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三维场地设计与土石方平衡-飞时达软件
三维场地设计与土石方平衡
陈高波 官国俊 杨介苗
杭州飞时达软件有限公司
【摘要】在自然地形变化复杂时,场地设计的重点是确定与调整设计标高,利用计算机软件可以完成对自然地形的模拟分析,在保证土石方平衡及其它因素的情况下,给出初步的设计基准面,同时可以自由确定各设计面之间以及自然地面间的放坡关系,最后模拟出设计场地与自然地形结合的三维效果。
【关键词】特征线;土石方平衡;三维场地模拟。
自然地形的表达与三维分析
1.1 地形标高信息的表达
对于连续变化的自然地形可以用等高线与离散点来表达,但对于地形突变,如挡墙、陡坎、堤坝等却难以用上述两个元素来表达,而测绘符号所表达的只是示意图例,没有标高信息,不能被计算机软件所识别。
因此,有必要增加一种特征线元素来弥补等高线与离散点的不足,特征线是一条空间折线,各点有不同的标高值,由于特征线在生成三角面时,直接构成三角面的边,因此,它可以很好的描述地形特征,如分水岭、沟底线、沟顶线、边界线等。由于等高线也是一条具有统一标高的空间线,也可以将特征线称为不等高线。
1.2 三维模型的生成
根据上述三种元素,可以自动生成自然地形的三维模型。
最常用及最精确的三维模型是三角面三维模型(TIN),这时,每个离散点必然落在三角形的顶点上,每段特征线(或等高线)必然构成三角面的边。
图1 直接用等高线模型 图2 等高线离散化模型
有时,为提高模型的生成速度,有意将等高线按一定间距转为离散点,这个间距一般取各等高线之间的平均间距,而特征线一般不作离散化处理。由离散化生成的三角面模型精度不如直接用等高线生成的模型,从上面图1与图2对比中可以看出。
1.3 地形的三维分析
虽然三维模型能够提供直观的地形起伏状况,但实际工程中需要定量的数据分析,一般有以下几种分析方式与结果:
任意点标高计算:给定平面位置,可以从所在的三角面上计算出该点的高程;
地形断面图:指定断面位置(可以是弯折的断面线),绘制出地面的起伏状况,并有标高刻度尺。
高程分析:按不同的高程段填充不同的颜色,直观表达自然地形的高低分布。
坡度坡向分析:按不同的坡度填充不同的颜色表示,如可以统一填充显示坡度小于8%的宜建设用地的分布情况。
土方量估算:给出拟定的设计高程,估算出特定范围内的挖填土方量,并且可以自动计算出挖填平衡时的设计高程作为输入的默认值。
综合分析:在指定范围按最小二乘法将场地拟合成一个倾斜面,并显示该面的高程范围、平均高度、坡度与坡向值、挖填土方量等信息。
图3 高程填充分析 图4 面综合分析
最佳设计面与土石方平衡
最佳设计面的计算原理:
根据数学最小二乘法原理,对于一组空间点可以找出唯一平面,这个平面最接近或通过这些空间点。这些点可以看作是自然离散点,这个面就是最佳设计面,若这个自然离散点在设计面的上方,则该点为挖方,否则为填方。
该点的影响范围(面积)可以作为该点的权系数参加计算,因此,可以计算出该点的土方量就是权系数乘以空间点与设计面的高差。
按此方法计算的最佳设计面,一定能满足挖方量与填方量相等,且绝对值之和最小。
土石方平衡
最佳的设计面只能保证土方体积上的平衡相等。
由于土壤的可松性,天然密实土挖出来后体积将扩大(称为最初松散),将这部分土转到填方区压实时,压实后的体积也比最初天然密实土的体积要大(称为最后松散),因此挖方体积=填方体积并不意味着土方平衡,考虑到外运弃土量以及内运埋土量(包括建筑基槽开挖土方量等),土方量平衡的计算公式如下:
T = [W+ (Mt – Qt) /K1]* K2
其中:
K1为最初松散系数 ,表示天然密实土转为松散土的膨胀比(可从有关规范中查询到,对于普通土,取值1.2—1.3)
K2为最后松散系数 ,表示天然密实土转为压实后的填方膨胀比(可从有关规范中查询到,对于普通土,取值1.03—1.04)
Qt为需要外运抛弃土体积(松散状态的体积,即虚方)
Mt为场地已有或内运的埋土体积(松散状态的体积,即虚方)
W为场地内开挖的天然密实状态土方体积(通过土方计算获得): 图5 优化与平衡
T为场地内需要弥补的填方体积(通过土方计算获得):
在用最小二乘法求出初始最佳设计面后,可以通过整体抬高或降低设计面的方法来满足上述平衡要求。
同时,一个设计场地有多个设计面时,总体上要保证土方平衡,必然需要进行各设计面之间的土方量调配,在土方调配时,出
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