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在工程实例中浅谈复杂坡体的三维模型于简化土方量计算

时间:2016-07-01来源: 作者: 点击: 351次


  要:土石方工程是工程施工的一个重要分部,计算出其准确的工程量对施工前期部署及成本核算具有重要意义。涉及到多坡度、多设计标高、多施工区域的复杂地形时,传统的土石方工程量计算方法显现出耗时、费力、准确度差等明显劣势。本文将通过在一个工程实例中应用Civil 3d软件(AutoDesk公司开发的一款基于数字地形模型DTM)的面向土木工程行业的建筑信息三维建模软件),选取其众多强大的功能之一,快速、准确的完成复杂坡体的土石方工程方量计算,从而显著提高施工单位工作效率,进一步展示出三维数字技术能科学与便捷的辅助建筑工程各个阶段。

关键词:DTM,TIN,三维数字模型,Civil 3d,土方量计算

 

引言

土石方开挖平整场地是施工单位在进行实体项目施工前的第一阶段工作,在土石方工程施工前准确的计算出土石方工程量对施工单位的成本核算和前期施工部署具有重要参考价值。对于自然地形较平坦的场地,土石方开挖至设计标高,对应的土石方工程量,可以简化为一个或多个规则的几何体以计算其体积求得,而对于施工区域内分不同区,有不同的设计高度和多种坡度,比如依山而建的建筑群等,就无法进行常规的类似简化了。

1 针对复杂地形的传统土方工程量计算方法

目前,针对地形复杂起伏变化较大且不规则的地形,一般采用横断面法进行土方量计算。


1断面法计算土方量示意图

1为一渠道的测量图形,利用横断面法进行计算土方量时,可根据渠LL,按一定的长度L设横断面A1A2A3……Ai等。断面法的表达式为:

说明: http://image72.360doc.com/DownloadImg/2014/04/2410/41028801_2.jpg(1)

 在(1)式中,Ai-1Ai分别为第i单元渠段起终断面的填(或挖)方面积;Li为渠段长;Vi为挖(或填)方体积。土石方量精度与间距L的长度有关,L越小,精度就越高。但是这种方法计算量大,尤其是在范围较大、精度要求高的情况下更为明显;若是为了减少计算量而加大断面间隔,就会降低计算结果的精度;所以断面法存在着计算精度和计算速度无法避免的矛盾。这种传统方法有很大的局限性,那就是丢失了断面和断面之间的地形起伏信息,如果是在山区地形起伏很大的地方,这种方法计算的工程就会有很大的误差。

2 主流三维数字化模型计算原理

2.1三角网构建原理与优势

最直观的想法是将“设计曲面”和“地形曲面”直接进行曲面间计算,这种曲面计算的方法是最精确的,远比二维设计中常用的“断面法”、“方格网法”等准确得多,因为考虑了所有的地形起伏,没有丢失任何地形信息。随着数字三维模拟技术引入建筑工程,复杂坡体土方量计算有了新的解决方案:基于数字地形模型DTM,Digital Terrain Model)的不规则三角网(TIN,Triangulated Irregular Network)法。不规则三角网(TIN)是数字地面模型(DTM)表现形式之一,该方法利用实测地形局部点、特征点进行三角构网来进行实际地形的三维模拟(如图2、图3),对计算区域按三棱柱法计算土方(此计算过程全部由计算机自动处理完成)。


3 勘测数据点---连成二维三角网面---附加高程成为三维曲面

现基于不规则三角形网建模是直接利用地勘单位实测的地形特征点(离散点)构造出邻接的三角形,进而组成不规则三角网结构。与规则格网比较(如方格网),不规则三角网具有以下优点: 三角网中的点和线的分布密度和结构完全可以与地表的特征相协调,直接利用原始资料作为网格结点;不改变原始数据和精度;能够插入地形线以保存原有关键的地形特征,以及能很好地适应复杂、不规则地形,从而将地表的特征表现得更完整等。因此在利用TIN算出的土方量时就大大提高了计算的精度。

2.2三角网的构建

对于不规则三角网的构建一般采用两级建网方式,进行包括地形特征点在内的散点的初级构网。传统的TIN生成算法主要有边扩展法、点插入法、递归分割法等,以及它们的改进算法。在此仅简单介绍边扩展法。所谓边扩展法,就是指先从点集中选择一点作为起始三角形的一个端点,然后找离它距离最近的点连成一个边,以该边为基础,遵循角度最大原则或距离最小原则找到第三个点,形成初始三角形。由起始三角形的三边依次往外扩展,并进行是否重复的检测,最后将点集内所有的离散点构成三角网,直到所有建立的三角形的边都扩展过为止。在生成三角网后调用局部优化算法,使之最优。

2.3三角网法计算土方量

三角网构建好之后,用生成的三角网来计算每个三棱柱的挖填方量,最后累积得到指定范围内挖方和填方分界线。三棱柱体上表面用斜平面拟合,下表面均为水平面或参考面,计算公式(2)为:

说明: http://image72.360doc.com/DownloadImg/2014/04/2410/41028801_23.jpg2

如图4所示,说明: http://image72.360doc.com/DownloadImg/2014/04/2410/41028801_24.jpg为三角形角点填挖高差;说明: http://image72.360doc.com/DownloadImg/2014/04/2410/41028801_25.jpg为三棱柱底面积。

说明: http://image72.360doc.com/DownloadImg/2014/04/2410/41028801_26.jpg

一个三角网单元格土方量计算示意图

3工程实例应用

3.1工程概况简介

我司在重庆地区承接的和记黄埔杨家山13号地块总承包工程位于重庆市南岸区杨家山片区,该项目由173F34F建筑物组成,依山而建,并呈阶梯状排布,总用地面积约63000平方米,本工程按室内设计标高、环境标高整平后,将形成最高34.50m的岩质环境边坡和最高19.90m的岩质基坑边坡,工程重要性等级属一级,场地(复杂程度)等级和地基(复杂等级)均属二级。场地原属丘陵缓坡地貌,整体呈一斜坡地形,拟建建筑物范围地面最高处高程为301m,最低处高程为215m,相对高差为86m。地形坡角一般在425°,局部达到30°。

3.2建立三维原始地形图

根据设计单位出具的项目总平面图(原始地形勘测标高和设计标高均在总平面图中均有标示)结合勘察单位出具的勘探点测量表(图5),首先将原始地形图中标有大量勘探点的CAD图导入Civil 3D 2015,利用在x轴、y轴(确定勘探点位置)以及z轴(确定勘探点高程)均含有数据的“点集”自动生成“曲面”(以不规则三角网(TIN)表示),模拟出原始三维地形图(图6)。

5 勘探点测量表(部分)

说明: 原始地形曲面.png

6 Civil 3D下通过不规则三角网(TIN)模拟13#地块原始三维地形

 

3.3建立三维设计地形图

根据设计总平面布置图中各个施工区域位置及设计标高,通过Civil 3d软件中的“放坡”功能来创建“设计曲面”。如图7所示(本例示意图中只建立了大部分多层和高层建筑物区域的设计地坪,未涉及到非建筑区域场地及道路放坡)。

说明: 完成曲面.png

7Civil 3d软件下通过“放坡”功能模拟出13#地块设计场平三维地形图

 

3.4土石方工程量计算

软件计算原理:

Civil 3d软件利用“地形曲面”和“设计曲面”这两个三维模型结合在一起(图8),形成一个新曲面,此曲面便是具有了挖填关系的三维模型,再通过计算新曲面体积,软件自动生成出挖、填方量。

8 通过Civil 3d软件创建的放坡曲面(设计地面)与地形曲面(原始地形)相交所形成的土方挖填关系示意图

  软件计算结果:

  图9为软件“放坡体积工具”中选取“设计放坡”后快速统计出的挖填土方量以及净挖方量。

9 Civil 3d软件在“放坡体积工具”中统计出实例工程的土方挖填方量

 

在“放坡体积工具”中计算出的土方量未考虑挖填土方的松散系数和压实系数,此两项参数可在“设计曲面特性”的“体积面板”中输入,如图10所示,最终完成针对复杂坡体的土石方工程量计算。

10 Civil 3d软件在“曲面特性体积面板”中修改松散、压实系数后调整计算出实例工程的土方挖填方量

4结语

如今,建筑信息模型技术已经全面应用于建筑行业的各个阶段。针对项目设计及施工前期的大型土方工程三维数字地形模型技术,能够很好的帮助项目团队更加高效地设计、分析和可视化项目,其相关软件如Civil 3d内置的地理空间和坡度排水分析、工程算量以及三维可视化工具,可以帮助土木工程师在实际建造项目前探索假设情景,优化项目性能,快速掌握项目相关数据,为方案决策提供准确的数据支持。这一项专为土木工程专业用户打造的建筑信息模型解决方案,正引领着现代建筑行业进入新的数字化里程时代。


 

参考文献:

【1】       Autodesk Civil 3d 2015,帮助文档.

【2】       刘振东.2014.不同地形坡度下各种土方量计算方法的比较研究,测绘与空间地理信息, 201412

【3】       季朝亮,李宗聚,马学民.2010.关于几种土方量计算方法的研究,测绘与空间地理信息,333):220-226.

【4】       陈秋枫,罗德仁.2003. 横段面法土石方计算的精度分析,江西测绘,50 (3) : 4344.

【5】       李志林等,2001,数字高程模型[M ],武汉大学出版社.

【6】       李殷,朱益虎.2006.DTM在土方计算中的应用,地矿测绘, 22(4)3336.

【7】       慕永峰,朱昌永,李建. 2000.三角网结构DTM的土方计算及应用[J],测绘工程, 9(1)5256

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