基于BIM技术的公路工程精细化土方量计算方法研究

王东亮,汪 军,苏俊龙,康雨嘉,范林红

(四川省公路规划勘察设计研究院有限公司 成都市 610041)

0 引言

土方量对公路工程设计方案比选、预算控制,以及建设过程中的进度控制、成本控制、结算支付等都有着较大影响。公路工程一般呈狭长带状,涉及范围广,丘陵山区地形起伏较大,精准、快速计算其土方量难度较大[1-3]。

公路工程土方量计算主要取决于两个方面,首先是获取地形数据的精度,然后是精确的计算方法。获取地形数据方面,传统的测量方式一般精度偏低,耗费大量的人力物力和时间。测量工作受现场条件限制较多,部分依赖人工操作,对于高山、峡谷、陡坎、深沟等地形起伏较大、植被覆盖层较厚的区域往往无法保证地形数据的精度。此外,当测绘数据来源不唯一时,传统手段很难快速对大量不同数据源的地形数据相互校核,造成数据浪费,降低数据的可靠度。针对经纬度跨度较大的公路工程,其平面坐标系到球面坐标系的转换也影响土方量的计算精度[4]。土方量的计算方法方面,公路工程中传统的计算方法有平均断面法、梯形断面法、方格网法等。这些传统方法均通过对填挖方体和地形数据的简化来粗略估计两断面或方格内的填挖方体,由于实际填挖方体为不规则三维体,其计算精度很难控制,尤其是地形变化较大、路线跨度较长的项目。传统公路设计采用二维设计表达三维的线性工程,也是影响土方量计算精度的因素[5-6]。

BIM技术在公路工程设计中相对于传统的设计手段具有精度高、可视化、智能化、高效化等巨大优势。针对公路工程土方量计算中存在的问题,文章从地形数据获取和土方量计算方法两个方面进行研究,提出了基于BIM技术的公路工程精细化土方量计算方法。

1 地形数据获取

1.1 多源高精度地形数据获取

高精度的地形数据是土方量计算的前提。针对公路工程一般呈带状的特点,载人飞机或无人机携带高精度相机、GPS定位系统、LiDAR、激光雷达等数据采集设备进行航飞作业,辅以便携式设备,如手持GPS设备、经纬仪等,其测绘地形数据成果为等高线、高程点、点云数据、实景模型等,多种测绘方式对比如表1所示。

表1 多种测绘方式对比

各种测绘方式各有利弊,测量时根据当地气候状况、技术条件、工期要求、精度要求等选择一种或多种技术进行组合,保证测绘成果的质量。

1.2 多源地形数据融合

单一数据来源的地形数据存在一定问题。首先,单一数据来源中的测量误差和系统误差很难被发现,容易累积。其次,缺少其他来源的数据验证,可靠度不够高。另外,对于公路工程而言,设计方案的调整,如路线方案、互通方案或取弃土场调整等,都可能出现设计范围超出原有地形数据范围的情况。这种情况需要对超出的小范围地形进行补测。当原地形数据采用航测等适合大范围一次测量的方式时,由于该方式不利于小范围地形的补测,一般采用其他适合小范围测绘的方式。重大公路项目一般周期较长,初步设计阶段测地形数据可能部分已经改变,或精度达不到要求。到了施工图阶段,需要对重点区域、重点工点地形数据进行复测,如隧道洞口、路基断面、桥、取弃土场等,以满足数据精度的要求。多次测绘、多方式测绘必然涉及到多批、多源数据的融合问题[7-8]。

多源地形数据的融合,需要充分考虑多种、多批地形数据的精度、数据格式和特点,以高程控制点为主要依据,通过可视化、设置误差值等方式,剔除高程突变等位置的地形数据,最后通过数值拟合的方式将多源数据进行重新融合。多数据来源的地形数据可相互验证、相互校核,进一步提高地形数据的可靠度[9-10],多源地形数据融合流程如图1所示。

图1 多源地形数据融合流程图

2 设计模型准备

基于高精度的地形数据,计算土方量还需要专业的设计模型。设计模型需要一款能够建立高精度三维公路设计模型、支持公路工程专业设计需求,同时能高效处理多源类型数据的软件工具。通过深入对比各个公路BIM软件,文章以Bentley的Open Roads Designer软件为例。

2.1 专业模板定制

专业的公路通用模板是建立高精度的公路工程设计模型的前提。利用Open Roads Designer软件,通过创建组件、末端条件、点约束、参数约束等功能,创建项目通用模板。

根据道路标准横断面、路面设计图,创建主线、匝道、改路等不同路面的标准模板,适应每个版块宽度和横坡的调整。对于匝道鼻端处的路面,路面标准模板库还支持道路脊线的设置,保证和设计完全一致。根据道路一般设计图中边坡坡高、坡率、平台宽度等尺寸特征,参照挡土墙设计、排水设计的通用图,结合横断面设计图中边坡设计、挡土墙等构件的具体尺寸,建立边坡、排水、挡墙的标准模板库。最后对模板进行测试,以保证适应当前项目的所有横断面设计需求。对于一些构造特殊的复杂构件,通过二次开发的模板创建工具,实现更加复杂的模板定制。最终,经过多条高速公路施工图项目的检验,积累形成了精度高、使用方便、适用范围广的模板库。

2.2 精细化的设计模型

传统二维设计仅能表达构造物的平面信息或立面信息,对于复杂三维的线性道路工程,很多细节无法表达。利用Open Roads Designer软件模板,建立结构物模型,可真实反映工程建成的精确信息,实现“所见即所得”。

(1)通过二次开发工具辅助建模,如图2所示,导入或创建路基、桥梁、隧道的分段信息,以及路线、超高、加宽等信息。根据设计文件中的详细信息,引用相应段落的路面模板,并添加超高、宽度信息的参数约束,快速生成路线和路面等三维模型,速度快,效率高,减少了繁琐的手动操作并保证了精度。

图2 二次开发辅助建模工具箱

(2)建立精细的路基边坡模型。创建挡土墙等支挡防护组件,可按要求进行任意组合,边坡坡高、坡率、级数可按设计意图进行调整,挡墙等构造物可在三维可视化的界面中交互式放置,直观快捷。通过调整廊道放置的间距等参数来调整模型的设计精度。

(3)创建精细的细部构造。桥台锥坡、桥下清方、场坪、取弃土场等构造物利用纬地等传统二维设计软件很难精细化的表达。复杂边坡、匝道边坡相交、上穿下跨边缘等位置,只能留给现场灵活处理,对应的土方量只能大概预估。设计中出于项目预算的考虑,设计人员都会对这些土方量进行一定的放大,导致设计土方量与实际相差更大。相对传统设计,利用BIM技术进行可视化、精细化设计,既保证设计图纸的质量,又保证了土方量的准确性。

3 三维土方体积计算方法

3.1 新建项目土方量计算

(1)体积计算方法更加精确。BIM技术采用三维精确的地形配合详细的结构物模型进行布尔运算,得到真三维的填挖方体,通过横断面查看器查询任意断面处的填挖方形状和面积,扣除路面铺装层范围,更加准确。

(2)体积计算方法更加多样。可灵活应对场坪到指定高程、地形到指定高程、旧路改造扩建、既有结构物扣除、任意断面方量计算等土方量计算相关需求。任意体均可设置特征,以计算其与地形之间的填挖方。建立地面原有的道路等地物,也可作为弃方体,选择重新换填或者忽略。

(3)土方量报告方式满足定制化需求。基于现有模型,可获取任意格式的土方量报告。除了传统的按每个断面出土方量报告,配合桩号分段来统计计算,还可按填挖方体、左右侧等精细化土方量统计。除此之外,对于换填等工点的特殊处置方式,还可自定义边界来计算填挖方的边界来统计工程量。

3.2 施工过程中土方量计量

采用BIM技术可进行施工过程中土方量的精确计算,解决土方工程计量支付中的精确性问题。

(1)单次计量。在施工过程中,通过高精度地形数据获取技术,获得计量前准确的地形模型,并与原地形模型进行布尔运算,得到已经施工的土方量。

(2)分期计量。对于大型土方工程,需要分次计量支付的情况,通过建立相邻两次计量时高精度三维地形模型,进行布尔运算,得出两次计量间隔内施工的精确土方量,为分期支付提供准确依据。

4 精细化土方量计算实例

以四川山岭重丘区某高速公路互通立交设计为例,该项目所在地区地形起伏较大,且互通路基侧设置了场坪,用以消耗隧道弃渣,故其土石方量利用传统的断面法很难精确计算。

该项目借助Open Roads Designer软件建立了融合DEM数据、倾斜摄影数据以及常规DWG地形图数据的地形信息模型以及结合施工图图纸建立的精细化道路三维模型,通过计算地形模型与设计模型之间的三维体来计算得出设计土方,并对传统方式计算的土方量与采用BIM技术计算的结果进行对比,对比结果如表2所示。

表2 土方量计算统计结果

通过对比结果可知,传统的土方量计算方法在地形起伏较大的山岭重丘区,特别是路基结合填方场坪进行设计时,精度往往无法满足要求。两者在单个匝道的土方量统计误差甚至接近10%,总体土方量误差约5%。因此,采用BIM技术进行精细化土方量计算具有较大优势。

5 结语

针对公路工程传统土方量计算的地形精度不高、计算方法粗放、计算精度低等诸多问题,提出了基于BIM技术的土石方量精确计算方法。

(1)通过多种地形数据采集方式进行原始数据采集,并对多源地形信息进行融合处理,不同来源数据相互验证,剔除误差偏大的数据,保证地形数据的精度,为土方的精确计算做好基础。

(2)在精确地形的基础上,通过二次开发工具,根据设计意图或设计数据,快速建立精细化的路面、边坡和细部构造模型。

(3)通过Open Roads Designer软件计算设计模型与地形之间的填挖方体,并对填挖方体积进行统计,得出精确的土方量数据。

通过工程案例,验证了本计算方法相比传统计算方法优势。该计算方法对于公路工程设计土方量预估和施工过程中的土方量进度控制均具有一定的参考价值。