复杂地形公路工程项目土方调配优化研究

翟锐涛

（邯郸市市政工程管理处，河北 邯郸 056000）

土方调配[1]是工程建设基本组成部分，尤其在道路、堤防、矿区等需要大面积开挖、填埋和运输土方的工程建设中，就显得尤为重要。土方调配即土方分配工程，是指在施工过程中为了形成水坝、地下洞室、路基等具有特定物理和空间属性的建筑物，而对土方进行开挖、填埋、运输的过程。

土方调配在优化过程中应满足工程进度和质量安全要求，通过科学合理的方案调整并安排开挖区、填方区、取土场、弃土场的调配关系，达到降低工程成本的目的。

BIM（Building Information Modeling）即建筑信息模型[2]，它汇集了整个建设工程项目的相关信息，并以三维数字信息的形式通过建立起真实的数据模型进行表达，也是BIM数字建造技术在建设施工中的直接应用，大大提高了设计方和施工方协同工作的效率。同时，BIM技术凭借其强大的可视化、模拟性等优势，能够对施工过程进行提前预演，通过解决模拟过程中出现的问题，显著提高效率，减少重复施工，降低风险。本文试图将BIM技术与GIS技术相结合，通过建立土方工程场地三维信息模型对施工过程进行科学合理的优化，得到经济高效的土石方调配方案，降低施工成本。

1 土方调配步骤

土方调配工作比较复杂，调配方案直接影响着公路工程项目的成本。因此，项目施工方应当严格按照方案步骤进行施工作业[3]。公路工程项目土方调配步骤如图1所示。

图1 土方调配流程

1.1 调配区域划分

首先划分需要调配的土方区域，调配区域的划分要注意：①划分的调配区域的与项目的施工平面布置相协调，并应合理布置前期施工区域与后期施工区域；②当土方运输距离较远，在尽可能满足挖填平衡的基础上可以考虑在项目附近借调或者废弃土方，此时借土（弃土）区作为独立的调配区域设置；③在计算土方工程量时，应根据不同范围的调配区域使用合适的方格网；④选择合适的施工机械来满足不同调配区域的实际施工需求，提升施工机械的使用效率[4]。

1.2 计算各调配区的运距

各调配区的运距可以简化计算为各调配区重心之间的距离，计算公式如下：

式（1）—（4）中：Xw、Yw为调配区（挖方）的重心直角坐标；Vw、VT为单一方格区域的土方量；xw、yw、xT、yT为单一方格区域的重心坐标；XT、YT为调配区（填方）的重心直角坐标。

施工时应考虑不同地形地貌，当局部地形地理特征比较复杂时，如何找到各调配区域的重心位置就显得十分困难。在这种情况下，各个调配区域的重心位置可以考虑运用作图法求解[5]。

当求出调配区域重心坐标后，填挖土方调配区的平均运距（L0）可按下式计算：

1.3 土方调配最优方案的编制

土方调配方案编制完需要进行方案的优化，土方调配方案的优劣直接影响工程项目的成本[4]。土方调配方案优化时，首先根据施工现场的实际情况对该现场进行整体规划，然后建立基于BIM的土方调配数学模型，其次可将土方调配的现场规划问题转换为线性规划的数学问题，此时可用大M法、单纯形法或计算机软件等方法对其进行求解计算，最后得到优化后的土方调配方案[6]。

2 土方调配优化

土方调配优化主要进行以下工作：①根据施工现场的实际情况对该现场进行整体规划，并在此基础上对施工场地进行划分，并初步确认填方区、挖方区等划分区域的有关参数信息；②利用无人机倾斜摄影技术拍摄多角度影像并将影像导入BIM软件中生成三维场地模型，通过对三维数字模型进行分析计算得到场地内挖、填方区的土方量；③平衡各区域需调配的土方量，选定合适的弃、借土区域；④在土方调配科学合理的前提下，依据大系统理论中的分解协调方法将施工场地的所有区域划分成为一个个单独的子区域，并保证各个子区域间的填挖平衡；⑤考虑资金周转、施工人员情况以及施工机械准备等多方因素，结合上述数据编制经济高效的施工进度计划和施工工艺流程，杜绝窝工、返工等现象的发生[7]。施工现场如图2所示。

图2 施工现场图

由于山区地形崎岖，沟壑纵横，高低起伏巨大，常用的计算方法无法满足要求。因此本工程通过BIM中的三维模型的建造技术与GIS中无人机倾斜摄影技术相结合的方式，将拍摄下来的山区地形影像通过Agisoft Photoscan生成三维数字模型，并导入到在Auto Desk Revit中来完成填挖土方量的计算。三维建模流程如图3所示。

图3 三维建模流程图

无人机倾斜摄影技术作为一项新型技术在当前国际测绘遥感领域中得到广泛的应用[8]。在拍摄过程中，正片是指垂直于地表水平面的角度对目标拍摄获取的影像，一般为1组影像；而斜片是指传感器与地面的水平线成一定的倾斜角度拍摄获取的影像，一般为4组影像。之后将拍摄完毕的影像导入到一种名为Agisoft Photoscan的扫描软件中。Agisoft Photoscan工作流程如图4所示。

图4 Agisoft Photoscan工作流程图

对齐照片：根据地理信息的不同将拍摄的影像进行归类划分。

建立密集云：利用扫描软件Agisoft Photoscan强大的计算功能来分析点与点之间的关系。

生成网格：依据函数关系连接各个点，从而建立3D模型。

生成纹理：依据建立密集云的数据，将内部结构和外部图像进行分配以形成初步的3D模型，并且呈现在Agisoft Photoscan。

将Agisoft Photoscan软件生成的场地地形三维模型导入至Revit软件中，利用Revit地形和场地模块建立场地三维模型。土方三维模型如图5所示。

图5 土方三维模型图

然后根据软件的计算结果，将施工区域合理地划分为多个子区域，通过大系统理论中的分解协调方法，分别对各个子区域进行土方调配并得到所有子系统的最优解[9-10]。之后多次重复该步骤，最终得到整个区域的最优解。对整个区域划分后的子区域土方填挖信息如表1所示。

表1 土方量填挖信息

本项目土方施工选用小松PC300型挖掘机、SYM3311ZZX1F工程自卸车。

挖掘机生产效率计算公式为：

式（5）中：Qh为挖掘机的生产率，m3/h；q为挖掘机容量，m3；k为挖掘机利用系数，取0.95；t为挖掘机一次挖土时间，s。

设挖掘机台班生产率为Qd，单位为m3/台班，其计算公式为：

式（6）中：Kb为完成挖掘所需工作时间的利用系数，取0.8。

由此可得，PC300型挖掘机一次挖土容量为1.2 m3，因此台班生产效率为：

PC300型挖掘机挖方单价的计算：PC300型挖掘机台班价格为3 300元，因此挖方单价为ve=3 300/1 641.6=2.01元/m3。

自卸汽车台班效率计算公式为：

式（7）中：qc为自卸汽车的车厢容量，m3；K为自卸汽车在装填过程中将土压实所需添加的换算系数，计算公式为K=Kc/Kp，其中Kc为土的充盈系数，Kp为可松性系数。

T为自卸汽车每次运土需要的时间，单位为min，其计算公式为：

式（8）中：t1为将土填满自卸汽车车箱需要的时间，min，计算公式为其中n为将自卸汽车车箱填满需装斗数，n0为每分钟挖掘斗数，此处t1值取5；l为车辆在土方调配过程中需要行驶的距离，m；v为车辆填满土后行驶的平均速度和空载情况下车辆行驶的平均速度的平均值，m/min；t2为每次自卸汽车将土卸完需要的时间，min，此处取值2；tn为车辆在工作过程中必要操作所需要的时间，min，此处取值2。

本工程使用的自卸汽车的容量为20 m3，故其台班效率如下：

计算运输单价：vl=1 860/576=3.22元/m3。

计算出由5号区调配至13号区的土方调配单价为：C=ve+vl+vt=12.95元/m3。

3 结论

本文给出了复杂地形下公路工程项目土方调配方案优化方法。首先，在理论上，现代方法更科学、更准确。其次，企业可以通过基于建立的土方计算模型进行预测来节省很多人工计算。把计算结果交给计算机可以节省时间、精力和方便成本控制。再次，基于建立的模型预测结果的计划和控制具有很强的指向性，不仅能够减轻管理人员的负担，同时也能够增强项目管理标准以及提高管理人员专业水平。总之，运用现代方法解决公路工程土方调配问题具有非常广阔的应用前景。