基于Civil 3D的某山区复杂地形场平工程的土方量计算

昂 龙，李大华，宋辰辰，韩 炎

(安徽建筑大学 土木工程学院,安徽 合肥 230601)

关键字：土方量；Autodesk Civil 3D；曲面；计算；评估

0 引言

土方工程是土木工程施工的先导过程[1]。由于它具有工程量大、施工条件复杂和不可确定因素较多等特点，因此制定经济合理的施工方案对保证工程施工质量、工期、安全和降低工程成本的意义重大，而准确计算土方工程量是制定土方施工方案的前提[2]。现今如Arc GIS、南方测绘的CASS，虽说增加了计算土方量方法的多样性，但对于一些数据的筛选、添加和删除以及结果的输出还或多或少的存在些不足[3-4]。

Civil 3D是由Autodesk公司推出的能进行土木工程道路设计与计算土石方量的精确制图软件，该公司在2004年发布的软件Autodesk Civil 3D 2004中所有的对象都是动态联系的，并且在设计过程中若有数据的变更，在最终的输出结果中会有体现。同时在2011年，美国加利福利亚运输局就宣布将Civil 3D软件作为州内道路设计的工具[5]。在我国，基于Civil 3D的土方施工工程也都应用广泛[6-10]。

1 土方工程量计算的一般方法

传统的土方工程量计算方法有D T M法、方格网法和横断面法，不同的方法可以应对不同的计算要求[11]。

1.1 DTM（Digital Terrain Model）法

DTM（数字地形模型） 常通过TIN（Triangulated Irregular Network不规则三角网） 法构造三角网建立。DTM法通过将各个高程点连成一个个小的三角进而生成一张不规则的三角网，使需要计算的地形曲面分解为多个或者无数个三角锥。这些三角在实际中分为三种情况，一种是全填方，一种是全挖方（见图1，h1、h2为挖方或者填方高度），最后一种是既有填方又有挖方（见图2，h1、h2、h3为挖填方高度）。在计算过程中填方用“+”表示，挖方用“-”表示，之后运用数学公式将每个不规则的三角形体积计算出来，最后将填方体积和挖方体积统计出来便可得到指定场地内的挖填方数量[12]。

图1 挖方、填方示意图

图2 既挖方又填方示意图

1.2 方格网法

方格网法（见图3） 实质是将场地进行单元化分割成若干个正方形网格，计算每个网格的体积[13]。同时网格越小，所包含的地形信息也就越详细，但因为网格数众多，信息量大，各网格间的重叠干扰也就越大，精确度也会继而下降，所以方格法主要适用边界规整的场地。

图3 方格网法示意图

图4 横断面法示意图

1.3 横断面法

横断面法（见图4）是当遇到场地标高相差较大，地形较为狭长且有不规则的呈带状分布的道路或者河道时常用的一种运算方法，这种方法能较为方便快速的进行计算。在计算时，沿长度方向每隔一定的距离取一断面，后根据每个断面的面积计算相邻断面的平均面积再乘以相邻断面的距离，便可求得相邻两断面的挖填方体积V(计算方法见公式1)[14]。同理在求出所有分割断面的土方量后累计求和，即为所求场地的总挖填土方量[15]。

式中：F1、F2——两端的断面面积(m2);

F0——中间段的断面面积(m2)；

L——断面计算长度(m)

在Civil 3D中，可以通过创建曲面来实现数字地形模拟，该模拟过程是将已创建好的由方格网或三角形组成的曲面通过三维空间进行表示。由勘测单位外业人员所采集的项目地形高程点通过软件分析绘制成地形图。在软件中，可以对之前已经绘制好的地形图通过构建三维曲面，对高程点、等高线、流域面积、坡向和坡度进行分析。在对已分析好的曲面数据进行添加、删除和编辑时，因其各设计元素间存在动态联动关系，所以之前的分析数据都可以自动同步更新。通过软件可以采用三维几何算法在对已分析完的地形图中的每个高程点和z值进行精确的差值计算为后续计算挖填土方量做准备。

2 工程概况

该项目为特大型换流站项目的场平工程，地址位于安徽省宣城市古泉镇敬亭山区，总占地面积约37.68公顷。项目地形复杂，坡度7°-25°，场地地面标高最小高程51 m，最大高程89 m。在进行大面积土方工程施工时有一定的技术难度，由于当地林、耕土地资源紧张，土方外运或外购困难，且施工场地周边生态保护林地存在，提高了对绿色施工及资源有效利用方面的要求，因此必须合理精准确定土方工程量,以求达到挖填平衡的效果。

图5 项目现场图

图6 原始曲面图

3 数据准备

本工程计算站区内平基土方的资料为勘测单位给出的现场图（见图5，单位：mm），图中主要包括道路走向、已测绘好经软件合成的等高线和高程点数据图，同时在图中还标明了站区平基场地的边界线。

4 挖填方量计算

4.1 创建曲面

本项目中，利用现场图中的等高线和高程点创建曲面。经Civil 3D软件运用特性查看可知现场图中的等高线和高程点均为三维坐标，即z坐标为正确的高程值。而且通过D T M法创建三角网能更好地表示复杂地形如陡坡和山脊的信息，所以，可选择“创建曲面”在浏览选项卡中点击“曲面”下拉菜单,在“定义”中利用等高线和高程点将现场图创建为三角网曲面，在生成的曲面图中添加主等高线和次等高线使之生成比较精确的原始曲面图(见图6)。

4.2 编辑修改原始曲面图

在已创建好的曲面，依据即建的换流站站址的用地红线，将原始曲面进行裁剪（见图7），裁剪成功后，为较清晰的显示站址内的地形特点，可打开软件的“曲面特性-地形曲面”，在“分析”栏下可以对创建好的曲面进行高程分析，将“范围创建依据”中“范围间隔”设置为“8”进行分析。分析结束后打开“曲面样式”在“显示”中将“视图方向”选为“平面”后，“高程”选项设置为可见，其余不可见。插入图例，便得到更直观的站区场地各标高段内的渲染效果图(见图8，单位：m)。

图7 裁剪图

图8 渲染效果图

图9 场地平整图

图11 土方施工图

4.3 创建放坡组

Civil 3D中的放坡是以创建好的曲面图为依据来创建一个新曲面[16]。将图5中原边框多段线转换为要素线，已设置好的高程值在转换时会自动保留。放坡对象划分的标志为要素线，放坡时，根据本项目的情况，边坡挖填方放坡坡度为水平，方向向内，边坡外放坡暂不考虑。在“放坡”模块中选择“放坡创建工具”，选择必要的参数后，可创建放坡，放坡结束后平基场地内的其他区域可创建填充，将站址内平整为一平面(见图9)。

4.4 生成土方报告

根据已放坡的曲面，在确定放坡组特性后，点击放坡体积工具生成本项目平基土方报告(见图10)，在Civil 3D的工具栏中点击曲面，运行生成土方施工图命令，生成土方网格施工图(见图11)，挖填平衡后站址标高为75.202 m。

4.5 土方计算方法比较

除利用Civil 3D软件计算土方量外，还利用Arc GIS软件采用DE M法对场区进行了土方量的计算，以验证和对比Civil 3D在本工程中的应用价值。

Arc GIS计算土方量需提前设定场平标高(上述Civil 3D算出最终挖填平衡标高为75.202 m)，软件根据设定好的标高来进行土方的挖填量计算。结合本项目现场地形地貌的实际情况确定选用DE M法进行本工程土方量的计算和比较。计算结果见表1。

表1 计算结果对比

从土的挖填方量来比较，Arc GIS无法达到真正的挖填平衡，对施工的指导意义作用较小，而经Civil 3D模拟的结果，达到了挖填平衡，能为施工人员提供参考。

从实际应用比较，Arc GIS软件模拟的土方量计算给定场地平整后的标高，其可以作为土方量验算的工具，而Civil 3D能够在勘绘结束利用得到的测量数据进行先期的土方量计算，生成施工图，为后期场平标高的确定给出参考依据。

5 结语

(1)基于建筑信息模型(BIM)技术的Civil 3D具有强大的设计计算能力以及直观、精确等特点，同时其每个关联要素间的紧密联系为土方计算提供了高效的解决方法，其时时动态更新为操作人员带来便捷。

(2)Civil 3D有利于提高三维可视化设计的质量和精度以及快速进行复杂地形的土石方施工规划，能够准确地计算土石方量，达到了挖填平衡的效果，保证了工程效益，为工程施工提供建议。

(3)通过Civil 3D软件对初始地形数据图进行从平面到立体的设计和依据不同地形特点采用不同的计算方法避免了重复工作。