一种基于BIM技术的道路工程土方量高精度计算方法与流程

本发明涉及公路交通领域，具体涉及一种基于bim技术的道路工程土方量高精度计算方法。

背景技术：

在道路工程中，经常需要挖沟、填土等场地的平整工作。其中对于工程土石方数量的核算是道路工程中的一项重要工作，同时也是进行道路工程成本核算的重要指标。

国内外现有的道路工程土方量计算方法是断面法。断面法的基本思路是假定两相邻填挖断面间的断面面积以特定规律变化，依据两相邻填挖断面的面积及断面间距离计算两断面间的土方数量，依据所假设的断面变化规律不同，可以分为平均断面法和棱柱断面法。断面法的优点在于原理清晰，便于手算，在早期计算机尚未广泛应用于道路工程时广泛使用。然而其算法本质仍是依托手算，采用的简化模型与实际土方模型相差过大，只适用于地形简单的情况，对于地形复杂的情况，利用断面法计算土方量将会产生很大的误差。这样产生的后果一是工程量估算偏差，对整个工程管理进度产生影响；二是影响工程的成本核算，对土建工程精细化成本管理不利。基于此，本发明提出了一种质结构件土方模型，并利用计算机电算技术进行土方量的高精度求解方法，适应于各种复杂的地形情况的土方量计算；同时该算法具有普适性，不仅适用于道路工程土方量计算，对于铁路工程，场地平整工程等的土方量计算同样适用。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是针对现有的土方量计算方法计算道路工程土方量产生的误差大，对精细化成本管理不利。提出了一种借助bim技术的直接构建土方三维模型，从而获得道路工程土方量的高精度计算方法及实现措施。

为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：一种基于bim技术的道路工程土方量高精度计算方法，包括以下步骤：一、获取原始地形dem数据点云；二、根据原始地形dem数据点云拟合原始地形的原始地形曲面；三、构建工程项目的设计曲面模型，并缝合至步骤二拟合的原始地形曲面上形成缝合曲面；四、以高程为0的水平基准面为底面，分别构建原始地形曲面和缝合曲面的三维模型；五、对步骤四构建的三维模型进行分析，计算得到工程的土方量。原始地形dem数据包括平面位置和高程数据两种信息。对于dem数据的采集，可以直接在野外通过全站仪或者gps激光测距仪进行测量，也可以间接地从航空影像以及既有地形图上得到。

步骤二所述的原始地形曲面的构建原则为：采用不规则三角网模型构建原始地形曲面。目前，常用的dem的表达方式分为不规则三角网(triangulatedirregularnetwork下简称tin)模型和规则格网(下简称grid)模型，相对于grid模型，tin模型通过一组离散数据点构建三角面来拟合原始地形表面，相对于grid模型，tin模型的优点在于能够准确高效表达原始地形的起伏情况，同时避免了grid模型带来的数据冗余。

步骤二所述的采用不规则三角网(tin)模型原始地形曲面的方法为：采用delaunay三角网构建tin模型，对三维空间原始地形dem数据进行delaunay三角剖分时，首先将原始地形dem数据投影至二维平面，再利用二维平面的delaunay三角剖分方法构建数字地面模型，最后将其投影点间的关系映射到原始地形。delaunay三角网由于其单元网格原则上趋近于等边三角形，是目前地形拟合分析的主要方式。

所述delaunay三角网构建原则为：(1)空圆特性原则：delaunay三角网中任一三角形的外接圆范围内均不包含离散点集中其他任意点；(2)唯一性原则：无论从何处开始连网，最终得到的delaunay三角网一致(3)最小角最大原则：即采用delaunay三角网构网所得的三角形最小角最大。

步骤三所述构建缝合曲面的方法为：确定工程设计曲面和原始地形曲面的交线，将原始地形曲面交线内的曲面部分采用工程设计曲面代替，生成新的缝合曲面。

步骤四所述的原始地形曲面和缝合曲面的三维模型构建方法为：将原始地形曲面或缝合曲面投影至水平基准面，并将边界点集与其所对应的投影点依次相连，分别构建成缝合曲面三维模型和原始地形曲面三维模型。简单的说就是原始地形曲面是有边界的，边界的定义就是能够恰好囊括所有的点。

步骤五所述的对三维模型进行分析的分析方法为：利用三维建模软件，对缝合曲面三维模型和原始地形曲面三维模型进行交集布尔运算，求得二者公共部分三维模型，记原始地形曲面三维模型体积为v1，缝合曲面三维模型体积为v2，公共部分三维模型体积为v3，则填方体积v填＝v2-v3，挖方体积v挖＝v1-v3。接下来以土方填挖关系为纯挖方、纯填方以及半挖半填为例，对上述公式进行推导。图中abc代表地形曲面，def代表道路曲面，为分析方便，假设abc与def在水平面投影重合，均为ghi，其中ghi高程为0，则由上述缝合曲面定义可知，def亦为缝合曲面。则五面体abcghi代表地形曲面三维模型，体积记为v1，五面体defghi代表缝合曲面三维模型，体积记为v2。则土方填挖情况分析如下：如下图2所示，为土方填挖关系为纯挖方时的计算原理图，由图2可知，公共部分的三维模型即为缝合曲面三维模型，则v3＝v2，同时根据图2，易得挖方三维模型为abcdef，体积为v1-v2，填方体积为0，与公式计算结果相符；如下图3所示，为土方填挖关系为纯填方时的计算原理图，由图3可知，公共部分的三维模型即为地形曲面三维模型，则v3＝v1，同时根据图3，易得填方三维模型为defabc，体积为v2-v3，挖方体积为0，与公式计算结果相符；如下图4所示，为土方填挖关系为半填半挖时的计算原理图，由图4可知，公共部分的三维模型为不规则六面体djkbcghi，记体积为v3，同时根据图4，挖方三维模型为四面体adjk，体积v挖＝v1-v3；填方三维模型为五面体kjefbc，其体积为v填＝v2-v3，公式得证。

本发明采用bim技术，同时结合了三维建模软件，针对于道路工程中土方数量的核算问题，提出了一种高精度的计算方法。通过地形的三维构网构建地形三维模型，同时利用三维建模软件进行三维模型的几何特征分析，相对于传统的土方数量计算方法，本发明所提供的方法对地形有着较好的适应性，同时道路工程土方量计算精度也有显著提高。对于精细化项目施工管理进度，精细化成本核算都极为有利，同时也推进了土建工程行业精细化管理。

附图说明

图1为本发明基于bim技术土方量计算方法的流程示意图；

图2为本发明提供的计算方法在土方填挖关系为纯挖方的计算原理图；

图3为本发明提供的计算方法在土方填挖关系为纯填方的计算原理图；

图4本发明提供的计算方法在为土方填挖关系为半填半挖的计算原理图；

图5为本发明实施例1的原始地形曲面；

图6为本发明实施例1的缝合曲面；

图7为本发明实施例1的原始地形三维模型；

图8为本发明实施例1的缝合曲面三维模型；

图9为本发明实施例1的两三维模型求布尔交集运算所得的三维模型。

图10为本发明实施例2的原始地形曲面

图11为本发明实施例2的缝合曲面；

图12为本发明实施例2的原始地形三维模型；

图13为本发明实施例2的缝合曲面三维模型；

图14为本发明实施例2的两三维模型求布尔交集运算所得的三维模型。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种基于bim技术的道路工程土方量高精度计算方法，包括以下步骤：

步骤一、导入原始地形数据：

计算道路工程土方量的第一步首先要采集原始地形dem数据，dem数据包括平面位置和高程数据两种信息。对于dem数据的采集，可以直接在野外通过全站仪或者gps激光测距仪进行测量，也可以间接地从航空影像以及既有地形图上得到。

步骤二、构建原始地形曲面的数字地面模型:

将步骤一所得的原始地形数据导入至civil3d中，在civil3d中构建三角网曲面，构建空间delaunay三角网，在此处所用的三角网构建方法是二维投影方法，其构建原理是：将原始地形dem数据投影至二维平面，再利用二维平面的delaunay三角剖分方法构建delaunay三角网，最后将其投影点间的关系映射到原始地形。构建所得的原始地形曲面的数字地面模型如图5所示。构建原始地形曲面的数字地面模型是一整个算法系统，就是首先连接三个点成为一个三角形，然后再判断整个三角形网络是否合适，如果不合适再进行微调，目前的算法主要有bowyer/watson算法和局部变换法，这两种都可以得到delaunay三角网络。

步骤三、构建道路的数字地面模型即道路曲面并将其缝合至原始地形曲面：

依据步骤二所述方式，在civil3d中构建道路的数字地面模型，同时新建一个空的地形曲面，将构建完毕的工程设计曲面以及原始地形曲面粘贴至此处空的地形曲面内，构建缝合曲面。此处构建缝合曲面的基本原理是：确定工程设计曲面和原始地形曲面的交线，将原始地形曲面交线内的曲面采用工程设计曲面代替，生成缝合曲面。生成缝合曲面的数字地面模型如图6所示。本步骤的缝合类似于缝衣服，首先找到两个曲面的交线，把原始地形曲面交线以内的部分(内点)用道路曲面代替就是缝合。

步骤四、以高程为0的水平基准面为底面，分别构建原始地形曲面及缝合曲面的三维模型：

首先构建一个高程为0的水平基准面，保证水平基准面的范围能够完全覆盖原始地形曲面及工程设计曲面的范围。利用civil3d构建以水平基准面为底面，原始地形曲面为顶面的原始地形三维模型，同理，构建缝合曲面的三维模型。构建的原始地形三维模型及缝合曲面三维模型如图7及图8所示。本步骤就是把相应的曲面投影至xoy平面，然后投影面与曲面之间围成的三维柱体。

步骤五、对步骤四构建的三维模型进行分析，计算得到道路的土方量：

将步骤四所得的缝合曲面以及地形曲面的三维模型导入至三维建模软件中，在三维建模软件中对两三维实体求布尔交集运算，得出两三维模型的公共部分，如下图9所示，在三维建模软件中统计计算地形曲面三维模型的体积，记为v1，缝合曲面三维模型体积为v2，公共部分三维模型体积为v3，则挖方体积v挖＝v1-v3，填方体积v填＝v2-v3。

实施例2

一种基于bim技术的道路工程土方量高精度计算方法，同样可适用于土建工程中场地平整挖填土方量的计算，由于本发明所提出的计算方法具有普适性，因而其步骤及原理与实施例一类似。

依据实施例一所述步骤，构建出原始地形的数字地面模型，如图10所示。构建的缝合曲面的数字地面模型如图11所示；构建的原始地形三维模型以及缝合曲面三维模型如图12及图13所示；两三维模型的公共部分如图14所示。

与实施例一同理，在计算场地平整挖填土方量时，可认为先将原始曲面三维模型挖方至公共部分三维模型，因而挖方体积v挖＝v1-v3；再将公共部分三维模型填方至缝合曲面三维模型，因而填方体积v填＝v2-v3。