BIM技術在場地土方平整中的應用

王崇偉，李世晨

（中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津市 300074）

1 概 述

近年來國內基礎設施建設快速發展，隨著城市路網的建設，出現較多大型片區的開發，它們的面積小則幾千平方米，大至幾十平方千米。項目的總體方案以及總投資均與項目地塊的整體土方平整有著密切的關聯，可以說，一個項目地塊的土方平整的好壞將會影響整個項目的決策以及將來地塊使用。

本文工程新農至西中島公路（交流島至通水溝）在道路樁號K10+000～K18+000段需要對道路南北兩側地塊進行整平。整平范圍：東西方向長度為8 000 m，寬度為道路南側紅線（道路中線以南27.5 m）至規劃鐵路北側控制線（規劃鐵路中心線北側10 m）圍成范圍，寬度范圍為200～630 m，其中道路樁號K10+109.154～K10+999.134處為規劃海體通道、K12+795.200～K12+929.208、K13+570.561～K13+718.509處為規劃河。土方工程不含規劃海體通道、規劃河及規劃鐵路范圍，整平總面積約138萬m2，土方總量約600萬m3，如圖1所示。

2 工程地質條件

場地所處大地構造單元為中朝準地臺膠遼臺隆復州臺陷復州-大連凹陷中部西側。根據沿線地質調查和資料收集，勘察場地位于長興島-西三臺子-趙家屯構造帶西南端。根據勘察場地鉆孔揭露，場地淺層土體構成如下：

圖1 項目地理位置圖

（1）淤泥質粉質黏土(Q4m)。灰褐色，濕，軟塑。局部混粉砂，分布不均勻，呈透鏡體分布。層厚1.00 m左右，層底埋深1.00 m，層底標高-0.15 m。

（2）含碎石粉質黏土(Q4al+pl)。黃褐色，稍濕，可塑。碎石含量約占20%，成分為石英砂巖，粒徑在20～100 mm，呈次棱角狀。層厚0.5 m，層底埋深1.5 m，層底標高-0.65 m。

（3）土層凍結深度。場地所在地區土層標準凍結深度為0.95 m，最大凍結深度為1.20 m。

根據場地工程地質條件分析，軟弱土層及凍土可能對土方計算有影響。

目前計算土方量的方法很多，伴隨著新技術的不斷出現，如何利用現場測出的地形數據快速、準確、高效、輕松地計算出土方量結果，就成了人們日益關心的問題。而隨著建筑信息模型技術（BIM技術）的出現，土方量計算有了新的更為快捷的途徑。本文將論述該項新技術應用于實際工程中，探討出該技術在土方平整計算中的實用性。

3 BIM技術特點

（1）可視化。所見即所得，這在過去設計中是不可實現的情況。最初的可視化借助于第三方公司，通過重新建模、渲染后輸出圖片或視頻內容來展示設計內容，此方法耗時長，且設計參數的修改將引起巨大的工作量以及財力、人力的浪費。BIM下的可視化可令設計者在項目初期可直觀、便捷地與項目所有參與方進行溝通、討論。項目進行中，可視化也可幫助設計者從直觀上更加了解自己的作品，且能及時規避不必要的錯誤。

（2）協調性。一個項目的正常運作需要建設方來協調設計單位、施工單位等。設計單位需要協調自己部門的各個專業，如項目龐大，還需要協調兄弟單位的各個專業。施工單位需要協調材料供應、施工人員管理等。且隨著項目的綜合性、復雜性的提高，需要協調的內容越多。BIM旨在減輕管理者的協調負擔，減少設計人員因協調不及時產生的錯誤，避免施工單位因協調產生的不必要的資金浪費。

（3）模擬性。模擬性在BIM系統中不再是簡單的生成建設方案模型，而是對從項目建設過程的模擬、項目建成后運營的模擬、突發事件的模擬等。

（4）優化性。有了上述三大特點，BIM系統在設計建設方案過程中就可以針對項目的方方面面進行優化，從建設方案的外觀到運營期間的內部各個子系統都可以在設計階段進行優化。

4 項目難點

（1）該項目位于大連西中島，目前現場正處于緊張施工期，如圖2所示。島內的山丘因填海需要進行開山。地形、地物變化快，項目設計中需實時考慮新施工區域對土方計算的影響。

圖2 現場施工圖

（2）地形較為復雜，包含山丘、海域、鹽田、填海吹填區等。不同海域的海平面高程不同，需分別對其模型進行高程賦值。填海吹填區的沉降速度及積雪冰凍地區冬季冰凍影響也需根據項目進度進行動態調整，如圖3所示。

圖3 填海吹填區

（3）根據建設進度要求，土方工程在石化大道施工期間同步進行，如圖4所示。故計算中需對石化大道進行建模一并考慮，土方地塊與公路邊坡搭接處需要進行精細化建模以滿足土方計算要求。

圖4 在建石化大道

5 BIM技術應用

本節通過Civil 3D軟件建立地形曲面、建立道路模型、分級放坡、不同海水平面的放坡解決方案的闡述來形成完整的土方工程施工圖工作流程。

5.1 建立地形曲面

該項目區域的數字地形圖由測量單位提供，格式為DWG，地勢由等高線與地形散點構成。通過篩選，把數字地形圖中不必要的圖層關閉，只保留有效等高線與地形散點。

利用軟件創建曲面，將數字地形圖轉化為特殊格式要求的地形圖，并對該地形圖進行檢查，排除地形異常點，如圖5所示。接下來在三維觀察器中可以看到局部有異常點，這些點通常是測量過程中的誤差，且包含在高程范圍內，無法通過高程排除功能來去掉，但一般數量不多，通過人工判斷、利用軟件的編輯功能去掉異常點即可。

圖5 三維觀察異常點

通過以上步驟就可以得到一個符合軟件要求的地形圖，并且通過軟件的自動排除以及人工去除異常點來為后面的土方計算提供精確的數字地面模型。

5.2 建立道路模型

此次項目石化大道由規劃單位提供道路的規劃線位，不需要進行道路選線工作，在設計中只需對規劃的線位進行擬合，調整圓曲線半徑、圓曲線長度、緩和曲線長度等滿足相應的設計車速要求即可。通過軟件進行道路中心線設計、道路縱斷面設計、道路橫斷面設計。

特別說明的是，在道路建模過程中，具有相同代碼的幾何單元被連接成為連續的構造，而沒有代碼的幾何單元則不會被連接。為了能夠精確反映道路模型，并考慮到以后的施工出圖，設計中需要綜合考慮，選用合適的部件，并為部件指定合適的代碼來組成裝配。

道路模型的建立非常重要。之后的道路土方計算、施工橫斷面出圖都需要借助精確的道路三維模型。可以直接在平面設計中完成道路建模，也可以將路線導出為LandXML，新建空白文件，再導入LandXML文件，從新建圖形文件開始道路建模。這取決于設計者的習慣和工作模式。筆者在設計中采用了后一種方法得到道路曲面，如圖6所示。

圖6 石化大道曲面

5.3 曲面粘貼

將石化大道曲面模型粘貼到地形曲面模型上，使之成為一體，便于后續土方量的計算。

首先選擇地形曲面，在編輯曲面中選擇粘貼曲面，選擇石化大道路基曲面，則可將石化大道路基曲面粘貼至地形曲面上，如圖7、圖8所示。

圖7 粘貼曲面過程

圖8 最終粘貼曲面結果

5.4 分級放坡

相對于傳統的計算軟件，BIM平臺下的軟件功能更加豐富且直觀。由此可以在實際工程中通過簡單的操作來創建復雜的模型。選擇相應的邊坡類型后，具體的參數可進一步修改，以滿足計算精度的要求。

實際工程中針對開山情況，需要根據地勘報告來分析合理的邊坡坡率及分級高度，而BIM平臺下的軟件幾乎滿足了所有實際工程遇見的類型，如圖9所示。

5.5 不同海水平面的放坡解決方案

圖9 分級邊坡

該項目處于鹽田區，不同樁號所在的鹽田水域高程不同。根據路基處理方案，海域及鹽田水位線高度與路基處理高度息息相關。通過BIM技術，可以將放坡構件根據路基處理方案的不同設置不同的目標曲面（見圖10），便于計算的準確性。

圖10 鹽田海水平面曲面

在項目設計過程中，由于建設期較為緊張，在施工圖設計階段，部分水域的高程外業測量還未完成，故在建模過程中采取假定高程建模，待外業測量提供數據后，替換高程即可動態完成設計，既保證了項目進度，又能確保工程質量要求。

5.6 土方施工圖輸出

5.6.1 計算方法

（1）體積法。體積法基本原理為通過對場地的大致劃分，簡單歸類為圓錐體、棱臺等便于計算的規則幾何體，通過幾何體體積計算公式來完成計算，比較方便，但是精度很差，一般用于簡單工程的土方估算。

（2）斷面法。斷面法基本原理為通過一組相互平行的橫斷面將計算地塊分割成段，分別計算每一段的體積，然后求和。此計算方法比較靈活，可通過項目不同階段來確定劃分斷面的數量，既能滿足各階段的深度要求，又可避免不必要的工作量。

（3）方格網法。方格網法基本原理為通過將地塊劃分為一個個正方形（邊長在10～100 m），通過每個角點的地面高與設計高之差來計算每個方格內的土方體積，最后求和得到整個地塊的填挖方數量。方格網法簡便直觀、易于操作，尤其是計算機技術及測量技術不斷更新，數字地形圖為土方工程的精確計算提供了可靠的地形數據。本文項目的計算方法即為方格網法。

5.6.2 施工圖輸出

這里采用的是俄羅斯的一款土方計算插件Cartogramma來生成土方施工圖，通過簡單操作，便可生成常用的土方施工圖，如圖11所示。

6 結 語

該項目于2017年9月開始實施，目前已完成段的土方實際工程量基本與計算相符，滿足建設方對項目把控精度的要求，如圖12、圖13所示。

圖12 現場山體開挖

圖13 現場填海段

通過實際工程項目的應用，BIM技術在解決場地土方工程上的優點主要有下面幾點：

（1）快速計算，有效把控。項目初期通過快速建模，及時得出總體土方工程量，為建設方提供準確有效的數據，便于有效把控項目的進度與資金協調。

（2）直接明了，方便溝通。項目進行中，利用方案進度匯報會直接在計算機中生成粗略的模型圖，直觀地呈現給建設方，便于與非專業的管理者進行有效、方便的溝通，提高工作效率。

（3）優化便捷，出圖快捷。工程進行中其他專業的調整（如公路的縱斷變化），在BIM模型中可非常方便地做出調整，并動態生成最新數據。根據最新數據快速調整后便可輸出施工圖。