王子龙 冯天娇
中国建筑第八工程局有限公司南方公司 广东深圳 518107
摘要：本文以中山大学深圳校区大型山地复杂场地的土方平衡实际应用为例，运用了一种精准、高效、可视化的基于BIM应用模拟的山地建筑土方平衡方法，有效地实现了对山地土方工程的施工优化指导、节省工期和成本节约，可为相似工程项目提供实际参考。
关键词：大型山地复杂场地；土方平衡；BIM；施工优化；
1背景
1.1工程概况
中山大学深圳校区位于深圳市光明区新湖街道，与东莞黄江接壤的猪婆山周边区域。占地144.71万平方公顷，总建筑面积约127万平方公顷。校区依山而建，本标段内校区内北侧有一座山，山下南侧邻近公常路处存在一个天然水塘。园区西侧有一片天然的荔枝林，园区南侧为一片平地。由此可见，中山大学深圳校区，园区内有山地，有水域，有树林，有平地，校园占地面积大而且地貌复杂，为典型的大型山地复杂场地。场地综合布置图见图1.1-1。
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图1.1-1场地综合布置图
1.2施工难点
政策因素导致的难点：深圳市对于土方开挖与外运和弃土堆场的要求极高，且随着2019年全市对土方运载车的改革，大大降低了土方运载车的运力。外运土方施工，环保要求极高，且受市政运输时间限制较为严重，施工效率低。
项目本身地质因素导致的难点：中山大学项目原地貌地势高差极端处达到一百一十米，平均高差十几到几十米。地形复杂起伏大，土方开挖总量达160余万方，回填总量达110余万方，施工作业量巨大。
猪婆山山顶需要劈山建造图书馆，此处挖方量巨大，且存在大量石方，存在施工和倒运难题。
山下南侧医科组团部位常年低洼积水形成水塘，水塘内大量淤泥质腐殖土，需要换填和改造。原地表为拆改工厂，存在大量的建筑垃圾，垃圾渣土外运价格昂贵，且效率低。
1.3研究的必要性
本项目存在占地面积大及大量的开挖与换填工作等施工难点，因此，土方平衡研究对于项目节约成本，节省工期有重大的意义。
场地内存在建筑垃圾，可用于种植的腐殖土，可用于回填的沙土和碎石土和可用于铺设临时道路的碎石。针对这种情况，将各种土体分类分区，分别就近处理，优化倒运路径，可开发的潜在价值极大。
2土方平衡方法
2.1应对思路
大型山地复杂场地的土方平衡，基本要遵循“充分摸底，总体筹划；精细建模，变更优化；内倒为主，减少外运；科学耗土，精确调配；挖填平衡，成本最优”的总体思路。
本文采用GPS测量技术采集原地面标高，对比设计地表标高和开挖标高，建立3D模型并计算初始施工土方方量。以计算方量数据为依据进行场地分区和布置，确定好施工便道和堆场位置。分类分区倒运，模拟施工计算，多个方案反复调整，再进行可行性优化和变更平衡挖填量，最后通过对比工期和成本综合最优确定方案。
2.2应对方案
进场后，组织工程、技术人员对整个场地实地踏勘，全面细致了解，充分摸底，确保地形地貌了然于胸。摸底结论：“场地原地表复杂，存在拆改后的建筑垃圾，低洼水塘的区域需要换填。山上高大边坡地区和图书馆地区存在大量的开挖。”
在场平之前现场测量采集原地貌数据并分区记录地貌类型，运用BIM技术精细化建立场地BIM三维模型，图2.2-1为原地形实测数据建立的场地原地形标高三维模型。
根据地勘报告、建筑设计图、对比设计地面标高，建立场平后满足施工需求的施工标高场地三维模型，图2.2-2为设计地形标高。
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图2.2-1原地形标高三维模型 图2.2-2设计地形标高
结合施工分区分段同步施工、运距、基坑边安全距离预留等因素综合考虑，利用civil3D软件进行建模土方量计算，分析绘出基坑挖方模型，计算出各区域土方开挖、回填量，以初始计算方量为基准，结合土方分类情况，对场地进行格栅化分区，将土方分类倒运开发应用。图2.2-3为基坑挖方模型。
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图2.2-3基坑挖方模型
场内设置土体临时堆场贮存，增加场内倒运以代替外运及往返倒运，随后进行多工作面同步施工情况的模拟平衡倒运。反复调整施工土方运输便道和土方堆场的位置，排出施工计划综合模拟计算，再结合设计优化和变更情况可预计的消耗难以平衡的挖填方量实际差值，对比各方案的成本和工期情况，最终得到结合了场地规划布置、多工作面布局、土方开挖回填最优运输路线、计算过的变更优化的最终土方平衡方法，以最大程度减少土方的外运，以达到在工期合理情况下成本最优的最终目的。
由于初始土方挖填量差值较大，本项目土方运转平衡时，优化出五个子方案：（1）通过对陡坎回填，减少土方外运（2）优化景观设计方案，将项目荔枝林区域回填，减少土方外运。（3）将管廊底部中粗砂经过和设计优化改为好土，减少土方转运。（4）先挖至施工作业面后，在做场平，减少土方转运。（5）将局部部位场平标高提高10cm用以消化冗余土方，减少土方外运，达到挖填平衡。
3优化应用方案效果实例
3.1陡坎回填
图3.1-1为原来陡坎地貌情况，原陡坎位于猪婆山山脚，陡坎高差为45m，宽50m，陡坎底部长度约为150m。原设计此处不作处理，经过与设计和业主沟通，将此处设计为场内回填区和临时堆土区，减少31000m3土方的外运，更重要的是减少高大边坡这个重大危险源，实现了与业主方的双赢。图3.1-2为陡坎回填完成图。
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图3.1-1 原陡坎地貌 图3.1-2 陡坎回填完成情况
3.2荔枝林回填
荔枝林为原校内保留景观，但是该区域地势低洼，经分析夏季暴雨季节将导致内涝严重，经过变更优化，回填场平后重新做景观，提高校内景观效果，实现了与业主共赢的方案优化。此处作为回填和临时堆土场地，回填本应外运土方113763m3，减少外运费用。图3.2-1 为荔枝林原地貌情况，图3.2-2为荔枝林回填后效果。
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图3.2-1 荔枝林原地貌情况 图3.2-2 荔枝林回填效果
3.3管廊部位先开挖在施工场平
常规施工工序为先施工场平，然后基坑开挖。本项目为减少土方周转量，改变施工工序，针对管廊等位于场平标高以下的部位，先基坑开挖，然后施工管廊，减少99753m3土方周转。
3.4管廊回填土方优化
原设计中，管廊管沟回填采用中粗砂，经过与设计和甲方监理沟通，将中粗砂改为素填土，将项目中可用于回填的好土用于管廊和管沟的回填中，减少60000m3土方的外运。
3.5场平优化调整
由于项目存在开山削顶作业和超深大基坑导致挖方量较大，计算和优化后的结果仍为挖方总量远大于填方总量，经我部合理规划，决定根据山地大场地的优势，结合优化场地排水设坡，将不影响主体结构的局部部位场平标高平均提高10cm以消化部分冗余土方。后续零散开挖的土方根据局部开挖，局部消化，在误差允许的最大范围内减少土方外运，最终最大限度达到了项目土方挖填平衡。
4土方平衡方案拓展应用点
4.1与航拍测绘的结合应用
对本方法的人工测量采集数据的方式进行优化，可升级应用大疆经纬M300 RTK 、精灵 Phantom 4 RTK 等型号的无人机进行数据采集，将会大大提高了采集效率和模型整体性，节约人力和时间成本。将无人机测量技术同本土方平衡方法的结合应用必将对未来的土方平衡施工指导具有重大意义。
4.2对工程可行性报告和前期设计的参考和价值
本方法的扩展应用，可在工程可行性报告阶段便采用本方法，提前筹划土方工程的平衡，使其作为一项决定项目确定重要判定因素。也可用于指导前期设计方案，在保证设计主体内容、建筑效果、使用功能不变的情况下，调整设计，最大可能地保证土方挖填平衡，从根源上便为整个项目节省大量成本。
4.3结合航拍技术的工程量概算
与大疆经纬M300 RTK 、精灵 Phantom 4 RTK 等型号的无人机，结合大疆智图软件，可进行航拍地形的三维建图等功能模块，合成3D航拍模型，应用数据地图可导入global mapper等软件直接用于土方工程量和挖填平衡的计算，对于项目土方工程量概算和施工过程中的中间结算等方面，具有较强的应用性。
4.4结合景观考虑土方平衡应用
本方法提供了一种结合景观的土方平衡优化应用思路，以实际地形为基础，可在景观和室外园艺等设计之中考虑土方的挖填差值量，因地制宜的设计、布置和优化景观，将会极大地便于土方平衡施工，具有较强的普适性和灵活性。
结语：本工程为大型山地复杂场地，土方挖填施工情况复杂，且位于大学内部，受外界各方关注度高，且深圳市对于土方开挖与外运和弃土堆场的环保要求极高，特殊的外部条件和内控成本的要求导致必须精细化综合考虑土方平衡施工。应用BIM技术精确建模，计算便捷数，恰好为解决了此项难题提供了技术基础。全项目综合考虑，多角度全方位的优化方案则为土方平衡提供了实际实施方法。本方法内部消耗消除大量外运，利于环保、缩短了工期，为项目创效的同时，达到了与业主方的互利共赢，和谐共建。
参考文献：
[1山地别墅施工中的土方平衡研究王振宇.智能城市.2018，4(24).
[2]复杂地形下的土方平衡应用研究——以广西百色某学院项目为例.叶轩，邓朗妮，吴志强，刘晓凤.项目管理技术.2019,17（01）.
[3]BIM在工程施工中的应用[J]. 张建平，李丁，林佳瑞，颜钢文.施工技术. 2012(16)[4]建筑边坡工程技术规范[S].2013:56-65.