基于Civil 3D 的土方分層建模及其在工程中的應用

羅 斌

（中交一航局第四工程有限公司，江西 南昌 330100）

基于Civil 3D 的土方分層建模與應用，可以實現從施工現場到內業模型，又從內業模型到施工現場的動態管理，實現土石方施工的提前測算與過程中的精準把控，以及竣工之后的成果展示，方便組織者合理安排施工力量，優化施工工藝，做好各工序間的有效搭接，為實現流水化施工保駕護航。

1 工程背景

某大型土石方項目，占地面積廣、填挖方量大、各個工作面搭接多，每天完成工作區域很多，人員、機械協調難度大。存在質量檢驗漏檢復檢的問題，并且存在有的區域由于等待質量檢驗造成人員、機械窩工的現象，質量檢驗工作開展難度很大。尤其在土方填筑施工中，需要考慮土方量、土方運距、土方施工順序、土方調配等各方面因素，因此為了精確預測土方量，合理規劃填筑順序，保證檢驗頻率，實現流水化施工，提前測算出每個區域、每一層的填筑面積與填筑方量，提前繪制出土方分層圖就顯得特別重要。

2 Civil 3D 軟件在土方施工中的應用

運用Civil 3D 軟件建立土石方填挖模型，計算工程量的方法已經得到了業界的廣泛認可。由于Civil 3D 軟件具備強大的“曲面”功能，可以十分方便地基于邊界、特征線、等高線、圖形對象、點編組、點文件等地形數據，精準模擬場地原始地形，運用Civil 3D 軟件建立土石方填挖模型，計算工程量的方法已經得到了業界的廣泛認可。土方量的計算正是基于多個曲面開展進行的，在實際施工過程中，我們通過原始地形曲面與設計曲面之間的差異自動計算出某個區域的差值，分析差值后便可準確得出填方或挖方的土方工程量[1]。

2.1 Civil 3D 軟件常用功能介紹

Autodesk Civil 3D 軟件是Autodesk 公司為土木與基礎設施行業提供的三維設計解決方案，適用于勘測、場地規劃、總圖、道路、設計、水利工程、市政管網、地質礦產等多個不同行業領域。Autodesk Civil 3D 功能非常強大，能形成三維數字地形模型。利用數字地形模型可直觀、快速、準確地計算土方量、繪制縱橫斷面圖、查看三維模型等功能。同時Autodesk Civil 3D 還整合了CAD、3Dmax 等軟件，并具有強大的項目管理功能，為土木建設工程提供了完整的解決方案。

Civil 3D 基本功能：

2.1.1 測量

Civil 3D 全面集成了勘測功能，可以直接導入原始勘測數據，編輯勘測資料，自動創建勘測圖形和曲面。可以交互式地創建并編輯勘測圖形頂點，發現并編輯相交的特征線，避免潛在的問題，生成能夠在項目中直接使用的點、勘測圖形和地形曲面。

2.1.2 放坡

Civil 3D 中的放坡是一項令人激動的功能，它包括根據設計的放坡來自動創建一個曲面，并能計算體積。放坡這項功能還能進行土方平衡，這對大規模土石方工程非常有用。

2.1.3 地塊布局

通過轉換現有的AutoCAD 實體生成地塊，實現流程的自動化。這樣，如果一個地塊發生變更，臨近的地塊會自動反映變更情況。

2.1.4 土方量計算

利用復合體積算法或平均斷面算法，更快速地計算現有曲面和設計曲面之間的土方量。使用Civil 3D 生成土方調配圖表，用以分析適合的挖填距離，要移動的土方數量及移動方向，確定取土坑和棄土堆的可能位置。

與傳統土方計算方法相比，利用Civil 3D 軟件計算土方量的方法更加便捷與準確。由于Civil 3D 軟件擁有十分方便的“曲面放坡”功能與各種實體編輯能力，其中“曲面放坡”功能可以實現根據任意面邊線向上或者向下放坡來自動創建一個曲面，并用這個邊坡曲面來計算邊坡體積。有別于傳統的土方計算方法很難做到精確計算邊坡土方量。另外，實體模型編輯功能的大力運用，充分體現了未來三維建設取代傳統二維建設的趨勢和方向[2]。

在目前的施工過程中，我們充分運用Civil 3D 軟件提前測算土方量，進行土方平衡，合理調配土方、選擇施工機械和人員排班，保障施工進度、減少了不必要的資源浪費。

2.2 利用Civil 3D 軟件探究土方分層的思路及實際應用

2.2.1 利用Civil 3D 軟件探究土方分層的思路

在土方填筑施工工程中，為了提前測算出每個施工區域、每一層的填筑面積與填筑方量，確定檢驗驗收頻率，及時準確地了解施工現場的施工信息，提前繪制出土方分層圖就顯得尤為重要。土方分層圖的繪制，需要結合施工現場，根據土方填筑施工規范，科學合理地進行繪制。經過現場實踐發現，一般在填筑的過程中存在三種情況，即：

1.填筑體在填筑過程中填筑體頂面還未與設計填筑體的“邊坡”線相切，這個時候只是在填筑一些墳穴、坑道。

2.填筑體在填筑過程中填筑體頂面一邊還未與設計填筑體的“邊坡”線相切，一邊已與設計填筑體的“邊坡”線相切，這個時候已經填筑了一定的高度，填筑體一側已經填筑到了“設計放坡線”位置。

3.填筑體在填筑過程中填筑體頂面已經與設計填筑體的兩邊“邊坡”線相切，這個時候填筑體兩側都已填筑到了“設計放坡線”位置。

用Civil 3D 軟件的語言來說，這三種情況為：

1.填筑體曲面與原地形曲面相切。

2.填筑體曲面既與原地形曲面相切，又與設計曲面相切。

3.填筑體曲面與設計曲面相切。

針對這三種情況，我們在土方分層過程中采用以下流程進行土方平面分層工作：

1.利用原始測量數據，建立原始曲面模型，并找到填筑范圍內的最低點的高程，隨后與設計完成面高程進行對比，確定每層的分層頂高程，以及分層層數。

2.利用設計完成面點云數據，建立設計曲面，并用“曲面放坡”功能從設計曲面向原地面放坡，生成“填筑體設計”模型。

3.利用每層的分層頂面高程建立填筑曲面。

4.分別用填筑曲面與原地形相切（即求兩曲面間的最小距離）；填筑曲面既與原地形相切，又與設計曲面相切；填筑曲面與設計曲面相切。分別生成三維多段線交線，并對于這三種情況，分別處理：

填筑曲面只與原地形相切時，生成三維多段線交線就為這一層的分層邊線，形成的閉合區域面積就為這一層的分層面積。

填筑曲面既與原地形相切，又與設計曲面相切時，兩次分別生成三維多段線交線需要用“裁剪”命令與“Join”命令將三維多段線連在一起，從而生成三維多段線交線就為這一層的分層邊線，形成的閉合區域面積就為這一層的分層面積。

填筑曲面與設計曲面相切時，生成三維多段線交線就為這一層的分層邊線，形成的閉合區域面積就為這一層的分層面積[3]。

2.2.2 土方分層圖的現場實際應用

1.將繪制完成的土方“平面分層圖”以“dxf”格式輸出，并導入GPS 手簿，GPS 手簿自動識別“平面分層圖”中的三維多段邊線后，現場測量人員根據“平面分層圖”進行每一層土方填筑的平面與高程的控制，方便，快捷，并且充分體現了無紙化施工的優點。

2.將繪制完成的土方“平面分層圖”的圖形、面積輸出，根據土方“平面分層圖”提前生成施工臺賬，編制施工進度計劃，并根據質量驗收規范計算出試驗檢驗頻率，及時反饋給試驗人員做好每一層填筑體的壓實度試驗檢驗，并出試驗檢驗報告[4]。

3.根據繪制完成的土方“平面分層圖”匯總、分析。利用土方“平面分層圖”完成二維平面場布，然后在Civil 3D 軟件中用該層的閉合邊線與上一層的閉合邊線做出每層的模型，測算出該層的土方量。也可以根據平面土方分層圖在Revit 軟件中用新建“族”功能建立該層的分層模型，然后載入到Revit 建筑樣板中，直接查詢得到土方量，如表1 所示[5]。

表1 土方量計算表

根據土方分層工作得到上述的圖表后，完成了將某施工區域土方填筑體細化分層的工作，利用分層的模型與圖表，提前計算得到了每一層的具體、準確的工程量，以便合理規劃填筑區域與填筑順序，編制進度計劃，制定質量保證措施，保證檢驗頻率，以實現信息化、科學化、精細化施工管理[6]。

4.根據利用土方“平面分層圖”，在SU 軟件與Lumion 軟件中進行模型渲染與漫游視頻的輸出，完成土方分層工作的方案展示。

3 基于Civil 3D 的土方分層建模在土方工程實踐中的意義

與傳統的土石方分層方法相比，基于Civil 3D 的土方分層建模技術突破了CAD 二維分層的瓶頸，準確、合理地模擬出了現場實際分層填筑過程，更加科學、更加精確。由于傳統的土石方填筑分層工作只能憑借二維CAD 軟件，結合現場情況以一定的形狀估算出每層填筑體的區域，由于這個估算的二維區域與該層施工的實際區域誤差很大，因此根本不能與現場實際情況相適應，也不能準確估算施工工程量，給科學組織施工，調配施工力量帶來了極大困難。基于Civil 3D 的土方分層建模技術很好地解決了上述的問題，由于其土方分層工作是在三維模型的基礎上繪制的，在Civil 3D 軟件中，我們利用填筑體曲面與原地形曲面在空間上相切，就可以快速、準確的得到該層的理論填筑區域，進而完成土方分層建模工作。土方分層建模及其模型在工程中的應用優勢為提前準確測算工程量與動態信息管理：提前測算土方施工的工程量，及時發現各施工區域的交叉作業問題，為管理者提供及時有效的第一手可視化資料，以便科學組織施工，形成有序的流水施工，有效地避免了施工資源浪費的情況。

體現了從施工現場到內業模型，又從內業模型到施工現場的動態信息管理思路。將Civil 3D 的土方分層建模技術與現場施工有效結合，充分發揮分層模型與軟件、設備之間的互通互導優勢，通過軟件快速、精確的提取模型數據，導入施工設備進行現場高效作業，從而達到Civil 3D 的土方分層模型指導施工，提高了工作效率，大大降低窩工率，避免資源浪費，縮短工期的目的，為以后類似項目提供了思路。