基于BIM技術的輸水工程土石方量測算及出圖方法研究

李夢龍

(遼寧省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110000)

土石方量的測算是工程行業的一個重要環節，它不僅直接關系到工程的費用概算及方案選優，而且關系到與實際開挖是否相符，其貫穿于工程設計階段及施工階段，在一些地質條件較為復雜的地區因土方量測算的精確性經常產生糾紛[1]。輸水管線項目由于其自身的工程特點，勘察精度大多控制在200m左右，各階段土石方量出入較大[2]。傳統的方格網法、等高線法、斷面法、區域土方量平衡法和平均高程法等測算方法[3]，大多基于分區分塊計算，在增大工作量的同時，測算精度也不能有效保證。對于地質勘察人員和施工地質人員主要依據斷面鉆孔數據進行單斷面的繪制橫斷面圖，在勘察階段及施工階段橫斷面密度較大，往往大量耗費時間及人力，制約著工程進度。如何利用勘察數據、實際開挖數據及數字地形數據快速準確的測算出土石方量，并快速繪制橫斷面圖，是加快地質人員工作效率，提升工作質量的關鍵環節。近年來國內水利水電BIM技術發展迅猛，工程應用形式逐漸從點狀工程擴展到線性工程[4-7]，應用范圍逐步擴大到地質領域，但受多種原因影響，三維地質建模軟件與設計軟件相比功能較為薄弱，主要應用于場地工程項目，對于線性項目應用較少，而地質三維技術在水利線性工程中的應用更是少之又少[8-11]。

因此本文基于Geostation軟件利用BIM技術實現輸水管線項目中土石方的快速準確測算及出圖，為線性工程中地質人員工作從二維向三維的過渡提供新的思路。

1 項目概況

2 建模及出圖方法

2.1 管線模型

根據設計圖紙統計線路各拐點的空間坐標，利用軟件中，“導點成線”工具生成空間三維曲線，選取“實體-掃略”工具輸入內外徑后，生成管道模型，在管線下部切線處即開挖底高程繪制垂直于軸線的智能線，應用“拉伸成面”工具生成面，最后利用“mesh-元素網格”工具將其網格化，生成開挖底面，如圖1所示。

圖1 管道模型

2.2 地形曲面模型

地形曲面模型精度大小直接影響土石方量的測算。該地形面的生成可以依靠mapstation及Open Rouds生成TIN模型，本文中以Geostation軟件為例進行地形模型的建立。首先參考測量專業人員提供的1∶2000數字地形圖(dwg或者shp文件皆可)并將其合并到主文件，應用“擬合生成面”工具，選取生成地形面，根據個人需求繪制模型范圍，采用“線剪切面”工具切割地形面，確定最終地形模型，如圖2所示。值得注意的是地形文件導入后，需要關閉等高線及高程點以外圖層，確保地形模型的準確性。如果基礎地形圖數據格式為TIN，需要用“TIN轉DTM”工具進行轉換。對于局部微地形要求較高的地形模型，可以采用Mapstation對局部網格做到精準修改。

圖2 地形面模型

2.3 地質實體模型

地質實體模型為開挖方量測算及出圖的基礎，在設計階段與施工階段的建模過程中，建模方法略有區別。

勘察期地質實體模型建模方法：將鉆探基礎資料導入到Geodata manage數據庫之中，Geostation for city 中“直接建模”工具建立的地質實體模型在整體修改及局部控制方面存在不足，因此本文采用手動建模。應用“拉伸面”工具拉伸地形模型至剖面出圖的最大深度，建立鉆孔模型及勘探線模型，繪制橫縱剖面各巖性分層點連線并賦予相應界面屬性，在三維模式下利用“帶邊界生成mesh”工具生成巖性分界面，反復此操作生成全部亞寧界面，最后采用“面剪切體”工具利用生成的巖性界面切割地質體，生成地質實體模型，同時賦予相應巖性屬性，如圖3所示。

圖3 地質實體模型

施工期實體模型建立采用手動建模方式，施工期間正常以300m左右為一個開挖槽段，驗槽期間采用RTK分層采集分界線控制點的空間坐標數據[12]，在巖層變化較大的部位加密采集密度，利用Geostation for city中“導入點”工具，直接導入同一地層分界處的散點，并采用“帶邊界TIN生成”工具生成分界曲面，同時賦予分界屬性，最后重復以上操作生成各分界面，重復勘察期手動建模流程生成地質實體。需要注意的是在面剪切體之前，需要“更改網格法線”工具確定被開挖體與開挖面的法線方向，在被開挖體法線向外同時開挖面法線向上的情況下，剪切速度最快，成功率最高。并且生成的巖性分界面的范圍需要大于地質實體的投影范圍。

2.4 開挖模型

開挖模型建立之前需使用“夾角量測”工具確定管線中心軸線方位角，軟件默認y正向為正北方向。在開挖底面上提取平行于軸線的兩條邊線，利用“跡線軌跡生成面”工具，輸入向上延伸、軸線方向79.9°傾向南西、傾角為Arctan 0.76=53.13生成巖石部分的開挖界面。利用“面面剪切-勾選求算剪切交線”工具，將開挖界面分割成兩部分，生成強風化界面與巖石開挖界限的交線，之后以交界線為跡線輸入向上延伸、軸線方向79.9°傾向南西、傾角為Arctan 1.25=38.67生成土部分的開挖界面，重復以上方法完成左側開挖界面。在完成以上操作后，選擇 “mesh-縫合網格”工具將上述各網格面合并成一個開挖模型，如圖4所示。

圖4 開挖界面模型

2.5 土石方量測算

利用mesh工具集中“面剪切體-勾選切分mesh面”工具，對地質實體模型進行剪切，可以將開挖體與被開挖體分割，如圖5所示。之后利用“土石方量測算”工具選擇目標巖性實體，即可確定開挖方量。

圖5 開挖體與被開挖體

2.6 批量出圖

采用“勘探線建模”工具建立樁號23+200、23+600兩處勘探線模型，利用“批量切剖面”可以自動繪制兩勘探線之間任意間距任意方向的橫斷面，出圖后進行長度及高程標注即可完成橫斷面圖的出圖，如圖6所示。

圖6 橫斷面圖

2.7 可視化顯示

模型建立完畢后將各模型導入至總文件之中，根據展示目的，利用 “顯示樣式管理器”工具切換各類顯示樣式，如圖7所示。通過調節內部參數達到理想展示效果[13-15]。

圖7 多模式下模型顯示樣式

3 與傳統工作方式對比

3.1 新的工作流程

區別于傳統的方格網法、等高線法、斷面法、區域土方量平衡法和平均高程法等土石方量測算方法，此方法將土石方開挖量測算與設計/竣工出圖工作流程進行整合，即在設計出圖過程中已將開挖量測算完畢，即工作方式由傳統的“串聯方式”轉換至“并聯方式”，縮短了工作時長，提升了工作效率。

3.2 精準性

該方法土石方量測算的精準程度主要取決于分界面的繪制精度，在設計及施工階段巖性界面空間數據獲取較為便利的條件下，結合經驗推測的地質點，可以大幅度提升分層界面的精度。

3.3 便捷性

地質實體模型及地形曲面模型建立后，可以根據不同的開挖曲面，測算任意槽段任意巖性的開挖方量，可以在不同橫斷面位置，任意角度任意長度切割地質模型，快速批量生成設計圖或竣工圖，大大的提升的出圖效率，縮短設計周期。

3.4 直觀性

在設計階段可以直觀的觀察到管線持力層巖性，確定承載力大小及不良地質現象，為加強設計提供支持；對比不同槽段的設計開挖體巖性與實際開挖巖性，可以確定造成土石方量變化的主要原因。

4 結論

相比傳統的二維設計及算量的方式，BIM技術提供了另一種將出圖、土石方開挖算量、可視化同時進行的融合性的解決方案，其具有精準、簡便、快捷、直觀的特征，適用于長距離輸水管線的設計及施工過程，符合地質人員工作方式，該方法同樣適用于勘探孔較為密集的點狀工程的設計施工過程。

本方法基于Geostation V8i版本基礎進行的，“三維實體切割”有時因為網格問題造成剪切失敗，隨著CE版改進，“圍合”等功能將逐步改進三維地質實體的分割方式。下一步將探究BIM技術在復雜邊坡設計計算中彌補巖土ACE軟件空間繪圖方面缺陷的能力。