基于BIM技术的道路土方工程应用研究

邱燕红，林 敏，吴 薇

（1、广东工贸职业技术学院 广州 510515；2、广东省冶金建筑设计研究院有限公司 广州 510062）

关键字：道路土方量；BIM技术；Civil 3D；曲面；计算

0 引言

在道路工程建设项目正式施工前，施工现场应达到水通、电通、道路通和场地平整等条件。传统方格网法分块计算土方工程量的方式比较繁琐，计算结果的准确性受工程技术人员的经验积累、专业知识以及现场地形情况等因素的影响，因此准确性相对较低。目前大多数工程师采用EICAD 软件应用断面法计算土石方工程量，遇反复变更时工作量较大，准确性欠佳。

近年来，随着BIM 技术在国内土木界蓬勃发展［1］，它成为土木行业当下的热点和未来的趋势［2］。运用BIM 技术能高效准确计算场地的土方量［3］，对现场的施工安排、方案优化、土方调配等均起辅助作用，具有应用发展潜力［4］。经对比，本文选用Civil 3D 软件建立道路及场地模型，因为Revit 建模有其局限性，其主要功能为解决建筑工程信息数据化的问题，软件环境对道路及岩土工程不友好［5］，而Civil 3D 功能非常强大，能根据不同数据来源生成三维数字地形模型，可直观、快速、准确计算土方量、绘制纵横断面图、查看三维模型，具有强大的项目管理等功能［6］；其相关设计要素之间的动态关联和更新功能大大降低了设计过程中的劳动强度，实现了所见即所得的设计模式，特别是在土石方工程量计算中，当地形数据发生变化和设计参数更新之后该功能保证了工程量计算的正确性［7］。因此，本文尝试采用BIM 技术，应用Civil 3D快速精确地计算出场地平整土方工程量，有利于图纸的表达，达到挖填平衡效果。

1 项目概况

某项目位于广州市花都区新华街广州北站北侧，为城市主干道，呈东西走向，西起正在改扩建施工中的广清高速新华站立交，向东与新街大道，规划广河、广湛客运专线，在建广清、广佛城际轻轨呈十字型交叉，东止于武广高铁西侧既有云山桥16#墩。本项目实施范围为K0+127.618～K1+064.210 段，路线全长约0.937 km，道路规划红线宽度40.5～66.8 m，主线桥双向六车道，两侧设置双向四车道辅道，主线设计速度60 km∕h。道路设计总平面如图1所示。

图1 道路平面设计Fig.1 Road Plane Design

由于篇幅和图片清晰度限制，本文截取主线段K0+127.218 m～K0+331.400 m 桩号范围内的道路土方设计，可知主线两侧设双向四车道辅道与新街大道、规划站前西路平交。

2 传统土方算法

常用的土方量理论计算方法有“断面法”和“方格网法”，上述方法偏重精确计算，计算繁琐复杂，耗时长，常需工程技术人员根据经验调整结果。

2.1 方格网法

遇地形坡度变化平缓、起伏较小的场地或者大面积的土石方估算，宜用方格网法。将场地划分成若干个方格网，分别计算每个四棱柱的体积，进而将所有四棱柱的体积汇总得到总的挖填方量。应用方格网法计算土方量的精度不高。

2.2 断面法

遇地狭长、挖填深度较大，地形复杂起伏变化较大的不规则地段，宜常用横断面法进行土方量计算。其精度与横断面的间距有关，间距越小，精度越高。但在范围较大、精度要求高的情况下，断面法计算量大；若加大断面的间距，虽能减少计算量，但会降低计算结果的精度；因此断面法难以兼顾计算精度和设计速度。

3 Civil 3D在道路土方工程的基本应用思路

道路土方工程量的计算是设计的重要环节之一。土方工程量的精确计算和合理调配可以帮助设计师选择最优的设计方案。本道路工程项目场地面积大，数据资料形式多为CAD 方格网，且标高差异较大，故选用Civil 3D 软件构建地形模型。使用该软件能够快速有效地计算出实际地形曲面与设计曲面之间的土方工程量，输出土方平衡数据，以便合理确定挖填土方数量及移动路径，为精准施工提供保证［8］。

应用BIM∕Civil 3D 技术进行土方计算基本思路，将原始地貌提取初始数据，载入到Civil 3D 的项目文件，从而创建原始地面曲面［9］；结合工程实际情况，综合考虑地块规划标高、与道路衔接、地块间过渡、边坡坡比等因素，创建道路设计曲面；应用采样线切割道路设计曲面和原始地形曲面，创建道路横断面施工图，生成道路土方工程量和道路结构层工程量。上述横断面及其工程量都均可随着模型的调整而同步更新。

4 Civil 3D土方算法——曲面体积法

4.1 计算原理

在Civil 3D 同一个区域建立两个或多个曲面，比较曲面之间的统计差，其值就是土方量。若原始地形准确反映地形，设计道路曲面完全与设计文件一致，精确比较两曲面之间的体积，则土方量计算的结果完全准确［10］。曲面的建立是应用Civil 3D三维设计的基础，利用地形图信息（地形点、等高线或特征线等）构成三角网，排除奇异点后，形成地形曲面，以建立的三维曲面为基础进行布尔运算，即可实现标高控制和场地的挖填［11］。本工程中，以道路两边线作为曲面特征线。

4.2 应用流程

4.2.1 创建三维原始地形曲面

⑴从地形图导出点文件——CSV 文件或文本文件

根据CAD 地形图创建原始地形曲面，地形图经处理后提取原地面高程点的坐标，输出CSV 文件或文本文件，在以下第三个步骤，利用Civil 3D 生成原始曲面地形。视情况可同时采用全站仪等测量仪器对施工区域内补测点测量，提高地形精度，实现与方格网数据的相互补充。

⑵导入点文件，Civil 3D生成点编组

为了便于整理、同步更新模型，通过导入原始CSV 文件或文本文件，我们将原始场地数据创建点编组1“原始曲面组”，将道路中线点数据保存为点编组2“道路中线组”；另外将道路设计面数据导入后创建点编组3“道路设计曲面组”。

⑶点编组创建曲面创建原始地形曲面模型、道路中线、道路设计曲面

在新建曲面定义中，在点编组中添加“原始曲面组”，即可创建三维地形曲面模型。最后，我们需在三维模式下检查创建的曲面模型是否异常，因为可能会出现数据添加失误而导致添加错误的数据形成曲面。需将这些错误数据删除，才能创建与实际相符的三维地形曲面模型。同样方法，我们通过点编组快速准确创建道路中线、道路设计曲面。

⑷创建曲面后，根据需要定义各曲面特性及样式。原始场地三角网曲面如图2所示。

图2 原始场地三角网曲面Fig.2 Original Site Triangular Mesh Surface

4.2.2 根据道路设计标高创建道路设计曲面

根据设计图纸及三维坐标参数进行进行地形图绘制，建立道路设计曲面。

结合曲面显示情况，在曲面出现突然变化的部位剔除掉错误点位数据，分别对原始地面及设计高程数值进行检查，如图3所示。

图3 道路设计曲面模型Fig.3 Road Design Surface Model

4.2.3 创建放坡组以及曲面组合——将放坡组与道路设计面粘贴

创建放坡组后的组合曲面模型如图4所示。

图4 创建放坡组后的组合曲面模型Fig.4 Combined Surface Model after Creating a Sloping Group

4.2.4 曲面间的土方量计算

曲面体积法土方量的计算是通过原始表面场地模型体积与挖方模型体积之间的差值来实现挖方或填方量的计算。参照曲面选择道路设计曲面，基准曲面选择原地形曲面，在生成的体积曲面中选择特性得到土方量计算信息，通过体积差运算得填挖方量。

5 Civil 3D土方算法——横断面法

5.1 计算原理

根据场地情况，沿场地方向每隔一定距离取断面，然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，求得相邻两个断面的土石方量。同理，求出所有断面的土石方量后累计求和，即为总土石方量。土方量精度与断面间距有关，间距越小，精度越高，但计算量大。一般地形平坦时断面间距取40～100 m，地形复杂时断面间距取10～30 m。本项目为城市道路，地势平坦，断面间距取20 m，土方量精度足以满足工程设计要求。

5.2 应用Civil 3D断面法道路设计的要点

5.2.1 创建道路中心线、平面以及道路纵断面

地形曲面创建后，通过从对象创建路线，即可按道路平曲线要素及其控制点位置创建道路平曲线；按出图标准定义路线样式，按工程实际输入项目起始桩号K0+127.618。应用“纵断面布局工具”按照竖曲线要素及曲线位置设定主线段的道路设计纵断面，或利用文本文件创建纵断面，文本中每行信息应包括桩号、高程、曲线长度。根据原地形纵断面，道路设计等级和车速等要求，遵循“平包纵”设计原则，确定道路竖曲线、纵坡等设计参数。本工程主线道路工程纵断面如图5 所示。

图5 主线道路纵断面布置Fig.5 Layout of the Main Line Road Profile

后期可通过调整“纵断面栅格视图”的新增桩号值、曲线半径、变坡点高程等数值，精确地调整纵断面的参数。

5.2.2 道路装配

Civil 3D 中，设计道路横断面主要是通过“道路装配”实现。根据设计要求从道路部件库中选取边坡、路肩、绿化带、车道等部件，以组合形式共同组成一个标准的道路设计模型。当原始场地纵断面、道路设计纵断面、道路设计中心线以及横断面位置确定后，即可在原始场地曲面上自动采样，绘制道路土方施工图。通过设置采样线自动生成对应桩号的原始地形横断面图和道路设计横断面图。通过道路选项卡的“创建装配”创建出本工程主线道路的标准横断面，如图6所示。

图6 主线道路装配模型Fig.6 Main-line Road Assembly Model

5.2.3 创建道路模型

在“创建道路”选项卡中，在弹出的窗口中选择对应的道路路线、纵断面、道路装配、原始地形曲面即可生成由线条组成的道路设计模型骨架。应用Civil 3D计算道路土方工程量时，需通过道路设计曲面及原始地形曲面的对比才能完成土方工程填挖方量的计算。因此，还须在道路特性的曲面选项卡中添加道路曲面，生成道路设计曲面模型。本工程，道路开挖边坡与原始地形形成开挖线，原始地形与道路设计曲面结合较好，软件土方量计算较准确，满足后期工程量计算要求。

6 Civil 3D 道路土方工程计算结果对比——曲面体积法与断面法

采用Civil 3D 计算道路土方工程计算，简化了工程人员道路场地平整土方量计算的工作流程，提高工作效率。以本工程为依托，基于横断面法采用Civil 3D技术建立道路设计模型，土方计算结果如表1 所示。结合该工程的实际应用，将曲面体积法与断面法计算土方量与传统软件土方计算结果对比，对比分析结果如表2所示。

表1 Civil 3D断面法计算道路土方量Tab.1 The Calculation of Road Earthwork by Section Method with Civil 3D

从表2 可知：①本工程主线道路土石方工程中，Civil 3D 断面法、Civil 3D 曲面体积法与EICAD 软件计算土方工程量的差值百分比分别是-0.84%，-0.70%，0.47%和0.3%，均在2%以内，均满足道路土方量计算需求；②在道路工程土石方施工调配中，Civil 3D 断面法和Civil 3D 曲面体积法均体现出良好的适用性，Civil 3D 断面法更有利于图纸的表达，可采用断面法设计并计算土石方量，另一种方法复核。

表2 BIM技术土方工程量对比分析Tab.2 Comparast Analysis of Earthwork Quantity Based on BIM

7 结语

⑴基于BIM 技术的Civil 3D 断面法和曲面体积法，计算道路土方工程量的计算误差符合相关规定及工程设计施工要求。

⑵Civil 3D 软件道路土方量计算的核心是曲面，它的计算准确性取决于原始地形曲面、道路设计曲面的精度。原始地形曲面及道路设计曲面的准确性取决于三维地形数据精度，道路设计纵断面和横断面的准确性，装配的合理性。设计者应根据原始地形的复杂程度合理设置步长，采样线的设置间距等。

⑶本文以广州市花都区新华街北侧某城市主干道的主线道路工程为例，应用BIM 技术计算土方量及其土方调配，展示了Civil 3D强大的地形曲面数据计算能力，所有曲面、横断面、纵断面等均以动态方式链接，更改任一处的数据，与其相关联的数据亦会即时更新，提高工程人员的工作效率。