土方工程中绿色节能施工方法的研究

高东亮

（陕西建工安装集团有限公司）

1 引言

土方工程涉及的施工内容比较多，包括场地平整、基坑开挖、基坑回填等主要工作，以及基坑支护、降排水等辅助工作，必须保证施工方案的科学性、合理性、可行性，同时兼顾绿色环保性，积极改变传统施工工艺，充分利用现代信息化技术，优化施工机械组合，加强碳减排分析，从各个环节出发，才能改变土方工程施工高能耗、高污染的问题。

2 绿色施工原则与要求

绿色施工是践行可持续发展理念的重要手段，围绕节水、节地、节能、节材与环境保护的目标，减少资源、能源消耗，降低施工活动对环境产生的不利影响。绿色施工的基本原则包括减量化原则、再使用原则、循环再生利用原则，减量化原则就是尽可能使用较少的资源能源投入完成生产任务，达到节能减排的目的，再使用原则就是尽可能延长产品使用周期，增加产品使用次数，减少重复生产带来的资源浪费和环境污染，循环再生利用原则指的是物品在使用后能够转化成可利用的资源，而不是不可用的垃圾，可以用来循环生产各类新产品。遵循绿色施工原则，在具体施工活动开展过程中，应该尽可能减少对场地的干扰，特别是在深基坑工程施工时，开挖方式、降排水、基坑支护都会对原有地质结构产生负面影响。尽可能节约水资源，减少环境污染，土方工程施工容易出现严重扬尘、噪音问题，需要着重采取有效的控制措施。机械化也是土方施工的主要特点，如何优化机械组合、加强机械能耗管理成为关键所在。随着信息技术在工程施工领域的应用，可以在方案优化、工程量计算、进度管理等方面实施可视化、精细化控制，为绿色节能施工理念的应用研究提供了更多思路[1]。

3 土方工程中绿色节能施工方法的研究

3.1 土方计算及调配

3.1.1 土方计算

土方工程量计算是施工方案编制、组织施工管理的基础工作，直接影响到最终的绿色节能效果。根据设计地面与原始地面相对高程，计算挖土体积或填土体积，经过适当的简化转换，就相当于数学课程中的几何体求体积，常用的计算方法有等高线法、断面法、方格网法、散点法等。在地形起伏较大的情况下，可以采用等高线法，通过分层计算棱台、棱锥体积，最终汇总成总体积。在纵向变化连续、横向变化不连续的狭长地形，可以采用断面法，沿着地形长度方向每隔一定距离取一断面，计算相邻两个断面的土方量，汇总得到总土方量。在地势相对平坦的情况下，可以采用方格网法，将地形图划分成若干方格，计算求得每个方格工程量后，汇总得出总土方量。以上这些方法相对比较传统，以人工计算为主，计算过程比较复杂，需要消耗大量的时间和精力，而且每种方法的适用情况不同，存在一定的局限性，计算结果难以保证。

利用BIM 技术进行土方工程量计算，通过建立三维地形模型，可以直观检验高程数据的准确性，减少人工纠错计算时间，有利于提高计算精度和速度。通过Revit软件创建施工现场地形表面模型，并将所有高程点改为设计标高，自动统计计算现有地形转换为设计地形所需要的工程量，软件中的建筑地坪功能可以开展土方开挖模拟施工，通过参数设置计算土方挖方量、填方量。通过创建土方计算方法库插件的方式也能够较好的解决问题。首先，编译土方工程量计算算法代码，明确各种方法的判定条件，生成方法库。其次，在Revlt 中导入地形图，获取相关数据参数，依据地形特征信息，判定土方计算方法，最终一键输出土方工程量，通过对比分析发现，这种方式不但能够避免烦琐的手工计算过程，而且相较于现有软件功能计算更加便捷、精准。

3.1.2 土方调配

土方调配的主要目的是更为经济合理地进行土方运输作业，以挖填土平衡为原则，组织开挖、运输、回填工作，实现更为精确的土方调配，能够达到更好的绿色节能效果。土方调配的主要元素有挖方区、填方区、弃土区、借土区、中转区、运量、运距等，在调配过程中，应该充分考虑全场与各分区的优化结合，合理设置分区线，实现挖填平衡和运距最短，优化运输线路、调配方向，充分发挥运输车辆和土方机械性能，避免出现重复挖填和运输的情况，尽可能与地下建筑施工相结合，缩减施工工期，降低施工成本。在进行土方调配时，首先要科学划分调配区，综合衡量地理环境、施工顺序、技术要求等相关方面，其次计算调配区之间的平均运距，最后编制土方调配图表，将土方调配问题转化为数学线性规划问题，通过表上作业法求得最佳土方调配方案。相对而言，这种方法操作更加方便，获得的结果更加准确，具有较强的应用价值[2]。

3.2 可视化施工控制

常规的控制方法主要依赖于施工进度计划，随着施工活动的不断开展，经常出现实际进度与计划进度不符的情况，施工碰撞问题、场地布置效果差、进度跟踪检查不及时等现象比较突出，有必要开展可视化施工管理。BIM 技术具有可视化的优势，利用三维信息模型，可直观展现施工现场布置情况。通过场地漫游功能，可以以第一视角检查场地内临时道路、材料堆放区、临建设施的布置是否合理，实现施工现场空间深度优化，通过碰撞检查功能。在可视化碰撞检查时，可自主定义碰撞类型，输出碰撞检测报告，并精准定位碰撞位置，及时针对碰撞点进行调整，解决各种硬碰撞和软碰撞问题。基于BIM技术编制施工进度计划，利用工作分解结构法，对土方工程进行工作分解，快速准确的计算各项施工内容工作量，初步估算施工工期，根据相互关系调整施工顺序，强化了模型构件与工序之间的信息关联，利用4D模型开展施工进度模拟，在三维可视化的视角下，观察土方工程施工过程，直观发现进度计划编制存在的不合理之处，实现施工现场场地布置时间上的深度优化。

3.3 土方施工机械管理

3.3.1 常规节能控制

土方工程施工需要依赖大量的机械作业，应该采用最优的场地平整、基坑开挖、基坑回填、边坡支护施工方案，摒弃高耗能、高污染的施工工艺，尽可能用最少的机械台班完成施工任务。加强机械设备的日常节能管理，积极选用节能、环保、绿色、高效的机械设备。淘汰一批落后设备，在满足施工需求的情况下，优化施工工序，调整公共机具分布，充分利用相邻区域内的机械设备，减少无效或低效作业。提高机械设备利用率，尽可能降低大功率机械设备的使用频次，机械设备的功率应该与负荷相匹配，加强运行状态实时监测，评估机械设备的节能效率，针对能耗较大的施工工艺环节，制定专门的节能措施。安排专人进行机械设备的养护管理，建立相关记录台账，保证机械设备能够处于良好的运行状态。积极使用绿色环保液体燃料，可以采用醇基液体燃料代替传统燃油，配置高效率施工机械，在完全燃烧的情况下，醇基燃料提供的热效率更高，而且来源广泛，排放量低，符合绿色环保理念。以上这些都是相对常规的施工节能机械管理措施，没有达到信息化、精细化管理的要求，可以在此基础上充分利用现代信息技术，展开更为全面的计算分析，准确评估施工机械能耗，为节能控制管理提供更为科学的依据[3]。

3.3.2 机械减排分析

根据相关标准规范和施工实践经验，每种机械设备都有一定的适用范围，比如，推土机的经济运距在100m以内，铲运机的经济运距在200m～350m之间，在编制施工方案、选择机械设备时，如何充分发挥不同机械设备性能、实现优化组合的效果成为关键所在，更多的是以经验为基础确定组合方案，难以实现量化管理要求，而不同的机械施工方案需要采用的工艺方法不同，最终的节能效果自然不同。从功能碳足迹比选的角度出发，构建施工方案碳排放计算模型，根据消耗量定额和工程量清单，确定施工机械台班消耗量，明确常用机械设备台班碳排放因子，计算机械施工碳排放量，汇总得到机械施工方案碳排放总量，实现方案比选的目的，也可以针对薄弱环节进行优化调整。土方机械施工会产生大量不同类型的过程信息，包括工程信息、机械信息、司机信息、现场信息等，按照数据结构的方式，也可以分为结构化数据和非结构化数据，这些数据中蕴含的巨大的价值，对于施工过程把控至关重要，利用计算机视觉技术进行机械施工过程信息自动化采集，通过目标检测算法，识别机械活动状态，采集相关数据信息，并将采集到的过程信息进行组织分析，用于生产率测算、费用测算等方面，发挥成本管控、进度管控的作用。

3.4 扬尘防治措施

扬尘是土方工程施工最为突出的环境污染问题，必须明确扬尘对人体健康、空气环境、生态系统产生的危害，明确扬尘的产生机理和扩散特征，采用洒水、喷淋系统、风障、化学抑制剂等多种措施，有效抑制扬尘的产生及扩散。根据土方施工阶段扬尘颗粒扩散特征和风场分析，在相同风力下，基坑越深，扬尘颗粒物扩散至围挡处的最高浓度越低，此时风速的影响相对较小，在基坑底部容易形成涡流，控制颗粒物逃逸，所以，随着基坑开挖工作的不断深入，主要的扬尘治理对象是土方运输环节，必须做好场地硬化、路面洒水、及时清扫工作，这样就能够明显减少扬尘污染。扬尘排放源高度越低，围挡的防扩散作用越明显，可以有效减弱场内风速，减少起尘，不过在风速不断增大的情况下，围挡的作用逐渐减弱，在施工过程中，应该充分发挥防风网的作用，合理设置围挡高度和范围，尽可能降低风的影响，将扬尘污染控制在一定范围内[4]。

4 结语

综上所述，加强土方工程施工阶段绿色节能措施应用十分关键，必须准确计算土方工程量，做好土方调配工作，避免重复的挖填、运输作业。同时，不断优化施工方案，科学编制施工进度计划，防止出现返工、窝工等情况，针对能源消耗量大的机械施工环节，除了做好常规节能管理，还要加强碳排放量分析，充分利用信息化技术，实现精细化管理的目标。