BIM的三维方量计算方法在水利水电工程中应用

BIM的三维方量计算方法在水利水电工程中应用

张楠

山东安澜工程建设有限公司

摘要：近年来，在社会经济稳步发展的背景下，我国水利水电工程事业发展迅速。而针对水利水电工程一些复杂的计算作业，常规的计算方法难以获得精准的计算数据结果，因此便需要重视现代化科学计算方法在其中的应用。对于基于BIM的三维方量计算方法来说，可提高计算结果的精准度，使水利水电工程对计算精准度的高要求得到有效满足。因此， 本文以方量计算方法为切入点，进一步分析BIM的三维方量计算方法在水利水电工程中的具体应用，希望以此为水利水电工程相关工作效率及质量的提升提供有效价值建议。

关键词：三维方量计算方法；水利水电工程；具体应用；效率；质量

基于水利水电工程工作开展过程中，存在挖填方工作面多的情况，并且挖填方量大，尤其是在水利水电工程的大坝坝基开挖作业、导流洞开挖作业以及渠道开挖作业当中，此情况较为显著。与此同时，受到开挖方量大的影响，加之现状下提倡“绿色节能环保”施工作业，这样便需要合理选择弃渣场，并科学进行挖填方量计算机弃渣方量计算，进一步使施工规划设计方案及工程质量控制方案实现有效优化^[1]。而对于传统的一些方量计算方法来说，比如：数字地面模型（DTM）法、等高线法以及方格网法等，所获取的计算结果不够精细，难以满足水利水电工程的高精度计算需求。在此情况下，实践工作发现基于BIM的三维方量计算方法精准度高，可为水利水电工程提供精准、真实的计算结果数据，为工程相关施工作业顺利、有序开展提供必要依据。鉴于此，考虑到水利水电工程施工质量的提升，本文围绕“BIM的三维方量计算方法在水利水电工程中的应用”进行分析研究具备一定的价值意义。

1.方量计算方法分析

1.1传统的方量计算方法

从现状来看，对于方量计算的传统方法来说，常用的有DTM法、等高线法、方格网法以及断面法等。下面便针对这些传统的方量计算方法进行分析，具体方法内容如下：

1. DTM法。此类方法主要是对地形数据加以应用，然后构建不具规则性的三角形（TIN），进一步针对其中的每一个三角形计算区域，以三棱柱的体积为依据，完成方量的计算，在累计指定范围内的方量的基础上，得出最终的总方量值。对于DTM法来说，和规则网格法比较，具备的优势为：其一，三角网重点与线的分布结构能够和地面形态特征维持一致性；其二，能够保证原始数据与精度不变，使地面特征更好地表示出来。基于理论层面分析，此方法在任何地形地貌中均适用，且计算精度颇高；但DTM法也存在一定的缺陷，即模型复杂程度好，需具备大量的野外数据作业补充，需要占用很大的存储空间等^[2]。

2. 等高线法。该方法能够对任意2条等高线之间的方量进行计算，它的计算体积可以当成是一个截锥体。在具体工程开展过程中，等高线法应用比较少，通常在估算阶段应用。对于用于计算的等高线来说，需满足闭合的条件；然后，基于具体作业开展过程中，需计算方量的区域中等高线闭合比较少，因此等高线法的实际应用价值不高，只适用于独立山头当中。

3. 方格网法。该方法主要以设计高程、实测地面坐标结构为依据，然后把需要计算的区域划分为若干个方格，每一个方格根据长方体的体积进行方量的计算作业，最终累计指定范围内的方量，得出最终的总方量值。在大面积土方量计算过程中，此方法的适用性高，特别是地形起伏比较低以及坡度变化比较缓的区域当中。总结起来，方格网法的主要优势特点为：直观、通用性强以及能够将挖填线生成出来。然而，因方格网法通过获取方格四角上的高程对方格网的体积进行计算，所以在地形变化幅度比较大的地形，其计算精度会大大下降。此外，基于理论层面分析，方格网法所使用的方格密度越大，那么方量计算则越与实际值接近，精度也会越来越高，但是相对应的工作量会大大增加，这样难以提升工程工作效率。

4. 断面法。此类方法主要是朝纵断面方向每间隔一段距离，基于其垂直方向对一个断面进行测量，计算公式为：“两断面之间的方量＝两断面之间的平均截面积×断面之间的距离”^[3]。在线性工程当中，断面法方量计算适合使用，针对非常复杂的区域则可以选择使用任意断面法。对于断面法外业来说，需进行大量断面测量作业，并对各断面参数进行合理、科学设置。此外，从断面法的缺陷来看，在方量计算过程中会受到诸多因素的影响，导致计算精度难以有效保证，尤其是在两断面之间存在较大的不规则变化情况下，会存在很大的误差问题。

1.2基于BIM的三维方量计算方法

对于将BIM作为基础的三维方量计算方法来说，需使用到MicroStation V8i（SELECTseries 3）软件，此类三维设计软件由美国Bentley公司研发，在建筑设计领域中应用广泛，且应用价值颇高。在建模，对实体尺寸大小信息记录及查看方面，具有明显优势，并且能够将设计成果直观地展示出来。基于土方量计算过程中，利用MicroStation V8i（SELECTseries 3）软件的绘图功能，然后结合2期原始地形数据生成格网，进一步对格网拉伸成体加以应用，对两体相交进行布尔运算，对于相交体的体积来说，便是挖填方量。值得注意的是，针对水利水电工程精度要求高的特点，便可以利用基于BIM的三维方量计算方法，将云数据与航测模型引入，舍去传统的方量计算方法，保证方量计算结果的精准度

^[4]。

1.3对比分析

根据上述分析，对于如前提到的一些传统方量计算方法来说，基于数据处理期间，在原始数据生成网格，或者利用等高线进行方量的计算，所获取的是二维成果，难以高效地预测出粗差，且不够直观，进而影响精度效果；同时，如果计算数据量多，则可能计算机不运行或“死机”的情况。近年来，在原始数据获取技术方法不断革新，同时相关科学仪器设备不断改进的情况下，利用基于BIM的三维方量计算方法，然后将点云数据及航测模型等相关数据引入，能够体现出测量直观的优势特征，和传统方量计算方法比较，更加容易发现粗差，且可以基于原始数据生成模型当中直接得到实体体积，使精度损失大大降低。总之，通过对比分析可知，相较于传统方量计算方法，基于BIM的三维方量计算方法更能满足工程的计算需求，值得借鉴及应用。

2.基于BIM的三维方量计算方法在水利水电工程中的具体应用分析

2.1工程案例分析

本次以国内某水利水电工程项目为例，水库总库容为1496×10⁴立方米，属多年调节水库，大坝高为53.9米，项目总投资金额为4.78亿元（人民币）。结合该水利水电工程的具体施工需求，需计算弃渣场弃渣方量，通过对原始地形数据的收集，弃渣后地形数据现场采取RTK进行采集作业，采集范围在弃渣边界外5米^[5]。考虑到计算结果的精准度及可靠性，在方量计算过程中使用了两种计算方法，即：其一，南方Cass7.1软件DTM法；其二，基于BIM的三维方量计算方法。

3.结语

综上所述，相较于传统方量计算方法，基于BIM的三维方量计算方法借助MicroStation V8i（SELECTseries 3）软件，计算结果精准度更高，应用于水利水电工程方量计算工作当中，能够降低误差，保证计算结果的精准度及可靠性，进一步促进水利水电工程后续设计、施工作业效率及质量的全面提升。

参考文献：

[1]芦琴,屈朗.浅析BIM技术在水利水电工程中的应用[J].杨凌职业技术学院学报,2019,18(03):6-8+26.

[2]王京浦.BIM技术在水利水电工程施工安全管理中的实践思考[J].工程技术研究,2019,4(03):163-164.

[3]蒯鹏程,赵二峰,杰德尔别克·马迪尼叶提,李培聪,张恒,李家田.基于BIM的水利水电工程全生命周期管理研究[J].水电能源科学,2018,36(12):133-136.

[4]李宗宗,刘李.BIM在水利水电工程施工中的应用初探[J].四川水力发电,2017,36(02):88-90.

[5]李德,宾洪祥,黄桂林.水利水电工程BIM应用价值与企业推广思考[J].水利水电技术,2016,47(08):40-43.