宏偉鄉風電場土方計算方法探討

司江民

（甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，甘肅 蘭州 730000）

0.引言

隴西宏偉鄉風電場項目位于甘肅省定西市隴西縣境內，距隴西縣約34千米，是“甘肅通渭風電基地規劃”子風電場，也是國家電投新疆公司“絲路百萬千瓦風電項目”之一，項目總裝機規模為20萬千瓦，動態總投資153 812.79萬元。由于測區為原始高山地貌，該項目在施工過程中需要大量的土方計算和核查工作，其中扇葉平臺、進場道路、舊路改造的土方計算工作量較大。為了能盡快滿足工程核算的時間要求，同時保證計算結果的準確性，本文針對不同形狀的地塊土方計算提出了不同的方法，并在一定范圍內進行了精度驗證，最終形成了一套完整的土方計算工作流程。

1.土方計算原理

傳統的土方計算都是按照水準抄平結合平場面積的方法進行匯算的，隨著測繪技術的進步，主流的測繪儀器已經從光學時代進入以電子設備為主的新型發展階段，土方計算的原理也隨著測繪設備的更新發生了一些改變，而人們的需求也從簡單地獲得土方數據變為土方計算的三維可視化。土方計算原理一般都是將待算土方實體進行不同格式、不同精度的剖分，針對每一個規則的剖分體進行體積計算，然后進行合并運算或者積分運算，最終獲得連續不規則實體的體積。結合上述原理和先進的測繪技術，目前能提供給土方計算的原始測量數據有高程點、等高線、測量斷面、數字高程模型、曲面模型等，結合小型無人機可以實現土方的實時動態計算和變化提示，使用先進的三維建模軟件和設計軟件能更加精確、直觀地完成體積的計算和加減運算等，使得土方計算不再拘泥于復雜的公式推導和數據匯算，普通人也能夠通過簡單的菜單命令完成特定的方量計算，在提高了土方計算精度的同時提高了作業效率。

2.斷面法計算土方量

用斷面法計算土方量，首先在計算范圍內布置斷面線，斷面一般垂直于等高線，或垂直于大多數主要構筑物的長軸線。斷面的多少應根據設計地面和自然地面復雜程度及設計精度要求確定。在地形變化不大的地段，可少取斷面。相反，在地形變化復雜，設計計算精度要求較高的地段要多取斷面。兩斷面的間距一般小于100米，通常采用20～50米。繪制每個斷面的自然地面線和設計地面線，然后分別計算每個斷面的填、挖方面積。計算兩個相鄰斷面之間的填、挖方量，并將計算結果進行統計。隨著計算機的使用，面積計算已具有較高的精度，如采用辛普生法計算。斷面法土方量的計算，通常仍采用由兩端橫斷面的平均面積乘以兩橫斷面之間的間距算得，稱為斷面法土方量計算平均公式，即斷面法計算土方量平均公式由于只需要知道兩端橫斷面的面積，因而計算很簡單。結合本項目實際，斷面法方量計算用于進場道路和舊路改造方量計算。

3.方格網法計算土方量

飛時達系列軟件，包括土方計算軟件FastTFT、總圖設計軟件GPCADZ、修建詳規設計軟件GPCADX等，均采用方格網法計算土方量，計算公式和原理均采用雙向切分三棱錐平均值計算土方量。根據各角點施工高度的不同，零線可能將三角形劃分為兩種情況：三角形全部為挖方或全部為填方、部分挖方和部分填方。根據不同的劃分情況，進行分類計算，最后進行匯總。該方法適合本項目扇葉平臺和風機平臺的計算，根據實測點的密度和區域形狀確定不同的格網間距。

4.多軟件計算土方量

為了提高成果的可靠性，本次方量計算前后兩期數據均與施工單位保持一致，計算方法也和施工單位保持一致，計算軟件根據需要進行合理配置，最終完成了一期、二期、三期的道路和平臺的方量計算。由于單一軟件計算的結果可能出現模型方法不合理的現象，本次計算采用4種方法對同一平臺（三期T55風機平臺）進行土方計算，計算結果和施工單位的方量成果進行了對比統計，最終驗證結果表明：本次計算選擇的軟件合理、成果準確。

4.1 基于CASS軟件的土方計算

CASS 10米斷面法計算軟件采用沿縱軸每10米布置一條橫斷面的方法。橫斷面左右均延長至計算范圍邊界，橫斷面采點間距均為1米，然后分別采集內插點處的開挖后高程和原始地面高程，之后分別繪制斷面線計算斷面面積，通過軟件計算兩斷面間的平均土方量，最終匯總得到該測區的土方量。

4.2 基于飛時達軟件的土方計算

飛時達10米斷面法計算軟件采用沿縱軸每10米布置一條橫斷面的方法。橫斷面左右均延長至計算范圍邊界，橫斷面采點間距均為1米，然后分別采集內插點處的開挖后高程和原始地面高程，之后分別繪制斷面線計算斷面面積，通過軟件計算兩斷面間的平均土方量，最終匯總得到該測區的土方量。

4.3 基于Civil3D的土方計算

Civil3D軟件首先使用開挖前和開挖后的測量數據建立地形曲面，然后導入測區范圍定義曲面邊界，最后用分析菜單下的“土方計算”來算出兩個曲面的填挖方。平臺開挖前后三維模型對比如圖1、圖2所示。

圖1 平臺開挖前三維模型

圖2 平臺開挖后三維模型

4.4 基于ArcGIS的土方計算

ArcGIS軟件首先使用開挖前和開挖后的測量數據建立不規則三角網（TIN），然后使用TIN轉為柵格，導入測區邊界進行柵格的裁剪，最后使用兩個柵格文件進行填挖方計算。

4.5 結果對比

通過不同軟件計算同一測區的方量得到不同的計算結果。飛時達和CASS軟件是通過斷面法計算土方量，通過加密斷面發現挖方差值可以大幅度減小，但是填方反而出現增大的情況，通過分析可以得出：該差值變化與地形的復雜程度和斷面的布置有關系。三期T55風機平臺不同軟件計算填挖方差值對比如表1所示。

表1 不同軟件計算的填挖方數值比較 單位:方

通過三維設計軟件Civil3D和ArcGIS軟件計算的結果可以得知，這兩種軟件計算的結果由于計算方法均為建立地形曲面或者立體模型，所以計算結果與斷面法有較大的差別，但是Civil3D和ArcGIS計算的結果相近，在實際計算中應該按照不同的施工階段和要求選擇合適的軟件和模型進行計算。

4.6 可視化分析

結合現有的三維建模軟件，通過三維坐標構建三角網進而生成數字高程模型，通過可視化模塊可以直觀地了解施工進度和開挖前后的對比，對分析決策和把握整體的施工進度有重要意義。結合現在主流的BIM技術可以向建設單位提供報表、斷面和模型不同格式的方量計算數據，也可以將設計標高輸入軟件建立最終模型，通過分時段劃分規劃出不同時間段的施工進度和開挖方量，給工程項目管理和經費預算提供重要的數據支撐。

5.結束語

通過對三期T55風機平臺方量的計算對比，發現施工單位的挖方差值較小，但是填方值差值較大。這次核算僅僅是核算施工單位前后兩期的方量，方法和數據均與施工單位保持一致，且軟件計算采用的都是純數學模型和方法，未考慮施工過程中實際的壓實系數等，所以最終的計算結果和實際土方會有差值。突飛猛進的航測技術和三維激光掃描技術能在很大程度上提高測繪作業的效率和精度。無人機航測技術通過傾斜攝影測量能建立真實的三維實景模型，該模型不僅能反映地形的起伏，還能真實反映地表的各種地物元素，可以使用三維軟件的功能模塊進行開挖方的演示和初算，使用無人機航測技術能快速高效地計算土方量，特別是對于陡峭巖體等測量儀器無法靠近的計算體，能較好地完成數據的采集和后期的計算。三維激光點云技術主要包括架站式的掃描儀和SLAM技術，通過測量距離和方位間接計算出土方體的三維真實坐標，進而獲得土方體的三維數字模型進行方量計算。方量計算是一項傳統的測量項目，如果結合最新的測繪技術，能使簡單的方量計算精準化、可視化。