【BIM学院】第一百一十六期 BIM技术在土石方工程中的应用

土石方工程量的核算在工程预、结算中经常存在较大争议，BIM建模模拟土石方的开挖、回填的方法不仅可以让人直观感受到土石方的挖运分析与运算，还能做到土方平衡计算的精确化与精细化，减少争议，为项目成本管控发挥重要作用。

一、BIM技术在土石方工程量中的计算思路

本篇文章使用Revit软件来呈现BIM土方计算的思路。

Revit是一款非常智能的设计工具，它能通过参数驱动模型，及时呈现“所见即所得”。我们何不利用Revit软件依据实际情况绘制出模拟的挖填土方模型，进而得出挖填土方的工程量呢？  

需解决的问题：

1. 如何从原始地貌提取出初始数据?

2. 如何把数据模型转化为BIM模型?

3. 如何从BIM模型得到土方工程量?

解决方法：

1. 利用无人机航拍及点云三维成像技术形成模型数据

2. 将影像资料通过软件处理达到模型原材料数据

3. 把数据导入Revit软件之中生成原始地貌模型

4. 再根据设计图纸在原自然地坪模型的基础上绘制基坑开挖模型，两模型之间的差异体量及为土石方开挖量模型，利用Revit直接导出报表则得出土石方开挖量。

（一）从原始地貌提取初始数据 

无人机摄影测量日益成为一项新兴的测绘重要手段，其具有续航时间长、成本低、机动灵活等优点，是卫星遥感与有人机航空遥感的有力补充。

无人机低空航摄系统一般由地面系统、飞行平台、传感器、数据处理等四部分组成。地面系统包括用于作业指挥、后勤保障的车辆等；飞行平台包括无人机飞机、维护系统、通讯系统等；影像获取系统包括电源、GPS程控导航与航摄管理系统、数字航空摄影仪、云台、控制与记录系统等。数据处理系统包括空三测量、正射纠正、立体测图等。

在某案例中我们对原始地貌进行拍照勘测，利用大疆无人机对被测绘的场地地形进行全方位的拍照记录。

某案例中我们让无人机飞行到一定高度，高度由照片的精细程度而决定，较高的照片精细度需要无人机低空飞行来采集到更细致的地貌特征，但是过低的飞行高度也会造成镜头视角范围有限，造成测绘工作效率过低。在无人机飞行到适当高度以后,机载的航拍相机镜头垂直地面往下拍摄，无人机的航拍路线采用“之”字形沿场地的某一方向来回往返，而无人机的高度始终保持一个海拔面上。这样机载镜头的视角范围呈现带状按次序逐步覆盖全部场地，这就实现了对地形逻辑有序的全覆盖拍摄。

将无人机对土方施工场地全方位航拍到位后，在现场或办公区用电脑查看无人机数据存储SD卡照片文件夹，这时文件夹内的照片是通过编号有序排列的，通过观察照片范围可以看出相机位置在往一个方向平移，上下两张照片之间有重叠区域。这时，每张照片都带有该片拍摄时的经纬度、海拔高度、拍摄姿态（角度）等POS信息，这是初始的关键信息。

（二）初始数据转化为BIM模型

REVIT软件对带有经纬度、海拔高度、拍摄姿态（角度）等POS信息的照片是不能直接识别的，需要通过一个“中转站”对照片进行处理。运用专业的平面影响构建3D模型软件能够将照片处理成点云数据，本篇文章以PHOTOCSAN软件为例讲述。

1. 对齐照片：Photoscan会按照每张照片的经纬度、高度和角度还原出每个镜头的位置，如图示蓝色镜头示意图按照“之”字形依序排列。

2. 建立密集云：Photoscan将会计算每个点之间的关系，将每一个识别出来的点列入密集计算中

3. 生成网格：有了各个点间的矢量函数关系，Photoscan变了将它们按照实际情况连接起来，构建成为点线面的3D模型

4. 生成纹理：Photoscan根据建立密集云时的数据，将平面影像分配给3D模型，此时的模型拥有内部结构和外部图像，已经形成了初步的3D模型

至此带有材质覆面的点线面三维模型已在Photoscan中呈现出来，软件能够导出多种格式的文件，将Photoscan导出点云文件，并加载到AutoCAD中，则可在CAD三维视图中转变为具有高程性质的线模型，即得到带有高程点的三维CAD模型。

（三）BIM模型得出土方工程量 

1. 把三维CAD模型导入Revit软件，会在三维视图中生成一个模型，即“原始地貌模型”。

2. 如何在“原始地貌模型”的基础上得到土石方的挖填方量，下面有两种方法。

“建筑地坪“命令

a.    把“原始地貌”的创建阶段设置为“现有”。

b.    选择体量和场地选项卡中的“平整区域”命令，弹出的对话框点击“创建与现有地形表面完全相同的新地形表面”，点选原有地形打勾确认。

c.    选择体量和场地选项卡中的“建筑地坪”命令，我们参照已有的基坑沟槽二维图纸，运用绘制轮廓与设置标高、坡度的方式自行绘制地坪草图并打勾确认，此时新建地形为“新构造”。

d.    点选“新构造”的地形，软件会自动选择“新构造”与“现有”之间的土方体量，并且左侧属性栏会显示“净剪切/填充”、“填充”、“截面”的值，这些值即为“挖填方净值”、“填方”、“挖方”的量，则土石方的挖方、填方与挖填方净值直接显示出来。

e.    最后需要提出的是，这一方法有一个缺陷：不能在新构造的“建筑地坪”的基础上继续编辑地形，即我们的地形需要在同一区域一次性编辑到位。

“平整区域”命令

a.    把“原始地貌”的创建阶段设置为“现有”。

b.    选择体量和场地选项卡中的“平整区域”命令，弹出的对话框点击“创建与现有地形表面完全相同的新地形表面”或“仅基于周界点新建地形表面”。这时我们参照已有的基坑沟槽二维图纸，运用消除原地形的高程点与创建开挖后的高程点的方式，自行创建想要开挖到的地形表面，并打勾确认。

c.    点选“新构造”的地形，软件会自动选择“新构造”与“现有”之间的土方体量，并且左侧属性栏会显示“净剪切/填充”、“填充”、“截面”的值，这些值即为“挖填方净值”、“填方”、“挖方”的量，则土石方的挖方、填方与挖填方净值直接显示出来。

d.    在这个方法的基础上，则能继续编辑地形。如果要继续开挖并计算，将原先“现有”的地形删除，将编辑过的“新构造”地形创建阶段设置为“现有”，后续方法如上。

二、BIM土石方算量技术优势

传统的土方计算方法存在着计算量大、计算精度不高、数据量大等缺点，而利用“根据地形特征进行区域划分-近似简化-采取合适的测量方法取得地形三维特征数据-最后通过三维重构的方法得出计算结果”思维的BIM方法能够实现快捷精确的计算方法，并且能做到“实际与模型的精确对应”和“所见即所得”。随着摄影成像的技术迅速崛起，大量国内外优秀的摄影成像软件已具备了一定的模型分析和计算的能力，未来从地形测量到土方计算结果的获得，人工成本和时间成本都将大大降低，同时测量的精度也会比传统测量方法要高上许多。

三、BIM在土石方平衡中的应用展望 

1. 土石方挖填方量的造价分析：运用BIM建模的方法模拟土石方开挖与回填，在直观有效地开展土石方的挖运分析与运算基础上，做到土方平衡计算的精确化与精细化，节约解决争议的时间，对项目成本管控发挥重要作用。

2. 土方工程施工仿真模拟：在REVIT之中演算好土方模型后，同时建立土方机械模型（挖掘机、运土车），用内建体量模型模拟单位运土车的土方倒序铺设，把模型全导入Navisworks或者Lumion中制作演示动画。

3. 制作土方施工方案：运用Microsoftproject结合施工动画制作初始施工进度表，运用Navisworks演示（尽可能考虑到现场每一个实际情况），得出现场车辆运行路线、路线碰撞等预知信息，并在此信息上不断优化施工方案。

往期精彩：

【BIM学院】第一百一十五期 BIM的现实与追求

【BIM学院】第一百一十四期 BIM应用经验分享

【BIM学院】第一百一十三期 这个BIM，比百度百科还全面！

【BIM学院】第一百一十二期 BIM技术在暖通设计中的优势及应用

更多精彩内容，尽在行见BIM公众号！