中交第二公路工程局有限公司
摘要：场地土方计算与在公路工程路基土方计算有所不同，主要应用于不规则的大范围趋于，比如道路交叉口、取土场、临时停车场等。本文以贵安都安高速公路项目为背景，详细介绍了鸿业土方软件在场地土方计算中的应用，同时分析了未来场地土方计算的方向。
关键词：场地土方；鸿业道路；Civil3d；方格网法
前言
随着计算机的高速发展，场地土方计算逐步由原始的粗算过渡到了精算。目前国内外计算场地土方的软件品种繁多，其中不乏有鸿业土方软件、飞时达软件、南方CASS软件和Civil3d软件以及其他的BIM软件。尤其是随着BIM技术的进一步推广，场地土方计算的速度越来越快、精度越来越高、出图也越来越方便、数字参数化可以实现动态更新，进行多方案的比较。
场地土方计算不仅在厂站和建筑施工中应用较多，如污水厂、房屋建筑等，也在公路工程取土坑计算中十分普遍。场地土方计算的实质就是求三维体积，即设计曲面和地形曲面之间的体积，我们可以将场地的最终曲面看做是设计曲面（包含边坡在内）。根据高等数学微积分的基本原理，分别求场地平面内每一个单元的柱状体积然后对整个场地取积分，最后得到场地的土方填挖量，实际土方计算还要考虑的土体的松散系数和压实系数。
1 场地土方平整计算的方法
场地土方平整计算的本质就是要计算设计曲面和地形曲面之间的体积。目前比较流行的计算方法主要有体积法、断面法、方格网法；常用场地土方计算软件有鸿业土方、飞时达、南方CASS、CIVIL3D，随着BIM技术的进一步普及和推广，未来场地土方计算将趋于简单化、精细化、数字化。
1.1断面法
其中断面法，是有一种比较简单的土方计算方法，尤其适用于道路工程这样带状的构筑物，其基本的思想是将长条的道路工程划分为无数个断面，再将这些断面的面积进行求和得到最终的填挖方体积。现在主流的道路设计软件土石方计算均采用断面法，通过求相邻间隔桩号的面积，利用平均值乘以桩号距离，最后计算整个道路工程的填挖方。本方法计算简单，受测量地形准确性影响，特别适用于带状的构筑物，对于不规则的场地，不太实用。
当场地的形状为趋于长方形时，可以采用断面法进行场地土方的计算，其基本的计算步骤如下：
将长方形划分为若干断面，如下图所示，水平方向为场地的长度方向，垂直方向为场地的宽度方向，长度方向的剖切线间距可以取10米至20米不等，根据场地高程的起伏状态而定。
分别得到每个剖切线处的断面图，计算每个断面的填方和挖方面积，即图中自然地面线和设计地面之间的范围，地面线以上为挖方，以下为填方。面积计算公式可以按三角形、梯形计算，特别复杂的可以进行分割处理。
计算每个间隔的填挖体积，计算公式为桩号间距乘以相隔断面的面积平均值。最后进行土方计算的汇总，得到整个场地的平整后填挖体积。
1.2方格网法
方格网法适用于各种形状的场地土方计算，其主要原理是将场地平面划分为等间距的正方形网格，网格的间距根据场地地形的起伏程度而定，对于平坦的场地可以采用大值，对于起伏大的山区地形可以采用小值。方格网法不仅仅可以用来计算土方的开挖和填筑，还能计算土方平衡的填挖分界线。
填挖分界线的计算位置如下：
公式中，分别代表的是网格角点到填挖交界的距离。
a为方格网的边长，代表角点的标高。
方格网计算土方中，常见的体积计算有一点填方或挖方、两点填方和挖方、三点填方和挖方、四点填方和挖方。每一种类型方格的体积计算，均为角点标高和边长的函数。只要方格网划分的足够小，场地地形足够精确，最终得到总的土方工程量也是准确的。
1.3体积法
体积法一般用于土方的大致估算，比如一个场地全部为填方，形状近似为圆锥体或者棱柱体、这样可以通过测量该体积的边长和高差利用常用的数学计算公式计算。这种方法精度较低，适用于可以直接近似为数学规则体积的场地土方计算。
2 场地土方基本概况
根据岩土工程勘察报告，本项目取土场的基本地质条件如下：
① -1耕土：灰黄色，松散，局部为简易道路及生活垃圾，富含植物根茎。该层全场基本分布。
① -2素填土：紫红色，稍密～中密，稍湿。主要由宕渣回填而成，碎石含量分布不均，局部可达50％以上。该层主要分布于采石场区域。
②粉质粘土（Qel+dl）：棕褐～砖红色，硬塑，局部可塑，含少量铁锰质结核，中等韧性，刀切面较光滑。该层齐山西路支线中部缺失。
③-1强风化石英砂岩（C）：紫色，中细砂结构，中厚状构造。成份以石英为主，硅质胶结。岩芯呈碎块状、短柱状，岩质坚硬、性脆，风化裂隙、节理发育。
3 鸿业道路软件在场地平整计算中的应用
3.1地形图等高线离散
首先需要对场地的自然地形进行处理，包含离散的高程点和等高线。离散的高程点和等高线可以采用快速转化的方式实现，为了满足计算的精度要求，等高线的离散取补充因子为10m，消除因子和消除角度分别取5m和30°。根据现场的实际情况，高程分布范围大致在400m至450m之间,离散后的高程点需要进行标高检查，剔除错误的高程点。
3.2场地土方方格网划分
接下来，构造土方边界。根据现场的实际条件，考虑到征地拆迁问题，本次土方开挖的范围为不规则的五边形。土方边界构造完成后，对该区域进行网格划分，网格划分可以逐条选择边界线，也可以在封闭的边界线中点取一点。选择土方边界某一个边界点作为绘制网格的基准点。然后设置网格的划分间距，为了更精确的计算，这里网格的间距取10米。网格划分完成后，对网格进行编号和网格处理，网格处理的目的是对每一个方格网进行分块。
3.3方格网角点标高定义
定义方格网角点标高，角点标高分为自然标高和设计标高两部分，定义的方式主要有等高线计算法、离散点计算法、参考点推算法、两点内插法、成组定义法、逐点输入法等。由于场地划分网格较多，逐点输入需要耗费大量工时，本项目计算采用高程离散点计算角点自然标高。对于设计标高，采用成组定义的方式进行，场地设计标高按400m设置。
3.4场地土方计算
场地土方计算相关参数取值，其中松散系数取1.05，压实系数取0.95，最后进行边坡工程量计算，根据本项目岩土勘察报告，土体开挖后的自稳定坡率按1:1计取，无填方段，最后经计算得到总挖方量为277315方。场地方格网最终划分及计算结果如下图所示：
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图1 场地土方网格计算
计算结果与实际工程量统计数值误差率在3%以内，满足建设单位成本控制要求。
4 总结
目前采用鸿业道路软件可以对常规的场地土方进行计算，其准确度主要取决于地形的密集程度、高程点的离散程度、边坡方式的正确性。该软件可以对分级放坡、陡坎挡土墙进行有效处理，对于边界的转角处边坡处理还有待提高。
不同的项目对场地土方计算的质量和精度要求不同，随着现代计算机的硬件和软件的升级，采用大型的三维软件如civil3d可以快速实现模型的建立和地形数据的筛选和分析，边坡模板的准确度，大大提高了计算的精度和速度，同时可以展现三维场景，便于纠错。未来，土方计算的趋势将更加简单化、可视化、精确度会进一步提高。
参考文献
[1]王崇伟.BIM技术在场地土方平整中的应用[J]上海：城市道桥与防洪，2019.
[2]樊旭宏.civil3d在场地土方量计算中的应用.[J].建材技术与应用；2012.
[3]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.