土方计算和优化平衡软件的应用

作者:小傅 , 分类:总图设计软件GPCADZ , 浏览:464 , 评论:0

       根据总图设计中土方工程计算的需要,分别介绍了常见的适合电力总图的一些软件(如飞时达总图软件GPCADZ、GLCAD、Civil 3D等)在土方计算方面的应用,并总结了其计算特点和工程应用中的适用程度,旨在方便总图设计人员更好地选择土方计算软件和掌握操作要点,最后能计算出准确合理并且满足各方需求的土方工程量。

       1 概述

       很多种工程建设都与土方工程有着莫大的关系,土方量计算是工程设计的重要内容,也是施工费用估算的重要依据。土方工程占工程总投资的比例不容小觑。在常规火电厂建设中,土方小则十几万方,大则上百万方,极个别山区电厂更是高达两三百万方,而核电厂工程中,土方量常常以千万方计,所以土方的计算及优化显得非常重要。要做出使得土方量最少的良好的厂区竖向设计,以及较为精确的土方计算。除了厂区位置分布合理外,也需要选择较好的土方计算方法及工具。

       2 常见土方计算软件及具体应用

       市面上常见的土方计算软件有飞时达软件公司研发的的飞时达土方软件FastTFT、南方测绘CASS软件、以及鸿业的HY-ECS等,甚至可以是经过优化的一些AutoCAD LISP程序,这些都是基于CAD二次开发的软件或者程序。另外Autodesk公司的Civil 3D也兼有强大的土方计算功能。

       作为总图行业,土方计算往往采用集成有土方计算功能的总图软件,常用的有飞时达的GPCADZ和鸿业的HY-FPS等,这些软件都支持各种版本的CAD,在电力总图行业,常用的也有CSEPDI的电力总图软件GLCAD,不过该版本只能部分支持到AutoCAD 2004,更常用的是基于R14平台的GLCAD。

       在土方计算方面这些软件各有优劣,有的界面友好、操作简单,有的计算精确、图面漂亮,还有的能对复杂地形情况进行计算等。下面分别介绍GLCAD、GPCADZ、Civil 3D在工程中的应用及特点。

       2.1 GLCAD

       GLCAD是由CSEPDI根据电力总图的特点在2000年推出的一款基于R14平台的电力总图软件,其中很重要的一个功能即是土方计算,该土方模块采用传统的方格网法进行计算,操作简单实用,土方计算简要步骤为:

       1) 地形处理:包括非数字信息剔除和自动编号采标高。

       2) 土方计算:分为规则方格计算和土方分块计算,需要根据电厂地形特点和竖向设计来综合比较选用,其中规则方格较为简单,处理好地形后即可进行计算,可以直接输入设计标高,也可以根据条件由程序里的最小二乘法优化出一个设计平面,其结果将存放在文件ETH.DB里。

       3) 土方绘图:选择规则方格绘图,然后程序将自动调用ETH.DB里的数据绘制出土方网格计算图,在放坡绘制的时候也可以根据实际情况分别输入挖、填方的坡度,分块土方计算的程序和规则方格计算基本类此,区别在于要对即将计算的分块分别采集数据、分别计算,最后生成一个总的土方计算图,这里不
再详述。

       GLCAD曾经由于它的方便、实用被电力总图行业广泛采用,使用该软件计算的土方量由于其保守的算法也受到业主及施工单位的欢迎,土方施工图的各个组成要素完整,比如护坡图中增加了每个网格宽度所对应的护坡土方量,方便了施工单位对于护坡工程量的统计和结算,该软件生成的土方计算图,其图例完全符合电力总图制图标准,图面美观大方,对计算机的运行要求较低,能快速准确地计算出土方量。

       当然,计算机技术发展到今天,GLCAD也有不少的缺陷。比如,由于一些原因该软件已经停止了开发,目前只能完好地支持到R14平台,以上的平台则只支持其部分功能,而R14在如今的双核计算机上并不能很好地运行,容易发生启动错误和运行不稳定,另外在图面上,GLCAD方格网拐角处的护坡生成还不是那么完美,突出的网格处护坡会生成“空缺”。

       2.2 飞时达总图软件GPCADZ

       GPCADZ是杭州飞时达软件公司研制的CAD系列软件之一,最新版GPCADZ V5.0该软件以AutoCAD 2008以上版本为支撑平台,广泛采用AutoCAD 2008之后新版本的先进技术,以LISP和C++语言结合.NET及Ob—jectARX2004技术编程而成,在工业总图行业被广泛采用。

飞时达总图软件GPCADZ

       在土方计算方面该软件表现优越,其计算的精细化程度比GLCAD有着不少的优势,该软件表现优异很大程度上是因为引入了地形等高线的标高采集,该软件的简要计算步骤如下:

       1) 采集自然标高,包括从原始勘测点和等高线中采集,采集完自然标高信息后会生成自然标高三角网,对于复杂地形,引入了陡坎的概念,使自然地形中的土坎等标高突变情形有了很好的模拟,为土方结果的精确性奠定了基础。

       2) 输入设计标高,设计标高可以有两种方式输入,一种情况为已经确定设计高程,这时可以直接通过做出设计等高线或者离散点来输入;另一种情况为要根据自然地形的特点,尽量做到挖、填方平衡来确定,这可以用GPCADZ的土方优化功能来实现。

       3) 土方计算,GPCADZ提供方格网法,根据电厂场平的特点,更适合采用方格网法来计算,所以着重介绍方格网法的一些要点,首先创建土方网格。

       下面结合湖南核电一个初选厂址利用GPCADZ进行土方计算。

       首先创建土方网格,网格大小默认采用20m×20m,由于是初选厂址,对土方精度要求并不严格,软件快速生成方格网后,然后可以直接采集自然地形高程,如果是提前创建了设计平面,软件可以快速采集到设计标高到方格网上,此时方格网上应该会包含有设计标高、挖填差等完整的土方信息,在本次计算中通过土方平衡来优化出需要的设计平面,查到土质资料大概为五类土,取最初松散系数K1为1.2-1.3,最终松散系数K2为1.02-1.03,程序采用最小二乘法进行优化,根据输入条件,GPCADZ已经优化出了一个理想的挖填方平衡平面,包括平衡下的设计标高和挖、填方量都已明确,点确定后,图面即生成了厂区内的土方计算图,接下来需要通过放坡功能放出边界的边坡以及计算统计出边坡土方量。与GLCAD相同,GPCADZ也可以根据需要分别设定挖、填方坡的坡比,如果边坡挖、填方较为悬殊,还需要对厂区内设计平面进行再次优化,以达到全厂土方平衡。

       根据上述的计算要点,GPCADZ的确不失为一款优秀的土方计算软件,它提供了丰富的计算方法及工具,并且界面友好易于操作,只要稍加摸索即可轻松上手,在选择计算方法方面,用户可以根据实际需要和条件选择合适的方法,比如常规的计算采用传统的四方棱柱法即可,对计算精度有特别需求则需要采用专业的飞时达土方计算软件FastTFT里的三角网法,不过该法对计算机运行要求较高。所以建议在厂区面积太大的情况下不采用三角网法,放坡方面,除了多级放坡以外,还增加了边坡表面积及投影面积的数据,方便了厂址各项指标的统计。

       GPCADZ是面向整个工业总图的软件,对生成的土方计算图图面而言,要符合电力总图的制图标准。还需要人工修改,在土方计算结果方面,某些工程施工现场反映,土方量计算结果要比实际偏多,这需要我们设计人员除了追求计算的精确性以外还要考虑到土方工程中的多方面实际情况。要根据土质情况选取合适的土方松散系数等。

       2.3 Civil 3D

       AutoCAD Civil 3D是Autodesk公司开发的一款强大的面向土木工程行业,测量、设计、分析和文档处理软件,可视化、模拟以及分析功能更能帮助土木工程师推动项目开展,提供更高质量的施工文档和三维模型。

       Civil 3D中的土方计算更是让人信赖,它利用复合体积算法或平均端面积算法,较快地处理现有曲面和推荐曲面之间的土方量,该软件的土方计算操作程序较为简单易行,利用曲面的概念,给人以很直观的立体感觉,更方便地帮助工程师计算土方。简要计算步骤如下:

       1) 建立自然曲面。这和GLCAD及GPCADZ类似,都是要把原始的地形图转化为计算机能识别的信息,Civil 3D通过建立可视化的立体曲面来实现这一功能,建立过程中需要提取原始地形图中的各种地形要素,包括等高线、特征点及特征线等。这样Civil 3D将完美地模拟出一个自然曲面,并且能随时查看其地形特点,以帮助工程师适当地调整厂区位置及标高。

       2) 建立设计曲面。设计曲面可以由等高线创建曲面再创建放坡生成,也可以直接建立放坡要素线创建放坡生成。在“江西大唐国际抚州发电有限责任公司一期(2X1000MW)新建工程”的投标过程中,曾对方案之一用Civil 3D做了地形模拟及土方计算,该设计平面基本平坦,由放坡直接创建曲面。

       3) 生成土方施工图。在曲面实用程序里选择土方施工图,分别设置好原始地形和对照地形,设置好其他参数,选择设计边界,点取土方图生成原点,然后即可进行土方图生成。在这里Civil 3D提供了两种计算方法,其中精确算法是指三角网曲面法,是利用Civil 3D的三角网曲面叠加实现精确的体积计算,更符合实际情况,作为默认算法,手工算法是利用国内设计院通常采用的手工近似算法“三角棱柱体法”和“四角棱柱体法”,以符合设计院的习惯。

       在土方计算方面,Civil 3D有着其独特的优势,尤其是引入曲面的概念,让工程设计人员一目了然、动态地去了解土方生成的演变过程,随时把握关键环节进行优化、调整,它可以把边坡土方和厂区土方联合起来进行整体平衡优化,这是GPCADZ所不具备的,在计算精度方面,Civil 3D无疑采用了更先进的计算模型和方法,所以更符合实际情况,也正是其的强大功能,可以实时查看三维界面,注定了对计算机设备性能的高要求,这也让不少的普通用户望而却步。

       3 结语

       纵览适合电力总图的这些软件,它们各有特点,在土方计算方面也各有特色,总图设计人员要充分根据工程特点,在合理的方案下,合理地选用及运用合适的土方软件,选择恰当的方法及参数,优化出最为理想的土方量,也可以运用这些方法反过来通过土方优化来优化总图、竖向方案,当然除了合理选用软件外,还要充分考虑到土方计算模型之外的因素,如清表土、基槽开挖土等,最后计算出让业主、施工方和设计方都满意的土方工程量。

       该文参考于中南电力设计院,马彦龙,刘勇,王一增,梁晓光等人撰写的《土方计算和优化软件的应用》一文。

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