diǎn)云技術(shù)主要包括架站式的掃描儀和SLAM技術(shù)，通過測量距離和方位間接計(jì)算出土方體的三維真實(shí)坐標(biāo)，進(jìn)而獲得土方體的三維數(shù)字模型進(jìn)行方量計(jì)算。方量計(jì)算是一項(xiàng)傳統(tǒng)的測量項(xiàng)目，如果結(jié)合最新的測繪技術(shù)，能使簡單的方量計(jì)算精準(zhǔn)化、可視化。