基于BIM与三维实景的机场跑道土方工程量测算方法研究

张昌文 王 艳 周 诚

(1.华中科技大学 土木与水利工程学院，武汉 430074； 2.武汉市市政建设集团有限公司，武汉 430023)

引言

随着我国社会经济的高速发展，土木工程行业进入了一个全新的发展时期。土方工程作为土木工程施工中主要的工程之一，存在于大大小小的工程项目中[1-2]。现阶段，土方工程量的测算可分为工程测量及数据计算两个步骤。工程测量基本采用人工的方式，数据计算过程复杂，因此，整个工程量测算工作面临工作时间长、工作过程复杂等问题。

近年来，BIM技术发展迅速，张凤林等在维拉纳国际机场改扩建工程中，以BIM技术为引导，对道面土方工程施工进行过程质量控制，最终实现工效的提升以及工期的缩短[3]； 王文涛等利用BIM技术对大型场地平整工程量进行计算并为土方调运工作提供依据[4]。

实景建模技术也被频繁地应用于智慧城市、工程施工及地理测绘等不同场景中。魏曦等基于三维实景建模，构建城市公共安全三维实景模型基础数据，实现城市公共安全管理[5]； 李鲁峰利用多旋翼无人机，采集施工现场三维模型，提出每日施工进度控制方法，实现对施工现场的动态进度、安全监控[6]。

目前，一些研究将BIM技术和实景建模技术相结合，在土方工程中进行相关应用研究。黄河等采用BIM技术创建路基结构模型，融合数字地表模型，获取路基土方量[7]； 胡滨等基于三维实景和BIM模型，在运筹学线性规划数学模型的基础上计算土方调配方案[8]； Sun等人利用BIM软件结合DEM实景模型，对土方工程量进行自动计算，进一步研究计算产生的误差，并对实际算例进行现有方法的验证[9]。

本文结合目前先进的BIM技术和三维实景建模技术，针对传统测算方法的不足，提出了基于BIM与三维实景的机场跑道土方工程量测算方法。该方法能够快速准确地实现对机场跑道土方工程量的测算，有效解决传统测算工作中存在的工作时间长、过程复杂等问题，在提升工作效率的同时还能为项目提供准确丰富的数据信息，辅助工程决策，确保整个工程的顺利完成。

1 三维实景模型建模及处理方法

三维实景模型的构建是为了能够记录工程现场的实际施工状况，并结合BIM模型对土方工程量进行测算。在土方工程施工过程中根据设计方案去测算土方开挖及填筑的工程量，测算的同时也能为进度、成本等计划文本的编制提供参考。

1.1 三维实景模型建模方法

目前，针对工程项目进行实景数据采集主要分为无人机数据采集、激光雷达数据采集和全站仪联合GNSS-RTK数据采集，三种采集方式的原理及优缺点如表1所示。机场跑道土方工程施工范围较大，经过实地踏勘，工程现场没有较密集的植被遮挡，因此经过综合比较三种数据采集方法，拟选择无人机数据采集方式。

表1 实景数据采集方式

通过无人机采集到的倾斜影像，运用Bentley公司的ContextCapture软件进行三维重建，生成工程所需要的三维实景模型[10]。在模型生成阶段，将所有模型的空间参考系统设置成统一坐标系，使得不同时期采集所生成不同模型的原点坐标均相同。通过此方式，能够解决后期模型配准的问题，形成流程化的工作步骤，提高工作效率，最终生成的三维实景模型如图1所示。

图1 三维实景模型

1.2 三维实景模型与BIM模型的处理

三维实景模型与BIM模型属于两种不同的模型形式，需要对BIM模型进行处理，使得两种模型能够处在同一坐标系下，方便后续的相关操作。

首先，将BIM模型导出为FBX格式，FBX文件格式为目前通用的3D文件格式，支持主流的三维模型软件，选择使用CloudCompare软件对模型进行处理[11]。在CloudCompare中分别打开FBX格式的跑道设计模型和三维实景模型。图2(a)中下方绿色为跑道的BIM设计模型，上方为施工实景模型，由于两模型并不处在同一坐标系下，因此需要对两个模型进行配准处理，使得两个模型能够处在同一坐标系下。由于BIM设计模型与实景模型间，能够找到的相似的点较少，且相关配准阈值较难设定，配准效果较差，因此，选择手动选点的方式对两模型进行配准处理，完成配准的设计与实景模型如图2(b)所示。

(a)未配准模型

2 机场跑道土方工程量测算方法

土方工程量测算需结合三维实景模型和BIM模型，三维实景模型的主要表现形式为点云模型和网格模型。点云模型是三维实景建模技术的基础，因此选择点云模型，并称其为实景点云模型。土方工程量测算包括模型加载、模型裁剪及测算参数设置。

2.1 实景点云及BIM模型加载

在CloudCompare软件中，加载实景点云模型和BIM模型，如图3所示。两种形式的模型已置于同一坐标系下，需将BIM模型转换成点云模型，在转换过程中需选择合适的点云密度，保证模型中点的数量，且计算机能够加载运行。通过Edit-Mesh-Sample Points功能，采集BIM模型上的点，选择采集方式为按密度采集，点的采样密度为0.05m，即每平方米的模型中包含400个点，模型中的点的数量较多，且计算机能够加载运行，由此生成的模型称为设计点云模型。

图3 加载实景点云模型和BIM模型

2.2 模型测算区域裁剪

将两个模型相叠加，剪切出需要进行测算的部分。在CloudCompare软件中，同时选中实景点云模型和设计点云模型，通过Edit-Segment功能，将需要测算的区域裁剪出来，经过裁剪处理后，每块模型中均包含约四百万个点，裁剪后的实验模型如图4所示。

图4 裁剪后的模型

2.3 相关测算参数设置

(1)设置底部、顶部模型

在CloudCompare软件中，同时选中实景点云模型和设计点云模型，通过Tools-Volume-Compute 2.5D volume功能，对选择的两模型进行工程量测算，如图5所示。根据测算要求，设置底部(Groud/Befor)、顶部(Ceil/After)模型，例如正在进行第二层级配的施工，若需测算较第一层级配增加的工程量，可将第一层级配对应的设计点云模型设置为底部模型，将正在施工的实景点云模型设置为顶部模型。

图5 测算参数设置

(2)设置合适的划分密度

划分合适的测算部分的密度，确定每一测算部分基底的尺寸及每部分中包含模型点的数量，并记基底面积为A，如图6(a)所示。不同划分密度包含不同数量的模型点，要在保证计算参与率的同时，控制测算误差。在软件测算窗口中，Grid-step所对应的数值，即为每一测算部分基底的边长，如图5所示，边长的平方记为基底面积A。不同划分密度对应的计算参与率如表2所示。经测算验证，当测算部分划分的边长为0.16m时，即划分密度为每块测算部分中包含10个模型点，在保证划分密度最密的情况下，测算参与率可达到99.9%。

(3)设置合适的近似高度

计算底部到顶部的高度，记hi为底部到顶部的高度，如图6(a)所示。由于每一测算部分包含底部模型和顶部模型中的若干模型点，确定底部到顶部的距离有不同的选择，可以选择计算该部分内所有点的平均高度作为该块区域近似平面的高度值，也可选择最低点或最高点的高度作为近似平面的高度值，如图6(b)所示，不同的高度近似值会对结果产生不同的影响。在软件中，对应的Grid-cell height中可选择的minimum height、average height和maximum height三种不同的近似高度计算方式，如图5所示。在实验场地中，将近似平面的高度分别设置为最低点高度、平均高度和最高点高度，将不同高度的测算结果与使用高精度仪器所测算出的结果相比较，测算结果的相对误差如表3所示。经测算验证，在将测算高度设置为平均高度时，相对误差最小，测算误差可以控制在1%以内。

(a)底部、顶部模型及划分密度 (b)不同近似高度设置图6 土方工程量测算原理

表2 不同划分密度对应的计算参与率

表3 不同测算高度对应的相对误差

(4)提交测算

已知基底面积为A，底部到顶部的距离为hi，因此，可根据计算公式(1)测算土方工程量。在CloudCompare软件中点击Update进行工程量的测算，测算出土方工程量，测算结果生成在Results栏中。

(1)

3 机场跑道土方工程量测算应用实例

本章节以实际工程中的机场跑道土方施工为例，对土方工程量进行测算，并针对测算结果进行分析。在实际应用过程中进行了若干次的数据采集及测算工作，本章节仅选择有代表性的工程量测算过程进行说明。

3.1 第一层级配施工期间

在第一层级配施工期间，将素填土路床设计模型作为底部模型，分别将9月30日实景模型和10月9日实景模型作为顶部模型，进行土方工程量测算。从9月30日到10月9日，该块场地基本完成了第一层级配的施工。

9月30日施工场地的素填土路床基本施工完成，但与设计要求相比，9月30日实景模型多填筑的土方量为154.86m3，需继续填筑部分的土方量为132.20m3。测算图中黄色偏红的部分较设计模型面高，需将多余的土体进行处理，测算图中蓝色部分较设计模型面低，需将低处进行进一步填筑，以满足设计模型要求，测算结果如图7(a)所示。

10月9日，施工场地中大部分土体均经过压实处理，整体较设计模型新增土方量为2 249.03 m3，测算图中红色部分需进行换填处理，因此，该部分需继续进行压实处理。图中下方绿色部分由于需要进行边坡堆砌等工作，因此未进行土体填筑，造成实际增加土体较第一层级配层工程量少，测算结果如图7(b)所示。

(a)9月30日测算结果

由于10月2日到10月7日间不断降雨，造成了施工的停滞，10月8日到10月9日天气放晴，故加快了第一层级配的施工。由于10月9日实景模型数据采集时间在上午，而10月9日整天的施工速度又较快，故导致测算出的土方工程量较实际工程量要少。

3.2 第二层级配施工期间

在第二层级配施工期间，将第一层级配设计模型平面作为底部模型，分别将10月10日实景模型和10月19日实景模型作为顶部模型进行土方工程量测算。从10月10日到19日，该块场地基本完成了第二层级配施工。

10月10日，施工场地开始第二层级配的摊铺，整体较第一层级配碎石层设计模型新增土方量为2 994.05 m3，测算图中绿色偏黄的部分多为新增的土体，且仅使用推土机进行推土，未进行压实处理，此外测算图中还存在偏红的部分，是运输车辆卸下的土堆，尚未进行摊铺处理，图中深绿色部分显示较设计模型低，需进一步进行填筑以达到设计模型要求，高度在0.15～0.3m间，土方量约为79.25 m3，测算结果如图8(a)所示。

10月19日，施工场地整体较第一层级配碎石层设计模型新增土方量为2 060.20 m3，新增土体高度集中在0.16～0.23m，与设计要求相符。由于10月13日到10月16日间不断下雨，因此暂停了施工。10月17日至10月19日，天气放晴，继续进行第二层级配碎石层的振动压实工作。从19日测算图中显示，压实效果良好，基本完成第二层级配碎石层的施工，测算结果如图8(b)所示。

(a)10月10日测算结果

3.3 第三层级配施工期间

在第三层级配施工期间，将第二层级配设计模型平面作为底部模型，分别将10月21日实景模型和10月24日实景模型作为顶部模型进行土方工程量测算。从10月21日到10月24日，该块场地持续进行第三层级配的施工。

10月21日施工场地进行第二层级配碎石层的压实工作，因此整体较第二层级配碎石层设计模型新增的土方量要少，在测算图中蓝色部分靠近排水沟，一直未进行土体的摊铺，其相较于第二层级配高度低约0.6m，此部分土方量约为349.46m3，测算结果如图9(a)所示。

(a)10月21日测算结果

10月24日，施工场地正进行第三层级配碎石层的摊铺，整体较第二层级配碎石层设计模型新增土方量为1 675.64 m3，测算图中偏黄且较为规整的部分为新增土体，且振动压实工作在持续的进行当中，新增土体高度在0.24m附近，须达到设计模型要求的0.2m，仍需继续进行振动压实处理，测算结果如图9(b)所示。从10月24日起，陆续完成该部分第三层级配碎石层铺设工作。从10月31日起，持续进行第三层级配碎石层的振动压实工作，并针对局部土体进行换填处理。

4 结语

本文以某机场跑道土方工程为例，对土方工程量测算进行了相关研究，通过建立BIM模型和实景模型的方式，结合实际工程案例对土方工程量进行测算，得出以下结论：

(1)使用参数化的建模方法能够快速准确建立机场跑道土方工程BIM模型，为进度、成本等计划文本的编制提供参考；

(2)使用基于无人机的三维实景建模方法，能够准确采集施工现场数据，快速建立施工现场三维实景模型，记录工程现场的实际施工状况，并结合BIM模型对土方工程量进行测算；

(3)本文提出的方法能够在实际的工程中进行应用，基于设计和实景模型对土方工程量进行测算，测算误差可以控制在1%以内，且能够反映实际施工情况与设计要求间的差异，为施工方案制定提供依据，解决传统测算方式中存在的问题，并为项目提供更为准确、丰富的数据信息，辅助工程决策。