基于BIM的三维方量计算方法在水利水电工程中应用研究

刘怀林，胡 君，贺立捧，白 翔

(贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司，贵阳 550002)

1 概 述

在水利水电工程建设中，涉及挖填方的工作面较多且方量较大，如大坝坝基及坝肩开挖、导流洞开挖、渠道及各边坡放坡开挖等。由于开挖方量较大及环保要求，对选择弃渣场也很重要，弃渣场是否满足弃渣要求、弃渣场实际弃渣方量计算等问题与工程投资及结算直接相关。如何准确计算挖填方量，对规划设计、资金分配及工程质量控制都具有十分重要的意义。

目前，方量计算的传统方法主要有DTM法、方格网法、等高线法、断面法等。传统方法在数据处理过程中，从原始数据生成网格或等高线到计算方量是二维成果，不能很好发现粗差，不直观，有一定的精度损失，当计算数据量较大时可能导致计算机死机。随着获取原始数据手段不断提升，仪器设备精良，可获得更大密度的原始数据。而基于BIM的三维方量计算方法可引入点云数据、航测模型等数据，更加直观，相比传统方法便于发现粗差，从原始数据生成模型就可直接得到实体体积，减少精度损失。在BIM设计的发展趋势下，传统的方量计算方法在精度等方面不能满足发展需要，而基于BIM的三维方量计算方法可有所提高，能更好地满足工程需要。

2 方量计算原理

2.1 传统计算方法

DTM法是利用地形数据建立不规则三角形(TIN)[1]，对每一个三角形计算区域按三棱柱的体积来计算方量，累计指定范围内的方量得到最终的总方量。其相对于规则网格有以下优点：一是三角网中点和线的分布结构可以完全与地面的形态特征保持一致；二是它可以不需要改变原始数据和精度，可以更好地表示地面特征。从理论上讲，该方法适用于任何地形地貌，计算精度最高；不足之处是模型复杂，需进行大量的野外数据采集，存储空间占用大。

方格网法是根据设计高程和实测地面点坐标将待计算的区域划分成若干个方格，每个方格按照长方体的体积计算方量，最后累计指定范围内的方量得到最终的总方量。方格网法适用于大面积土方量的计算，尤其是地形起伏较小、坡度变化较缓的区域。它简明直观、通用性强，可以生成挖填线。但是由于方格网法是取方格四角上的高程来计算方格网的体积，因此对于变化较大的地形来说计算精度会降低。理论上，方格网法采用的方格密度越大，方量计算就越接近实际值，精度就会越高，但对应工作量会明显增加而不利于工作效率的提高。

断面法是沿着纵断面方向每隔一段距离在其垂直方向测量一个断面，两断面间的方量等于两断面的平均截面积与断面间距离的乘积，累加各段体积即为总体积。断面法方量计算适合用于线性工程，特别复杂区域可选任意断面法。断面法外业需要进行大量断面测量工作，同时必须对各断面参数的设置比较清楚。鉴于断面法在计算方量时受到诸多条件限制，其计算精度与可靠性难以评估，在两断面间不规则变化较大时，误差较大。

等高线法可以用于计算任意两条等高线之间的方量，其计算体积可近似看作截椎体。实际工程很少用到等高线法，一般都是用于估算，参与计算的等高线要求是闭合的，但在实际工作中需要计算方量的区域中等高线闭合的较少，所以等高线法实用性不强，只用于独立山头较为理想。

2.2 基于BIM的三维方量计算方法

MicroStation V8i (SELECTseries 3) 是美国Bentley公司开发的一款三维设计软件，在各建筑设计领域得到了广泛应用[2]。利用该软件可以轻松建模、记录及查看实体的尺寸大小等信息，能更加直观展示设计成果。

在土方量计算方面，借助MicroStation V8i (SELECTseries 3)软件绘图功能，利用两期原始地形数据生成格网，利用格网拉伸成体，两体相交进行布尔运算，相交体的体积即为挖填方量。对精度要求高的工程在数据上可以脱离传统方法，引入点云数据和航测模型等。

3 工程案例分析

3.1 项目介绍

贵州省兴仁县尖山水库工程位于贵州省黔西南布依族苗族自治州兴仁县潘家庄境内，水库总库容1 496×104m3。水库为多年调节水库， 大坝高53.9 m。项目总投资4.78亿元。根据贵州省兴仁县尖山水库工程施工要求，要对弃渣场弃渣方量进行计算，收集原始地形数据，弃渣后地形数据现场用RTK采集，采集范围为弃渣边界外5 m。为了计算结果可靠，方量计算分别采用南方Cass 7.1软件DTM法和基于BIM的三维方量计算方法(MicroStation V8i (SELECTseries 3))计算，并作分析比较。

3.2 传统方量计算方法过程及结果

南方Cass 7.1 软件DTM法计算步骤如下：

1) 打开Cass 7.1 软件，导入原始地形数据。

2) 根据范围线生成三角网，并导出原始地形的三角网文件。

3) 导入堆渣后地形数据。

4) 根据范围线生成三角网，并导出堆渣后地形的三角网文件。

5) 利用Cass7.1软件中“工程应用→DTM法土方计算→计算两期间土方” 计算出堆渣方量为235 029.0 m3，见图1。

图1 DTM法计算结果

3.3 基于BIM的方量计算过程及结果

MicroStation V8i (SELECTseries 3) 软件计算步骤如下：

1) 导入原始地形数据。

2) 由原始数据生成格网。

3) 由格网拉伸成体，即为原始地形生成的体模型，见图2。

图2 原始地形生成的体模型

4) 导入堆渣后地形数据。

5) 由堆渣后地形数据生成格网。

6) 由格网拉伸成体，即为堆渣后地形生成的体模型，见图3。

图3 堆渣后地形生成的体模型

7) 两体模型相交，见图4。

图4 两体相交模型

8) 两体进行布尔运算，相交部分即为堆渣方量，测量体积为235 001.396 4 m3，堆渣体模型及计算结果见图5。

图5 堆渣体模型及计算结果

3.4 两种计算方法结果对比

由上节Cass7.1计算得到的堆渣方量是235 029.0 m3，由MicroStation V8i (SELECTseries 3) 计算得到的堆渣方量是235 001.396 4 m3，两种软件计算的方量相差27.603 6 m3，差值是总方量的1/10 000。在这两种计算方法中，南方Cass计算法是传统的计算方法，MicroStation V8i (SELECTseries 3)计算方法是在计算方量的范围线内，用原始地形面和堆渣后地形面分别沿铅锤线正反方向拉伸成体，其相交部分即为堆渣方量，相对用南方Cass计算方量直观又严密，所以选取MicroStation V8i (SELECTseries 3)计算的堆渣方量为本次计算成果，即渣场堆渣方量为235 001.396 4 m3。

4 结 论

对于水利水电工程的方量计算，用传统方法计算时，DTM法相比其他方法精度高，适合复杂区域的土方计算，但是传统方法均为二维成果，不容易发现粗差，不能更好的展示。基于BIM的方量计算法，对精度要求高的工程在数据上可引入点云数据、航测模型等数据，更加直观，相比传统方法便于发现粗差，从原始数据生成模型就可直接得到实体体积，减少精度损失。在BIM设计的发展趋势下，传统的方量计算方法在精度等方面不能满足发展需要，而基于BIM的三维方量计算方法可有所提高，能更好地满足工程需要。作为BIM设计软件之一的MicroStation V8i 软件具备强大的三维设计功能，在各建筑设计领域得到了广泛应用，该软件轻松建模、记录及查看实体的尺寸大小等信息，能更加直观展示设计成果，给设计人员带来极大的便利，未来用MicroStation V8i 软件在水利水电工程中计算方量及BIM设计展示方面还有广阔的推广应用空间。