CN114417459A - 一种基于cim技术的土石方平衡分析方法及系统 - Google Patents

一种基于cim技术的土石方平衡分析方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于建筑施工技术领域，提供了一种基于CIM技术的土石方平衡分析方法及系统，该方法包括获取待测区域现状地形数据和待测区域的二维竖向设计图；基于待测区域现状地形数据构建现状地形数字高程模型；根据待测区域的二维竖向设计图，构建设计地形数字高程模型；将所述现状地形数字高程模型和设计地形数字高程模型叠加进行三维地质分层模拟，得到土方和石方量分类结果；基于土方和石方量分类结果分析制定全地块土方平衡和单地块土方平衡挖填方案。

Description

一种基于CIM技术的土石方平衡分析方法及系统
技术领域
本发明属于建筑施工技术领域，尤其涉及一种基于CIM技术的土石方平衡分析方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
土方量的测量和计算作为工程建设前期阶段一项不可或缺的工作，土方量计算结果的精确性和准确性直接关系到工程量预算、施工组织设计和施工现场的工作安排，对工程建设具有重要影响。
目前土石方的平衡分析中，面临如下技术问题：
(1)地形情况复杂多变，无法全面反映真实地表；
(2)前提调整策略考虑不充分，造成后期施工时遇到困难，需要重新调整，浪费人力物力；
(3)信息严重不对称，土石方计算数据与实际施工数据误差巨大，施工结算困难；
(4)常规的土方平衡分析方法粗放，与实际的土石方计算结果相差较大，存在很大的误差；容易造成二次或多次搬运，增加了成本。
发明内容
为了解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题，本发明提供一种基于CIM技术的土石方平衡分析方法及系统，其通过三维激光点云扫描技术获取现状地貌，构建高精度现状地形数字高程模；根据场地竖向设计图、地下建筑竖向设计图，构建场地、地下向设计数字高程模型；现状地形数字高程模型与竖向设计数字高程模型叠加计得出场地填挖方量。从土石方角度提出竖向设计高程调整区间及合理化建议。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面提供一种基于CIM技术的土石方平衡分析方法，包括如下步骤：
获取待测区域现状地形数据和待测区域的二维竖向设计图；
基于待测区域现状地形数据构建现状地形数字高程模型；
根据待测区域的二维竖向设计图，构建设计地形数字高程模型；
将所述现状地形数字高程模型和设计地形数字高程模型叠加进行三维地质分层模拟，得到土方和石方量分类结果；
基于土方和石方量分类结果分析制定全地块土方平衡和单地块土方平衡挖填方案。
本发明的第二个方面提供一种基于CIM技术的土石方平衡分析系统，包括：
数据获取模块，被配置为：获取待测区域现状地形数据和待测区域的二维竖向设计图；
数字高程构建模块，被配置为：基于待测区域现状地形数据构建现状地形数字高程模型；
根据待测区域的二维竖向设计图，构建设计地形数字高程模型；
土石方平衡方案生成模块，被配置为：将所述现状地形数字高程模型和设计地形数字高程模型叠加进行三维地质分层模拟，得到土方和石方量分类结果；
基于土方和石方量分类结果分析制定全地块土方平衡和单地块土方平衡挖填方案。
本发明的第三个方面提供一种计算机可读存储介质。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述所述的一种基于CIM技术的土石方平衡分析方法中的步骤。
本发明的第四个方面提供一种计算机设备。
一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的一种基于CIM技术的土石方平衡分析方法中的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、通过优化竖向设计，提前统筹提前介入，根据土方工程量计算结果，与设计师沟通，对竖向设计提出合理化建议，尽可能减少大开挖或者大回填，通过精细化土、石计算，在符合规划设计前提下，减少释放量爆破开挖工作，缩短工期，大幅降低土石方成本投入。
2、三维可视化，降低管理难度，提高沟通效率三维模型更加直观的反应出现场概况，动态的标识出土方挖填的变化过程。通过GIS平台，区域内所有要素均以三维形态展示，便于业主、设计及施工人员理解与执行。
3、高精度数据支持预算与结算GIS平台下，土石方计算精度主要取决于现状地形数据与规划设计地形数据精度，现状地形数据若采用三维激光点云扫描，则精度可达毫米级别。为业主工程预算提供真实、可靠依据，辅助决策。
4、辅助实现精确分包，节约成本依靠科学的手段和精确的结果，能够对当前土方市场鱼龙混杂的实施单位进行有效控制，传统方格网算法达不到准确与精细，使土方挖填量存在引发纠纷的隐患，利用数字化手段得到的准确挖填量，能够作为分包的依据，实施精确成本控制，避免施工方谎报瞒报。
5、缩短工期通过对竖向设计方案进行分析论证，可明显缩短设计调整周期与次数；通过减少土石方工程量并按施工标段细化挖填区域面积、体积，辅助提高施工效率，大大缩短项目施工工期，最终使整个项目工期明显缩短。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是基于CIM技术的土石方平衡分析方法流程示意图；
图2(a)-图2(b)是三维激光点云数据；
图3是地形数字高程模型提取过程；
图4(a)-图4(c)是土石方分类统计结果；
图5为单地块挖填方分析结果分区图；
图6(a)-图6(b)为单地块土方平衡成果图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
本申请的整体技术方案思想为：通过三维激光点云扫描技术获取现状地貌，构建高精度现状地形数字高程模；根据场地竖向设计图、地下建筑竖向设计图，构建场地、地下向设计数字高程模型；现状地形数字高程模型与竖向设计数字高程模型叠加计得出场地填挖方量。从土石方角度提出竖向设计高程调整区间及合理化建议。
术语解释：
CIM(City Information Modeling)，指的是城市信息模型，是对城市各要素及其时空状态信息的数字化描述和表达。从CIM本身的特性来看，它是一种数字化描述方式，其描述对象主要是城市的物理和功能特征；从CIM作为资源的角度来看，它是一种可以共享的且需要多方协同维护的信息集，主要体现为在基于面向城市运行管理的CIM平台上进行整个城市的信息化运行管理；从面向城市运行管理的CIM的整个工作周期来看，它是一个不断为改善城市服务和功能提供相关决策信息的的周期循环过程。
实施例一
如图1-3所示，本实施例提供了一种基于CIM技术的土石方平衡分析方法，包括如下步骤：
步骤一：获取待测区域现状地形数据和待测区域的二维竖向设计图；
步骤二：基于待测区域现状地形数据构建现状地形数字高程模型；
步骤三：根据待测区域的二维竖向设计图，构建设计地形数字高程模型；
步骤四：将所述现状地形数字高程模型和设计地形数字高程模型叠加进行三维地质分层模拟，得到土方和石方量分类结果；
步骤五：基于土方和石方量分类结果分析制定全地块土方平衡和单地块土方平衡挖填方案。
其中，步骤一中，所述待测区域现状地形数据和待测区域的二维竖向设计图包括：
所述待测区域现状地形数据通过三维激光点云扫描技术获取，对于山地项目，由于地形变化复杂，植被覆盖较多，本实施例通过三维激光扫描技术获取高精度现状地形数据，该技术具有精度高、速度快等特点，作为后续设计、分析计算的基础数据使用。通过三维激光点云扫描设备获取到的现状地形可有效避免常规测绘带来的问题，并且可以生成任意比例尺的地形图数据，满足政府部门报规和设计师使用要求。如图2所示，为贵州凯里三维激光点云数据。
所述待测区域及周边数据采集通过无人机实地拍摄。
如图4(a)-图4(c)所示，为三维地质分层模拟的结果图，所述三维地质分层模拟结果根据获取地质勘探资料，利用GIS技术进行模拟得到。
其中，所述土方和石方量分类结果包括：按照土石方的坚硬和开挖难易程度分类为一、二类土(亦称普通土)，三类土(亦称坚土)，四类土(亦称砂砾坚土)；按照开挖方式分为：人工土石方、机械土石方；按照施工过程分为平整场地、开挖土方(槽、坑、土方、山坡切土)、石方工程、土石方运输、土方回填、打夯、碾压等。
步骤五中，基于土方和石方量分类结果分析制定全地块土方平衡和单地块土方平衡挖填方案，包括：
基于分类结果计算待测区域全地块整体土方算量；
依据全地块土方计算原则，根据全地块整体土方算量得到全地块整体土方平衡结果；
基于全地块整体土方平衡结果，计算各个单地块土方算量；
依据单地块土方计算原则，对单地块进行挖填量分析以及剖面分析，得到各个单地块土方平衡挖填方案。
针对占地规模大、地形复杂、土石方工程量大、建筑体量大、投资额度高等类项目，首先进行项目整体土方算量，一方面掌握项目土石方挖填分布情况，另一方面基于土方挖填情况对项目进行平衡分析计算与优化，不但确保了土石方工程成本计算的准确性，同时对单地块土方优化提供先决条件。
所述全地块土方计算原则为：力求达到挖方与填方平衡和运距最短的原则；近期施工与后期利用的原则，行土方调配，必须依据现场具体情况、有关技术资料、工期要求、土方施工方法与运输方法，综合上述原则，并经计算比较，选择经济合理的调配方案。
所述全地块土方计算具体的过程为：
在挖方区和填方区内划出若干个调配区；
分别计算挖方区和填方区内各调配区的土方量；
计算挖方区内每个调配区至填方区内每个调配区的平均运距；
采用就近调配法，确定土方总运输量为最小值。
其中，所述挖方区内每个调配区至填方区内每个调配区的平均运距为：挖方区内每个调配区的几何中心至填方区内每个调配区的几何中心的距离。
其中，采用就近调配法包括：从挖方区内调配区至填方区内调配区的平均运距最小的路径开始，依次将其土方调配量设置为等于该路径下土方可调配量的最大值，平均运距越小，其土方调配量设置为越大，平均运距越大，其土方调配量设置为越小，从而提高降低运输成本。
基于全地块土方平衡结果，对单地块进行更精确的土方算量，依据单地块土方计算原则，对单地块进行挖填量分析、剖面分析，针对当前地块竖向设计方案提出合理化。
所述单地块挖填方计算原则为：包括各个地块开挖方量计算原则和各个地块回填方量计算原则。
所述各个地块开挖方量为基坑开挖方量、肥槽开挖方量、商业单体范围挖方量以及周边场地平整开挖方量的和；
所述各个地块回填方量为基坑回填方量、肥槽回填方量、商业单体范围回填方量以及周边场地平整回填方量的和。
如图5所示，第一部分为基坑开挖区域；第二部分为肥槽与商业单体范围(具体指基坑范围线到地上建筑(商业)外边线往外1m区域)；第三部分为周边场地平整范围(具体指地上建筑(商业)外边线网外1m的线到用地红线区域)。
如图6(a)-图6(b)为单地块土方平衡成果图，通过土方平衡图计算出场内高处需要挖出的土方量和低处需要填进的土方量，就知道计划外运进、出的土方量。这就是场内平衡工作。在计划基础开挖施工时，尽量减少外运进、出的土方量的工作，不仅关系土方费用，也将对现场平面布置具有显著影响。
对于分期开的项目，根据开发节奏与各个地块挖填方量，分析制定合理的土方调配方案，避免土石方二次或多次搬运造成的成本增加。本实施例所述分析方法在济南万达文旅城项目开发实施中取得了极好的效果，基本上完全避免了土方二次或多次搬运，同时通过对每个地块的挖填量分析，将挖出的土方直接运到需要回填的地块，总工程量也得到了大幅降低，达到施工便利，成本最低的目的。
实施例二
本实施例提供一种基于CIM技术的土石方平衡分析系统，包括：
数据获取模块，被配置为：获取待测区域现状地形数据和待测区域的二维竖向设计图；
数字高程构建模块，被配置为：基于待测区域现状地形数据构建现状地形数字高程模型；
根据待测区域的二维竖向设计图，构建设计地形数字高程模型；
土石方平衡方案生成模块，被配置为：将所述现状地形数字高程模型和设计地形数字高程模型叠加进行三维地质分层模拟，得到土方和石方量分类结果；
基于土方和石方量分类结果分析制定全地块土方平衡和单地块土方平衡挖填方案。
实施例三
本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述所述的一种基于CIM技术的土石方平衡分析方法中的步骤。
实施例四
本实施例提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的一种基于CIM技术的土石方平衡分析方法中的步骤。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(RandomAccessMemory，RAM)等。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于CIM技术的土石方平衡分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
获取待测区域现状地形数据和待测区域的二维竖向设计图；
基于待测区域现状地形数据构建现状地形数字高程模型；
根据待测区域的二维竖向设计图，构建设计地形数字高程模型；
将所述现状地形数字高程模型和设计地形数字高程模型叠加进行三维地质分层模拟，得到土方和石方量分类结果；
基于土方和石方量分类结果分析制定全地块土方平衡和单地块土方平衡挖填方案。
2.如权利要求1所述的一种基于CIM技术的土石方平衡分析方法，其特征在于，所述基于土方和石方量分类结果分析制定全地块土方平衡和单地块土方平衡挖填方案，包括：
基于分类结果计算待测区域全地块整体土方算量；
依据全地块土方计算原则，根据全地块整体土方算量得到全地块整体土方平衡结果；
基于全地块整体土方平衡结果，计算各个单地块土方算量；
依据单地块土方计算原则，对单地块进行挖填量分析以及剖面分析，得到各个单地块土方平衡挖填方案。
3.如权利要求2所述的一种基于CIM技术的土石方平衡分析方法，其特征在于，所述全地块土方计算具体的过程为：
在挖方区和填方区内划出若干个调配区；
分别计算挖方区和填方区内各调配区的土方量；
计算挖方区内每个调配区至填方区内每个调配区的平均运距；
采用就近调配法，确定土方总运输量为最小值。
4.如权利要求3所述的一种基于CIM技术的土石方平衡分析方法，其特征在于，所述挖方区内每个调配区至填方区内每个调配区的平均运距为：挖方区内每个调配区的几何中心至填方区内每个调配区的几何中心的距离。
5.如权利要求1所述的一种基于CIM技术的土石方平衡分析方法，其特征在于，所述单地块土方计算原则包括各个地块开挖方量和各个地块回填方量的计算。
6.如权利要求5所述的一种基于CIM技术的土石方平衡分析方法，其特征在于，各个地块开挖方量为基坑开挖方量、肥槽开挖方量、商业单体范围挖方量以及周边场地平整开挖方量的和；
所述各个地块回填方量为基坑回填方量、肥槽回填方量、商业单体范围回填方量以及周边场地平整回填方量的和。
7.如权利要求1所述的一种基于CIM技术的土石方平衡分析方法，其特征在于，所述待测区域现状地形数据通过三维激光点云扫描技术获取。
8.一种基于CIM技术的土石方平衡分析系统，其特征在于，包括：
数据获取模块，被配置为：获取待测区域现状地形数据和待测区域的二维竖向设计图；
数字高程构建模块，被配置为：基于待测区域现状地形数据构建现状地形数字高程模型；
根据待测区域的二维竖向设计图，构建设计地形数字高程模型；
土石方平衡方案生成模块，被配置为：将所述现状地形数字高程模型和设计地形数字高程模型叠加进行三维地质分层模拟，得到土方和石方量分类结果；
基于土方和石方量分类结果分析制定全地块土方平衡和单地块土方平衡挖填方案。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-7中任一项所述的一种基于CIM技术的土石方平衡分析方法中的步骤。
10.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-7中任一项所述的一种基于CIM技术的土石方平衡分析方法中的步骤。
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