摘要：本文介绍一种利用HYPACK软件对存在复杂边坡的工程设计进行工程量计算时采用的方法。该计算方法可操作性强，计算精度高，在对存在复杂边坡的工程设计求取工程量的时候，较之常用的高级航道法、断面法等计算方法效率更高，而且精度有所保障。
关键词：复杂边坡；HYPACK；TIN模型；工程量计算
一、前言
随着这些年疏浚行业的发展、疏浚设备的更新、以及疏浚技术的提高，设计单位在进行疏浚工程设计时也越来越精细化。有时为了控制质量，减少成本，设计单位往往考虑土质、水流等因素，在一片施工区域分划出多个标高来，这样就形成了一个设计区域内包含了多个标高多个边坡的情况。除了提高了对施工工艺的要求之外，同时也增加了工程量计算的困难。本文以科威特国家石油公司LNG疏浚回填项目工程量的计算为例，浅谈复杂边坡工程设计下的工程量计算。
二、工程概况
科威特国家石油公司LNG疏浚回填项目位于科威特南部AL-Zour区沿海，施工内容包含了抛石临时围堰工程、疏浚吹填工程及地基处理工程等三个部分。根据钻探结果显示，拟吹填区域的原始土质有部分岩石夹层。为了减少吹填区域吹填后的不均匀沉降，在进行吹填之前，业主单位要求吹填前先对拟吹填区进行表层开挖。依据岩石夹层的分布，清表区的设计标高也各不相同。同时，为了有效控制施工进度，又将清表区分为16个分区。
图1 清表区设计示意图
如图1所示，黑色线是设计边线，红色线是每个分区的分界线。由图上可以看出，每个分区所包含的有平整的面，但更多的是各种边坡，而且大部分边坡也被各分区分解成若干块。如果使用高级航道面域法、断面法等常用的计量方法来计算，则计算过程繁琐且易错，相当复杂。所以，对于这种含有复杂边坡的工程设计，工程量计算的方法也应该采用其他的计算方法，以便更高效准确地计算。下面笔者将以上示清表区的计算为例，介绍其中一种方法。
三、计算方法
TIN，英文全称是triangularirregularnetwork，中文一般称作不规则三角网，是由Peuker和他的同事于1978年设计的一个系统，利用有限离散点，每三个最邻近点连接成三角形，每个三角形代表一个局部平面，三角面的形状和大小取决于不规则分布的观测点或称节点的密度和位置。不规则三角网最常用的生成方法是Delaunay创分方法。
图3-1 TIN-TIN体积计算示意图
在HAPACK软件中有个TIN-TIN体积计算方式，它通过TIN1和TIN2两个三角网的比较，来计算TIN1在TIN2之上/之下的体积,计算示意图见图3-1。所以在此次工程量的计算中，我们以浚前/本次测量数据生成的三角网为TIN1，设计标高数据生成的三角网为TIN2，采用HYPACK软件的TIN-TIN体积计算方式，同时利用边界文件限定各分区范围，计算得到各分区的浚前/剩余工程量。
具体计算步骤如下：
1.制作设计标高三维数据文件(*.xyz)
图3-2 清表区设计标高三维数据图（局部）
由设计提供的图纸我们可以得到设计各个三维面的标高，在CAD中取一个三维水深点，通过CAD的阵列命令，制作编辑各个三维面的边界处及拐点处的标高，可以得出这个设计范围的三维点，局部图见图3-2。利用三维点导出工具（比如公司子自主开发的CAD软件包、其他各种相关的CAD插件等）将三维点导出成xyz格式文件即可。
图3-3 清表区设计标高插值加密后的三维数据图
如果采用以上导出的xyz文件进行计算，数据密度是不够的。所以我们可以利用HYPACK软件进行数据插值，插值后的三维数据图见图3-3。由图3-3可以看出，HYPACK软件插值加密后，除了设计各边界处和拐点处的三维点数量足够外，其他区域的三维点密度也足够了。虽然在设计范围外多出了一些冗杂的三维点，但是后续我们可以用边界文件限定计算范围，不影响最终的计算结果，可以不删除。
2.制作边界文件（*.brd）
边界文件（*.brd）是HYPACK软件中供用户自定义特定区域的文件。该文件为纯文本文件，仅包含区域边界每个点的坐标列表。HYPACK软件使用除最后一点之外的所有点来创建多边形，最后一个点用于确定是否落在自定义区域的内部或外部。此处引用HYPACK说明书中的边界文件示例，见图3-4。该文件可用于限制TIN模型计算体积的区域。
边界文件的制作可以使用HYPACK软件自带的边界编辑器制作，或者通过其他方式制作成跟图3-4格式一致的文本文件，最后只需将后缀名改成brd。图3-5是按设计分区制作的16个边界文件在HYPACK软件中的显示效果。
图3-4边界文件示例
图3-5 导入到HYPACK软件中的边界文件
3.使用TIN模型计算工程量
图3-6 TIN模型中导入XYZ文件
图3-7 TIN模型计算中
如图3-6所示，在HYPACK软件中打开TIN模型，依次输入本次测量数据，和我们在上文得到的设计标高三维数据，设置合适的TIN最大边长，点击确定，软件则自动对两个数据进行三角网生成、合并。这个过程的耗时根据数据大小、生成三角形个数而定，一般只需要几秒钟。如果数据量大导致生成的三角形个数过多，则预计需要几十秒甚至1~2分钟。
如图3-7所示，软件对2个三角网进行合并后，我们可以在计算中选择“Tin与Tin”模式，导入上文制作的16个边界文件。点击计算即可。
图3-8 计算报告（*号为隐去的部分数字）
图3-9 xxxx年x月x日清表区剩余开挖工程量示意图
随后我们可以在“数据输出”中查看计算报告，见图3-8。计算报告中依次包含了分区名称、在设计面之上的分区工程量和分区面积（此处为需开挖/欠挖的范围）、在设计面之下的分区工程量和分区面积（此处为不需要开挖/超挖的范围）。
至此，我们完成了清表区的工程量计算。在施工过程中通过更新测量数据也可以快捷地得出剩余开挖工程量和超挖工程量，把这些信息填入示意图中（如图3-9所示），对工程施工的进度控制和质量控制有很好的指导意义。
同理，当清表完成后进行吹填施工时，计算设计的吹填总工程量也可以采用上述方法。将吹填的设计标高制作成三维数据，使用HYPACK软件将这个三维数据和清表的设计标高三维数据进行“TIN与TIN”计算，即可得出。因为计算方法基本一致，此处就不展开了。
四、精度验证
由于这种计算方法并没有普遍得到应用，计算精度需要进行验证。这里笔者截取计算范围一部分，分别采用上述的计算方法和常用的高级航道面域法、南方CASS-DTM法进行计算，然后对计算结果进行比对。
如图4-1所示，在计算范围中任意截取一小块区域（图上阴影部分）进行验证。该区域含有平整的面、多个边坡，以及多个边坡的交汇，有一定代表性。采用本文的方法计算，仅需制作该区域的边界文件，利用上述已制作的设计标高三维数据即可计算。采用高级航道面域法则需要制作面域文件（*.chn）进行计算。采用南方CASS-DTM法，需要模拟设计面生成设计面三角网文件（*.sjw），再制作本期数据的三角网文件（*.sjw），然后计算两期土方。计算结果比对分别见表4-1、表4-2：
图4-1 用于精度比对验证的随机截取的范围（阴影部分）
表4-1与高级航道面域法比对表
表4-2与CASS-DTM法比对表
由表4-1可见，本文采用的方法与高级航道面域法相比，差值百分比为0.001%。由表4-2可见，与CASS-DTM法相比，差值百分比为0.3%。与其他两种计量方法的计量结果差值比都很小。
根据《疏浚工程土石方计量标准》（JTJ/T321-1996）规定，“对采用同一测图计算的土石方量，两者的差值小于或等于2%时，或采用各自测量的测图计算的土石方量，两者的差值小于或者等于5%时，其土石方量取两者的平均值。”本文采用的方法与其他两种计量方法的平均值十分接近，不会引起计量争议。
所以，本文介绍的计量方法精度满足工程计量的要求。
五、结束语
本文介绍了复杂边坡工程设计下工程量计算的一种方法。该方法采用HYPACK软件进行计算，可通过软件的“TIN-TIN”体积计算方式，对工程设计中出现的复杂边坡的任意分区进行计算。计算过程简洁高效，精度也有所保障。得出的计算报告包含的信息全面，满足计量要求的同时，报告中的剩余开挖工程量和超挖工程量可用于施工过程中施工进度和施工质量控制。笔者在其他几个类似工程项目的工程量计算中也采用了这种方法。结果显示，这种计算方法对于工程范围内存在多个不同的设计标高、多种比例的边坡、多个不规则的分区等情况都有很好的适用性。
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作者简介
黄悦斌（1990—），男，助理工程师，港口航道与治河工程专业。
黄成贵（1988—），男，助理工程师，工程测量技术（市政方向）。
论文作者:黄悦斌,黄成贵
论文发表刊物:《基层建设》2019年第12期
论文发表时间:2019/7/22
标签：标高论文; 工程量论文; 边界论文; 工程论文; 数据论文; 文件论文; 方法论文; 《基层建设》2019年第12期论文;