CN107392348A - 利用bim技术对土石方调配方案进行优化的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及土石方工程领域，尤其涉及一种利用BIM技术对土石方调配方案进行优化的方法。本发明采用专业设备采集初始地形数据，并根据BIM实景建模工具生成电子化初始地形图，然后利用专用于基础设施设计的BIM工具进行设计标高计算，形成电子化设计地形图，通过二者相交线及相对位置关系判定挖方区和填方区，然后通过计算各子区域的重心之间的直线距离，确定其单位运费，进而通过BIM软件计算出最小运费的土方调配方案并作为最优调配方案，数据采集精准，数据处理速度提高数十倍，计算精度可根据工程需要进行调整，能够完全满足现代施工要求。

Description

利用BIM技术对土石方调配方案进行优化的方法
技术领域
本发明涉及土石方工程领域，尤其涉及一种利用BIM技术对土石方调配方案进行优化的方法。
背景技术
土石方工程是道路、桥梁、水利、建筑、园林、农业和地下等各种工程施工的首项工程，主要包括场地平整、土石方开挖和填筑等主要施工过程。土方工程施工有以下特点：
(1)量大面广：某些大型工矿企业或机场的场地平整可达数十平方公里，大型公路工程一般都几十至几百公里长度，其中涉及到的土石方量巨大；
(2)工期长：工程量大势必导致工期长，某植物园的施工时间为十年，其中土方工程一项占了六年；
(3)投资大：工程量大、工期长的特点，必然需要巨大的投资，某植物园建造中，土方工程投资额占总投资额的三分之一。
土石方工程需要制定合理的调配方案，尽量减少运输距离，将运输费用降到最低。土石方工程一般包括如下施工步骤(1)测量场地的实际标高；(2)确定场地的设计标高；(3)计算土石方量；(4)优化土石方量的调配方案。
其中，场地的设计标高的确定、土石方量计算以及调配方案的优化都涉及大量的计算工作。传统的方式为采用手工计算，根据工程需要的精度在地形图上用插值法求出工程范围内坐标点的坐标，根据土石方平衡原则确定设计标高，然后根据角点法或断面法求出土石方量，最后根据表上作业法进行土石方的调配和优化。传统的方法有以下缺点：
(1)一个地形复杂的土石方工程，其地形图上的坐标点有上千甚至数万个之多，传统手工方法计算量极大，费时并容易出错，并且随着计算精度的提高，计算工作成倍增加；
(2)随着DB(DesignAnd Build，设计-建造模式)、EPC(Engineering ProcurementConstruction，工程总承包模式)、PPP(Public Private Partnership，公共部门与私人企业合作模式)等新的一批工程管理方式的扩大应用，“边设计，边施工”的项目情况也越来越多，土方工程施工中遇到设计变更的情况较以往更加频繁，传统方法中巨大的手工工作量，无法满足现代施工理念。
发明内容
针对现有技术中采用手工算法确定土石方调配方案工作效率地下、无法满足现有施工理念的技术问题，本发明提供了一种利用BIM技术对土石方调配方案进行优化的方法，利用BIM技术相关软件将采集的初始地形数据转变为电子化初始地形数据，并进行设计标高计算生成电子化设计地形图，然后计算土石方量及重心，计算单位运输成本，最后计算出运费为最小的土石方调配方案并作为最优调配方案，本发明中，计算精度可根据工程需要进行调整，处理速度提高数十倍乃至上百倍，能够完全满足现代施工要求。
为解决以上技术问题，本发明包括如下技术方案：
一种利用BIM技术对土石方调配方案进行优化的方法，包括如下步骤：
S1.根据项目场地范围的大小，选择无人机、GIS或卫星导航工具进行地形测量，采集初始地形数据；
S2.将步骤S1中采集的所述初始地形数据导入BIM实景建模工具，生成电子化初始地形图；
S3.将所述电子化初始地形图导入专门用于基础设施设计的BIM工具，根据土石方平衡原则，设定整个场地或各个子场地的设计标高，并形成电子化设计地形图；
S4.根据所述电子化设计地形图和所述电子化初始地形图，利用BIM工具计算出挖方区、填方区的位置和区域；
S5.将所述挖方区、所述填方区分别划分成若干个子区域，利用BIM工具可以计算各个子区域的体积和相应的重心，以及任意两个重心之间的直线距离，然后得到单位运费，计算出运费为最小的土石方调配方案并作为最优调配方案。
优选为，步骤S5包括如下步骤：
S5-1.将所述挖方区划分为m个挖方子区域，将所述填方区划分为n个填方子区域，计算第i个挖方子区域的土石方量ai、第j个填方子区域的土石方量bj；其中，i＝1，2，…m；j＝1，2，…n；
S5-2.计算第i个挖方子区域的土石方量ai的重心与第j个挖方子区域的土石方量bj的重心之间的距离，计算出从第i个挖方子区域到第j个挖方子区域单位运费cij；
S5-3.根据运费计算公式，利用单纯形法或闭合回路法算出最小运费Cmin；进而确定最优调配方案，其中公式如下：
其中，xij为第i个挖方子区域运送至第j个挖方子区域的土方量；
其中，由最小运费确定的最优调配方案。
优选为，步骤S4中，所述挖方区与所述填方区的判定方式为：所述电子化初始地形图高出所述电子化设计地形图的区域为挖方区，所述电子化设计地形图高出所述电子化初始地形图的区域为填方区，所述电子化初始地形图与所述电子化设计地形图的交线为所述挖方区与所述填方区的边界线。
优选为，还包括步骤S6：利用BIM工具将步骤S5中得到最优调配方案在地形图上直观显示出来。
本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：采用专业设备采集初始地形数据，并根据BIM实景建模工具生成电子化初始地形图，然后利用专用于基础设施设计的BIM工具进行设计标高计算，形成电子化设计地形图，通过二者相交线及相对位置关系判定挖方区和填方区，然后通过计算各子区域的重心之间的直线距离，确定其单位运费，进而通过BIM软件计算出最小运费的土方调配方案并作为最优调配方案，数据采集精准，数据处理速度提高数十倍，计算精度可根据工程需要进行调整，能够完全满足现代施工要求。
附图说明
图1为为本发明一实施例提供的利用BIM技术对土石方调配方案进行优化的方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提供的利用BIM技术对土石方调配方案进行优化的方法作进一步详细说明。结合下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。
本发明的主要出发点是：充分利用BIM(Building Information Modeling，建筑信息模型)技术，代替传统的手工计算，并采用土石方运费最低的方案作为最优的土石方调配方案。
一种利用BIM技术对土石方调配方案进行优化的方法，包括如下步骤：
S1.根据项目场地范围的大小，选择无人机、GIS或卫星导航工具进行地形测量，采集初始地形数据。其中，GIS(Geographic Information System，地理信息系统)是一个获取、存储、编辑、处理、分析和显示地理数据的空间信息系统，其核心是用计算机来处理和分析地理信息。目前，随着无人机测绘技术发展，利用无人机进行初始地形数据采集成本更低、操作更便捷。无人机上搭载GPS程控导航与航摄管理系统、数字航空摄影仪、云台、控制与记录系统等采集初始地形数据，然后利用数据处理系统对采集数据进行处理。
S2.将步骤S1中采集的初始地形数据导入BIM实景建模工具，生成电子化初始地形图。BIM实景建模工具，比如ContextCapture，MenciAPS等软件均可根据航拍的初始地形数据，创建逼真的三维地形图。
S3.将电子化初始地形图导入专门用于基础设施设计的BIM工具，根据土石方平衡原则，设定整个场地或各个子场地的设计标高，并形成电子化设计地形图。所谓土石方平衡原则，就是在计算设计标高时，使挖方区的土方量等于填方区的土方量。专门用于基础设施设计的BIM工具，可采用PowerCivil内嵌工具，PowerCivil提供了测量、图形坐标几何(graphicalcoordinategeometry)、数值地形模型(digital terrain modeling)、区域重划(subdivision planning and layout)等功能。
作为举例，可以根据土石方平衡原则确定整个场地的设计标高，也可以将整个场地划分为多个子场地，并计算各个子场地设计标高。确定场地设计标高的过程是个迭代过程，可以在软件里手动迭代，也可以利用BIM软件提供的二次开发功能进行自动迭代，从而得到优化的设计标高。具体为：选定参照基准面，将电子化初始地形图划分为正投影为a×a的小方格，计算某一小方格四个角处标高并取平均值作为该某一小方格处的初始地形的高程，然后计算所有小方格对应的初始地形的平均高程，该平均高程可作为设计标高。进一步，在土石方平衡原则下，还可以根据实际地形，对设计标高进行单方向或多方向坡度优化。
S4.根据电子化设计地形图和电子化初始地形图，利用BIM工具计算出挖方区、填方区的位置和区域。其中挖方区与填方区的判定方式为：电子化初始地形图高出电子化设计地形图的区域为挖方区，电子化设计地形图高出电子化初始地形图的区域为填方区，电子化初始地形图与电子化设计地形图的交线为挖方区与填方区的边界线。
S5.将挖方区、填方区分别划分成若干个子区域，利用BIM工具可以计算各个子区域的体积和相应的重心，以及任意两个重心点之间的距离，根据距离得到单位运费，算出运费为最小的土方调配方案。
优选的实施方式为，步骤S5包括如下步骤：
S5-1.将挖方区划分为m个挖方子区域，将填方区划分为n个填方子区域，计算第i个挖方子区域的土石方量ai、第j个填方子区域的土石方量bj；其中，i＝1，2，…m；j＝1，2，…n。土石方量ai、bj为相应子区域的体积。
S5-2.计算第i个挖方子区域的土石方量ai的重心与第j个挖方子区域的土石方量bj的重心之间的距离，计算出从第i个挖方子区域到第j个挖方子区域单位运费cij。为简化计算，可假定各子区域的土石方密度相同，进而计算相应子区域的重心的位置，并计算各子区域重心之间的直线距离，从而得出单位运费cij。
S5-3.根据运费计算公式，利用单纯形法或闭合回路法算出最小运费Cmin；进而确定最优调配方案，其中公式如下：
其中，xij为第i个挖方子区域运送至第j个挖方子区域的土方量；
其中，由最小运费确定的最优调配方案。
优选的实施方式为，在步骤S5之后还包括步骤S6：利用BIM工具将步骤S5中得到最优调配方案，在地形图上直观显示出来。将最优调配方案的调配的土石方量和具体的调配路线图在电子化初始地形图上显示出来，供设计或施工人员参考。
本发明所提供的利用BIM技术对土石方调配方案进行优化的方法，初始地形数据采集精准、便捷，设计标高、土石方量的以及最低运费均采用BIM相关软件进行，计算精度可根据工程需要进行调整，处理速度提高数十倍，能够满足现代施工要求。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (4)

1.一种利用BIM技术对土石方调配方案进行优化的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.根据项目场地范围的大小，选择无人机、GIS或卫星导航工具进行地形测量，采集初始地形数据；
S2.将步骤S1中采集的所述初始地形数据导入BIM实景建模工具，生成电子化初始地形图；
S3.将所述电子化初始地形图导入专门用于基础设施设计的BIM工具，根据土石方平衡原则，设定整个场地或各个子场地的设计标高，并形成电子化设计地形图；
S4.根据所述电子化设计地形图和所述电子化初始地形图，利用BIM工具计算出挖方区、填方区的位置和区域；
S5.将所述挖方区、所述填方区分别划分成若干个子区域，利用BIM工具可以计算各个子区域的体积和相应的重心，以及任意两个重心之间的直线距离，然后得到单位运费，计算出运费为最小的土石方调配方案并作为最优调配方案。
2.如权利要求1所述的利用BIM技术对土石方调配方案进行优化的方法，其特征在于，步骤S5包括如下步骤：
S5-1.将所述挖方区划分为m个挖方子区域，将所述填方区划分为n个填方子区域，计算第i个挖方子区域的土石方量ai、第j个填方子区域的土石方量bj；其中，i＝1，2，…m；j＝1，2，…n；
S5-2.计算第i个挖方子区域的土石方量ai的重心与第j个挖方子区域的土石方量bj的重心之间的距离，计算出从第i个挖方子区域到第j个挖方子区域单位运费cij；
S5-3.根据运费计算公式，利用单纯形法或闭合回路法算出最小运费Cmin；进而确定最优调配方案，其中公式如下：
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其中，xij为第i个挖方子区域运送至第j个挖方子区域的土方量；
其中，由最小运费确定的最优调配方案。
3.如权利要求1所述的利用BIM技术对土石方调配方案进行优化的方法，其特征在于，步骤S4中，所述挖方区与所述填方区的判定方式为：所述电子化初始地形图高出所述电子化设计地形图的区域为挖方区，所述电子化设计地形图高出所述电子化初始地形图的区域为填方区，所述电子化初始地形图与所述电子化设计地形图的交线为所述挖方区与所述填方区的边界线。
4.如权利要求1所述的利用BIM技术对土石方调配方案进行优化的方法，其特征在于，还包括步骤S6：利用BIM工具将步骤S5中得到最优调配方案在地形图上直观显示出来。
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