Civil 3D在场地土方量计算中的应用

Civil 3D在场地土方量计算中的应用
樊旭宏
【摘要】在实际工程中,场地的土方开挖是一个十分重要的过程,同时也是计算量相当大的过程.Civil 3D软件利用复合体积算法或者利用平均断面算法,使现有曲面与设计曲面之间的土方量变化得以快速地进行计算.并且能够生成土方调配图表,以便确定合适的挖填距离、要移动的土方数量及移动方向,为准确施工提供保证.
【期刊名称】《建材技术与应用》
【年(卷),期】2012(000)010
【总页数】3页(P42-44)
【关键词】Civil 3D;土方量;曲面
【作者】樊旭宏
【作者单位】山西职业技术学院,山西太原030006
【正文语种】中文
【中图分类】TU751
引言
场地土方量的计算，在工程的设计和施工阶段必不可少，且对场地高程计算数据的数量和质量要求均比较高。

虽然现在有土方量计算软件可以进行土方量的测算，例如HTCAD、CASS等，但大多数软件也只是增强了计算方法的多样性，对于数据的筛选、计算的精确度以及三维模型的支持力度还略显欠缺。

Civil 3D是一款针对多领域、一体化均适用的面向队形的三维市政设计软件，由Autodesk公司在城市基础设施行业推出，并且广泛应用于勘查测绘、地形地貌、土地规划、岩土工程等领域，可以有针对性地对场地平整、土方量计算、地形分析和调整测量数据、设计路线和纵横断面、创建或还原三维地形、生成道路模型、生成管线模型并对相应的工程土方量进行计算等。

1 Civil 3D对特定工程土石方量的计算原理及方法
在Civil 3D中，数字地形模型称为“曲面”，是以一块土地的三维空间模型表示的，该模型由栅格或三角形组成。

我们在野外所采集的高程点，相互之间组成了栅格或三角形。

在Civil 3D软件中，可以通过各种三维数据源构建三维地形曲面，并对等高线、高程分布、坡度、坡向、流域面积等空间表达进行分析；在进行曲面编辑时，可以同步更新体积、等高线、曲面分析等数据；在添加、删除、编辑源数据时，整个三维地形曲面就会由Civil 3D软件自动进行更新。

土石方量的计算就是曲面与曲面的叠加，在对每一个高程点的Z值进行差值计算后，再用三维几何计算模型进行精确地计算，但所依据不同的地形模型而采用不同的曲面构造方法。

可以将其分为以下几种情况：
1.1 栅格曲面
栅格曲面主要是由一些规则的点构成，用于平均分布的采样数据得到的均匀曲面。

栅格曲面能够使用均匀分布的数据源来映射较均匀的曲面；能够分析较为大型的研究区域。

1.2 三角网体积曲面(Tin)
由不规则的三角网中的三角形组成，三角网是由组成曲面三角剖分的三角形组成。

通过对某高程点所在的三角形的顶点的高程进行高程值的内插计算得到的就是曲面高程，这种曲面适用于由不规则分布的采样数据得到的多变复杂的曲面。

三角网体积曲面则指出了基准曲面和对照曲面之间的精确差异，并通过这样的对照，得出精
确的体积计算成果。

因此，三角网体积曲面中任何点的Z值都等于对照曲面与基
准曲面在该点处Z值的差。

无论对照曲面和基准曲面均为栅格曲面，或均为三角
网曲面，或其中一个为栅格曲面而另一个为三角网曲面，上述结论均成立。

三角网体积曲面是一个永久存在于模型中的曲面对象。

因此，可以显示填挖方等高线以及填挖方点，并可以将标签添加到三角网体积曲面中。

我们可以通过选择“曲面特性”标签来查看体积曲面的体积属性(挖方体积、填方体积、净体积)，这是基于面向对象的软件开发的优点。

1.3 三角网体量曲面
三角网体量曲面是由对照曲面和基准曲面中的点组合而成，由点的数据得到了对照曲面与基准面间的精确差异。

对照曲面和基准曲面在任何一点的Z值之差等于体
量曲面中该点的Z值，可以用此方法定义两个曲面间的精确差值及对应的测量值。

1.4 栅格体量曲面
栅格体量曲面是基准面与对照曲面的差，其形成是利用高程点的Z值生成栅格，
因此该曲面只在栅格点处存在精确的差值。

栅格体积曲面是基于用户指定的基准曲面与对照曲面之差、栅格间距以及栅格方向的栅格曲面。

栅格体积曲面可看作基准曲面与对照曲面之差。

栅格体积曲面的形成方式是利用高程点的Z值等于对照曲
面与基准曲面Z值之差的点来生成栅格。

因此，它仅在栅格点处给出了精确的差值。

无论对照曲面和基准曲面均为栅格曲面，或者均为三角网曲面，或者其中一个为栅格曲面而另一个为三角网曲面，上述结论均成立。

栅格体量曲面是一个永久存在于模型中的曲面对象。

因此，可以显示填挖方等高线以及填挖方点，并能够将标签添加到栅格体积曲面中。

通过选择“曲面特性”选项卡，可以查看体积曲面对应的体积特性(挖方、填方和净值)。

2 应用实例
以下通过工程中的具体实例，来体现Civil 3D在场地土石方量计算中的应用。

某
公司承建的某别墅小区，该小区的局部地势较高，最大高程达28 m之多，但设计标高仅有24.5 m，因此，要进行场地设计、场地平整并计算土石方量。

在平整场地前，需进行场地的竖向设计，预先了解场地的基本情况十分重要。

图1所示为提取场地自然标高数据后进行的场地地形模拟，图2为土方基本计算，图3为地形矫正。

图1 现状地形分析
外业通过先引入控制点，再利用全站仪对碎部点进行采集，从而得到地块的原始标高。

数据格式具体见图4。

再通过软件的数据导入功能将各个点的高程展绘到图上面，建立三角网曲面，从而生成三维模型。

图2 土方基本计算
图3 地形矫正
图4 土方数据表格输出格式
在软件中，可以调整不同类型土的压实系数和松散系数，从而能够根据不同类型的土质来设置相对应的系数，并设定对应土石方量的计算规则。

3 讨论
由形成不规则三角网的三角形组成了Civil 3D中的曲面，由三角网线组成了曲面三角剖分的三角形，为创建三角网线，Civil 3D连接了相互最接近的曲面点。

外业采集的高程点数越多，高程点分布越密集，即理论上组成曲面的三角形越多，实地地形就与所得模拟计算模型更加接近，土石方量所计算的数值就更加精确，但高程点密度过高会给外业采集工作增加相当大的工作量。

在三角网曲面中，对应特征线(例如陡坎、坡地等地形)将强制沿着对应特征线进行曲面三角剖分，其目的是为防止跨特征线进行三角剖分。

特征线是创建精确曲面模型的关键，因为特征线不仅仅代表的是空间数据，在确定整体空间模型的数据内插
中也有重要的基础作用。

因此，在测绘外业采集数据时，不仅要保证一定的采集密度，还要尽可能多地采集地形地貌中的特征点，从而使所建的三维空间模型与实际地形吻合，并且在计算中发挥Civil 3D强大的地形处理功能，能够更准确地计算土石方量。

4 结语
计算场地土石方量的方法和软件很多，但Civil 3D无论在速度、精度等各方面都明显优于其他方法和软件，尤其是Civil 3D软件能够根据数据实时生成场地高程的三维空间模型，该功能不仅方便外业数据的采集及采集数据的检查，还能使设计人员更好地、更直观地从图形方面了解地形的状况。

参考文献：
[1] 王振殿，王媞.Autodesk Civil 3D在斯里兰卡国际机场地势设计的应用[J].山西建筑，2012，38(18)：281-282.
[2] 汪海燕.基于方格网法对工程土方量精度计算的研究[J].山西建筑，2010，
36(20)：92-93.。