基于BIM技术的土石方工程应用

张生喜

（甘肃工程建设监理有限公司，甘肃 兰州 730030）

1 软件介绍

采用GPS-RTK对兰州新区某医院项目原始地形进行数据采集，并利用civil3D对原始地形进行数据分析。RTK系统包括基准站、流动站、电台三部分，通过信息传递功能，解决远距离传送不良等问题，在土方量数据采集中占有很大优势。经差分定位计算得出流动站具体方位，在短时间内得到流动站具体观测信息和坐标内容。

传统的土方算量常用计算方法有体积法、断面法、方格网法，计算过程都过于繁琐，计算效率、计算精度较低，且传统土方量计算方法的适用范围都受地形条件限制。

Civil3d能够利用DEM数字模型构建的曲面数据进行精确的土方量计算，直接输出土方施工图。通过测量的地形区域的有限个点数据，根据计算需求将区域划分为相连的三角面网络，根据矢量拓扑关系通过线性插入点值建立DEM模型。能以不同精度不同形态描述地表形态，与传统的同网格数据模型相比,能快速高效地表示更加复杂的表面，更好地描述显示地形表面特征。

2 原始地形分析

2.1 利用RTK采集外业数据

2.1.1 测量控制网的布设

采用“兰州市1996中川坐标系统”，由于首级控制点的密度不能满足整个测区施工测量控制要求，因此我们通过采用GPS卫星定位技术对控制点进行加密，从而建立GPS平面控制网。本 项目根据测区面积大小和工程要求采用分级的方法建立高程控制网，以1985国家高程基准为基础，在全区用三、四等水准测量方法建立水准网，该水准网与GPS平面控制网控制点位一致。

2.1.2 外业数据采集

兰州新区某医院项目原始地形平坦，占地面积较小，采用RTK测量的方法对整个测区的数据采集，尽量提高高程数据的采集密度，特别是特殊地貌(如斜坡顶、斜坡脚、坎上、坎下等)和地形变化的特征点，尽可能使采集的数据真实地反映地形的变化特征。每天测量作业结束后，统一将数据进行归纳存档。

2.2 利用civil3D进行测量数据处理及分析

2.2.1 曲面的定义

根据测量数据建立曲面。曲面是地形表面的三维几何表示，是进行土方计算的数据基础，由Civil 3D 连接组成曲面数据的点而创建三角形或栅格。根据现场实数据创建曲面，在导入测量数据时可以自定义数据文件格式导入格式，如果数据源的面积很大但工作中只需要局部数据，可以设置曲面的有效范围来导入有效范围内的数据，过滤有效范围之外的数据。

一般来讲，若只需要进行土方量计算，而不需要显示测量点数据，可直接通过数据建立曲面后直接进行土石方挖填方计算，若有需要显示数据，则测量数据可导入建立点编组，通过调点节样式及特性修改显示方式，按照需求进行相关信息，之后通过采用点编组建立曲面，进行计算。

测量数据可能存在个别错误，数据较大或较小，导致计算出错，可以设定一个测量数据范围区间，在曲面生成时直接排出这个合理区间之外的数据，保证计算的准确度。

2.2.2 曲面的分析

曲面作为civil3D的核心功能，可以对曲面进行分析，包括坡度、高程、体积、汇水分析等，可以根据设计及施工要求，对曲面进行不同的分析，快速直观的得到相关信息。以高程分析为例，通过建立地形曲面，统计分析原始地貌的高程，并生成图表格式，可以根据不同的高程需求进行调节，设置高程段的颜色，自动生成高程图例还可统计出对应高程段的面积，可以直接划分填挖方区块，方便土方量的合理调配，一旦高程设置进行调整，相关颜色及图例进行动态调整。如图1所示。

图1 原始地形高程分析图

2.2.3 曲面的显示

根据需求的不同，可设置不同的曲面显示方案，一般计算需要，可仅仅显示边界以选定、区分不同曲面；需要地形图，则可显示根据要求调节主、次等等高线，显示地形图方案；涉及汇水，则需显示坡面箭头及流域方案等，可以灵活使用不同的显示方案来满足不同工作要求。

3 基坑模型的建立与分析

3.1 建立原始地形模型

根据兰州新区某医院项目原始地形测量数据创建原始地形曲面，调整相关样式及特性。根据兰州新区某医院基坑支护（设计）专项施工方案中基坑设计的放坡系数要求，利用civil3D对基坑设计进行三维建模。如图2所示。

图2 基坑模型图

3.2 土石方填挖量计算

建模完成后，对所建模型与原始地形进行基坑设计土方量的计算，对比常规计算方法，两个曲面之间进行土方量计算避免了斜坡空白区域，计算结果更加精确。通过体积面板功能，快速计算土石方挖填方量，也可以根据现场实际抬升或者下沉设计基坑，再进行土方计算，结合施工现场，计算出实际土方量，为土方量审核提供依据。如图3所示。

图3 基坑土方计算图

4 小结

经过兰州新区某医院项目对Civil 3d在土方计算中的应用尝试，我们的收获有以下几点：

1）Civil 3d计算体积的数据模型和算法更加严密科学，有效保证了事干项目中土方计算的效率和精度。

2）Civil 3d给设计者提供了丰富和强大的设计工具，大大提高了设计者的工作效率，同时也对测绘提出了更高的要求，以往提供二维图形数据已经不能满足设计部门的需要，提供能直接用于设计的三维数据是迫在眉睫的需要，也是未来发展的必然趋势。

3）在这个大数据时代，数字化城市的建设道路上，以后土方数据的采集方式将会多元化。我们将通过全站仪、GPS、航拍、航天影像等方法得到高精度三维地形数据，在高精度三维地形上进行工程项目设计，为工程项目全生命周期的应用打好基础。