宏伟乡风电场土方计算方法探讨

司江民

（甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃 兰州 730000）

0.引言

陇西宏伟乡风电场项目位于甘肃省定西市陇西县境内，距陇西县约34千米，是“甘肃通渭风电基地规划”子风电场，也是国家电投新疆公司“丝路百万千瓦风电项目”之一，项目总装机规模为20万千瓦，动态总投资153 812.79万元。由于测区为原始高山地貌，该项目在施工过程中需要大量的土方计算和核查工作，其中扇叶平台、进场道路、旧路改造的土方计算工作量较大。为了能尽快满足工程核算的时间要求，同时保证计算结果的准确性，本文针对不同形状的地块土方计算提出了不同的方法，并在一定范围内进行了精度验证，最终形成了一套完整的土方计算工作流程。

1.土方计算原理

传统的土方计算都是按照水准抄平结合平场面积的方法进行汇算的，随着测绘技术的进步，主流的测绘仪器已经从光学时代进入以电子设备为主的新型发展阶段，土方计算的原理也随着测绘设备的更新发生了一些改变，而人们的需求也从简单地获得土方数据变为土方计算的三维可视化。土方计算原理一般都是将待算土方实体进行不同格式、不同精度的剖分，针对每一个规则的剖分体进行体积计算，然后进行合并运算或者积分运算，最终获得连续不规则实体的体积。结合上述原理和先进的测绘技术，目前能提供给土方计算的原始测量数据有高程点、等高线、测量断面、数字高程模型、曲面模型等，结合小型无人机可以实现土方的实时动态计算和变化提示，使用先进的三维建模软件和设计软件能更加精确、直观地完成体积的计算和加减运算等，使得土方计算不再拘泥于复杂的公式推导和数据汇算，普通人也能够通过简单的菜单命令完成特定的方量计算，在提高了土方计算精度的同时提高了作业效率。

2.断面法计算土方量

用断面法计算土方量，首先在计算范围内布置断面线，断面一般垂直于等高线，或垂直于大多数主要构筑物的长轴线。断面的多少应根据设计地面和自然地面复杂程度及设计精度要求确定。在地形变化不大的地段，可少取断面。相反，在地形变化复杂，设计计算精度要求较高的地段要多取断面。两断面的间距一般小于100米，通常采用20～50米。绘制每个断面的自然地面线和设计地面线，然后分别计算每个断面的填、挖方面积。计算两个相邻断面之间的填、挖方量，并将计算结果进行统计。随着计算机的使用，面积计算已具有较高的精度，如采用辛普生法计算。断面法土方量的计算，通常仍采用由两端横断面的平均面积乘以两横断面之间的间距算得，称为断面法土方量计算平均公式，即断面法计算土方量平均公式由于只需要知道两端横断面的面积，因而计算很简单。结合本项目实际，断面法方量计算用于进场道路和旧路改造方量计算。

3.方格网法计算土方量

飞时达系列软件，包括土方计算软件FastTFT、总图设计软件GPCADZ、修建详规设计软件GPCADX等，均采用方格网法计算土方量，计算公式和原理均采用双向切分三棱锥平均值计算土方量。根据各角点施工高度的不同，零线可能将三角形划分为两种情况：三角形全部为挖方或全部为填方、部分挖方和部分填方。根据不同的划分情况，进行分类计算，最后进行汇总。该方法适合本项目扇叶平台和风机平台的计算，根据实测点的密度和区域形状确定不同的格网间距。

4.多软件计算土方量

为了提高成果的可靠性，本次方量计算前后两期数据均与施工单位保持一致，计算方法也和施工单位保持一致，计算软件根据需要进行合理配置，最终完成了一期、二期、三期的道路和平台的方量计算。由于单一软件计算的结果可能出现模型方法不合理的现象，本次计算采用4种方法对同一平台（三期T55风机平台）进行土方计算，计算结果和施工单位的方量成果进行了对比统计，最终验证结果表明：本次计算选择的软件合理、成果准确。

4.1 基于CASS软件的土方计算

CASS 10米断面法计算软件采用沿纵轴每10米布置一条横断面的方法。横断面左右均延长至计算范围边界，横断面采点间距均为1米，然后分别采集内插点处的开挖后高程和原始地面高程，之后分别绘制断面线计算断面面积，通过软件计算两断面间的平均土方量，最终汇总得到该测区的土方量。

4.2 基于飞时达软件的土方计算

飞时达10米断面法计算软件采用沿纵轴每10米布置一条横断面的方法。横断面左右均延长至计算范围边界，横断面采点间距均为1米，然后分别采集内插点处的开挖后高程和原始地面高程，之后分别绘制断面线计算断面面积，通过软件计算两断面间的平均土方量，最终汇总得到该测区的土方量。

4.3 基于Civil3D的土方计算

Civil3D软件首先使用开挖前和开挖后的测量数据建立地形曲面，然后导入测区范围定义曲面边界，最后用分析菜单下的“土方计算”来算出两个曲面的填挖方。平台开挖前后三维模型对比如图1、图2所示。

图1 平台开挖前三维模型

图2 平台开挖后三维模型

4.4 基于ArcGIS的土方计算

ArcGIS软件首先使用开挖前和开挖后的测量数据建立不规则三角网（TIN），然后使用TIN转为栅格，导入测区边界进行栅格的裁剪，最后使用两个栅格文件进行填挖方计算。

4.5 结果对比

通过不同软件计算同一测区的方量得到不同的计算结果。飞时达和CASS软件是通过断面法计算土方量，通过加密断面发现挖方差值可以大幅度减小，但是填方反而出现增大的情况，通过分析可以得出：该差值变化与地形的复杂程度和断面的布置有关系。三期T55风机平台不同软件计算填挖方差值对比如表1所示。

表1 不同软件计算的填挖方数值比较 单位:方

通过三维设计软件Civil3D和ArcGIS软件计算的结果可以得知，这两种软件计算的结果由于计算方法均为建立地形曲面或者立体模型，所以计算结果与断面法有较大的差别，但是Civil3D和ArcGIS计算的结果相近，在实际计算中应该按照不同的施工阶段和要求选择合适的软件和模型进行计算。

4.6 可视化分析

结合现有的三维建模软件，通过三维坐标构建三角网进而生成数字高程模型，通过可视化模块可以直观地了解施工进度和开挖前后的对比，对分析决策和把握整体的施工进度有重要意义。结合现在主流的BIM技术可以向建设单位提供报表、断面和模型不同格式的方量计算数据，也可以将设计标高输入软件建立最终模型，通过分时段划分规划出不同时间段的施工进度和开挖方量，给工程项目管理和经费预算提供重要的数据支撑。

5.结束语

通过对三期T55风机平台方量的计算对比，发现施工单位的挖方差值较小，但是填方值差值较大。这次核算仅仅是核算施工单位前后两期的方量，方法和数据均与施工单位保持一致，且软件计算采用的都是纯数学模型和方法，未考虑施工过程中实际的压实系数等，所以最终的计算结果和实际土方会有差值。突飞猛进的航测技术和三维激光扫描技术能在很大程度上提高测绘作业的效率和精度。无人机航测技术通过倾斜摄影测量能建立真实的三维实景模型，该模型不仅能反映地形的起伏，还能真实反映地表的各种地物元素，可以使用三维软件的功能模块进行开挖方的演示和初算，使用无人机航测技术能快速高效地计算土方量，特别是对于陡峭岩体等测量仪器无法靠近的计算体，能较好地完成数据的采集和后期的计算。三维激光点云技术主要包括架站式的扫描仪和SLAM技术，通过测量距离和方位间接计算出土方体的三维真实坐标，进而获得土方体的三维数字模型进行方量计算。方量计算是一项传统的测量项目，如果结合最新的测绘技术，能使简单的方量计算精准化、可视化。