土石方工程中的BIM技術運用

土石方工程量的核算在工程預、結算中經常存在較大爭議，BIM建模模擬土石方的開挖、回填的方法不僅可以讓人直觀感受到土石方的挖運分析與運算，還能做到土方平衡計算的精確化與精細化，減少爭議，為項目成本管控發揮重要作用。

BIM技術在土石方工程量中的計算思路

本篇文章使用Revit軟件來呈現BIM土方計算的思路。

Revit是一款非常智能的設計工具，它能通過參數驅動模型，及時呈現“所見即所得”。我們何不利用Revit軟件依據實際情況繪製出模擬的挖填土方模型，進而得出挖填土方的工程量呢？

需解決的問題：

1. 如何從原始地貌提取出初始數據?

2. 如何把數據模型轉化為BIM模型?

3. 如何從BIM模型得到土方工程量?

解決方法：

1. 利用無人機航拍及點雲三維成像技術形成模型數據；

2. 將影像資料通過軟件處理達到模型原材料數據；

3. 把數據導入Revit軟件之中生成原始地貌模型；

4. 再根據設計圖紙在原自然地坪模型的基礎上繪製基坑開挖模型，兩模型之間的差異體量及為土石方開挖量模型，利用Revit直接導出報表則得出土石方開挖量。

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從原始地貌提取初始數據

無人機攝影測量日益成為一項新興的測繪重要手段，其具有續航時間長、成本低、機動靈活等優點，是衞星遙感與有人機航空遙感的有力補充。

無人機低空航攝系統一般由地面系統、飛行平台、傳感器、數據處理等四部分組成。地面系統包括用於作業指揮、後勤保障的車輛等；飛行平台包括無人機飛機、維護系統、通訊系統等；影像獲取系統包括電源、GPS程控導航與航攝管理系統、數字航空攝影儀、雲台、控制與記錄系統等。數據處理系統包括空三測量、正射糾正、立體測圖等。

在某案例中我們對原始地貌進行拍照勘測，利用大疆無人機對被測繪的場地地形進行全方位的拍照記錄。

某案例中我們讓無人機飛行到一定高度，高度由照片的精細程度而決定，較高的照片精細度需要無人機低空飛行來採集到更細緻的地貌特徵，但是過低的飛行高度也會造成鏡頭視角範圍有限，造成測繪工作效率過低。在無人機飛行到適當高度以後,機載的航拍相機鏡頭垂直地面往下拍攝，無人機的航拍路線採用“之”字形沿場地的某一方向來回往返，而無人機的高度始終保持一個海拔面上。這樣機載鏡頭的視角範圍呈現帶狀按次序逐步覆蓋全部場地，這就實現了對地形邏輯有序的全覆蓋拍攝。

將無人機對土方施工場地全方位航拍到位後，在現場或辦公區用電腦查看無人機數據存儲SD卡照片文件夾，這時文件夾內的照片是通過編號有序排列的，通過觀察照片範圍可以看出相機位置在往一個方向平移，上下兩張照片之間有重疊區域。這時，每張照片都帶有該片拍攝時的經緯度、海拔高度、拍攝姿態（角度）等POS信息，這是初始的關鍵信息。

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初始數據轉化為BIM模型

REVIT軟件對帶有經緯度、海拔高度、拍攝姿態（角度）等POS信息的照片是不能直接識別的，需要通過一個“中轉站”對照片進行處理。運用專業的平面影像構建3D模型軟件能夠將照片處理成點雲數據，本篇文章以PHOTOCSAN軟件為例講述。

1. 對齊照片：Photoscan會按照每張照片的經緯度、高度和角度還原出每個鏡頭的位置，如圖示藍色鏡頭示意圖按照“之”字形依序排列。

2. 建立密集雲：Photoscan將會計算每個點之間的關係，將每一個識別出來的點列入密集計算中。

3. 生成網格：有了各個點間的矢量函數關係，Photoscan變了將它們按照實際情況連接起來，構建成為點線面的3D模型。

4. 生成紋理：Photoscan根據建立密集雲時的數據，將平面影像分配給3D模型，此時的模型擁有內部結構和外部圖像，已經形成了初步的3D模型。

至此帶有材質覆面的點線面三維模型已在Photoscan中呈現出來，軟件能夠導出多種格式的文件，將Photoscan導出點雲文件，並加載到AutoCAD中，則可在CAD三維視圖中轉變為具有高程性質的線模型，即得到帶有高程點的三維CAD模型。

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BIM模型得出土方工程量

1. 把三維CAD模型導入Revit軟件，會在三維視圖中生成一個模型，即“原始地貌模型”。

2. 如何在“原始地貌模型”的基礎上得到土石方的挖填方量，下面有兩種方法。

“建築地坪“命令

a. 把“原始地貌”的創建階段設置為“現有”。

b. 選擇體量和場地選項卡中的“平整區域”命令，彈出的對話框點擊“創建與現有地形表面完全相同的新地形表面”，點選原有地形打勾確認。

c. 選擇體量和場地選項卡中的“建築地坪”命令，我們參照已有的基坑溝槽二維圖紙，運用繪製輪廓與設置標高、坡度的方式自行繪製地坪草圖並打勾確認，此時新建地形為“新構造”。

d. 點選“新構造”的地形，軟件會自動選擇“新構造”與“現有”之間的土方體量，並且左側屬性欄會顯示“淨剪切/填充”、“填充”、“截面”的值，這些值即為“挖填方淨值”、“填方”、“挖方”的量，則土石方的挖方、填方與挖填方淨值直接顯示出來。

e. 最後需要提出的是，這一方法有一個缺陷：不能在新構造的“建築地坪”的基礎上繼續編輯地形，即我們的地形需要在同一區域一次性編輯到位。

“平整區域”命令

a. 把“原始地貌”的創建階段設置為“現有”。

b. 選擇體量和場地選項卡中的“平整區域”命令，彈出的對話框點擊“創建與現有地形表面完全相同的新地形表面”或“僅基於周界點新建地形表面”。這時我們參照已有的基坑溝槽二維圖紙，運用消除原地形的高程點與創建開挖後的高程點的方式，自行創建想要開挖到的地形表面，並打勾確認。

c. 點選“新構造”的地形，軟件會自動選擇“新構造”與“現有”之間的土方體量，並且左側屬性欄會顯示“淨剪切/填充”、“填充”、“截面”的值，這些值即為“挖填方淨值”、“填方”、“挖方”的量，則土石方的挖方、填方與挖填方淨值直接顯示出來。

d. 在這個方法的基礎上，則能繼續編輯地形。如果要繼續開挖並計算，將原先“現有”的地形刪除，將編輯過的“新構造”地形創建階段設置為“現有”，後續方法如上。

BIM土石方算量技術優勢

傳統的土方計算方法存在着計算量大、計算精度不高、數據量大等缺點，而利用“根據地形特徵進行區域劃分-近似簡化-採取合適的測量方法取得地形三維特徵數據-最後通過三維重構的方法得出計算結果”思維的BIM方法能夠實現快捷精確的計算方法，並且能做到“實際與模型的精確對應”和“所見即所得”。隨着攝影成像的技術迅速崛起，大量國內外優秀的攝影成像軟件已具備了一定的模型分析和計算的能力，未來從地形測量到土方計算結果的獲得，人工成本和時間成本都將大大降低，同時測量的精度也會比傳統測量方法要高上許多。

BIM在土石方平衡中的應用展望

1. 土石方挖填方量的造價分析：運用BIM建模的方法模擬土石方開挖與回填，在直觀有效地開展土石方的挖運分析與運算基礎上，做到土方平衡計算的精確化與精細化，節約解決爭議的時間，對項目成本管控發揮重要作用。

2. 土方工程施工仿真模擬：在REVIT之中演算好土方模型後，同時建立土方機械模型（挖掘機、運土車），用內建體量模型模擬單位運土車的土方倒序鋪設，把模型全導入Navisworks或者Lumion中製作演示動畫。

3. 製作土方施工方案：運用Microsoftproject結合施工動畫製作初始施工進度表，運用Navisworks演示（儘可能考慮到現場每一個實際情況），得出現場車輛運行路線、路線碰撞等預知信息，並在此信息上不斷優化施工方案。