（水土保持与荒漠化防治专业论文）淤地坝坝体土方工程量的自动计算及其应用研究.pdf

摘要 实践证明淤地坝是黄土高原重要的水r 保持工程措施。其坝体土方工程量的计算是淤地坝工 程设计的重要环节。手工计算耗时耗力且精度和可靠性荠。实现淤地坝坝体土方工程量的自动计 算，对丁工程设计具有重要意义。 自动计算土方工程量可以在a u t o c a d 或g i s 中实现，计算土方工程量的方法有横断面法、水 平断面法、格网法、等高线法及特征散点法等。本研究利用a u t o c a d 软件、采用横断面法估算淤 地坝坝体土方工程量。利用v i s u a ll i s p 语言开发a u t o c a d 系统下运行的设计计算界面软件。在 已知坝址地形图、坝体断面参数及坝轴线位置等的条件下，用横断面法实现了自动计算淤地坝坝 体土方工程最的功能。设计了便于用户输入参数的对话框界面，并具有设计坝体的三维模型显示 功能。 采用三个实际工程实例，说明了使用方法和计算结果的精度。程序计算的坝体土方工程量与 手工计算结果相比，误差分别为1 6 、2 4 和1 3 。此外，由程序建立的坝体三维模型与原设 计单位绘制的平面倒几乎完全相同。 本研究的成果可将设计人员从大量的单调的重复性劳动中解脱出来，并可提高工作效率。 关键词：淤地坝，a u t o c a d ，v i s u a ll i s p ，土方工程量，三维模型 a b s t r a e t i ti sk n o w nt h a tc h e c kd m n sa r ei m p o r t a n te n g i n e e r i n gm e a s u r e sf o rs o i la n dw a t e rc o n s e r v a t i o no n t h el o e s sp l a t e a u t h ee s t i m a t i o no ft h e i re a r t h w o r kv o l u m e si sak e ys t e pi nt h ed e s i g np r o c e s s e s m a n u a lc o m p u t a t i o ni sat i m ea n de f f o r tc o n s u m i n gp r a c t i c ew i t hl o wa c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t y t h e a u t o m a t e de s t i m a t i o no f c h e c kd a me a r t h w o r kv o l u m ei so f g r e a ti m p o r t a n c ei nd e s i g n t h ea u t o m a t e de s t i m a t i o no f e a r t h w o r kc a nb er e a l i z e dw i t ha u t o c a do rg i s ，w i t hc o m p u t a t i o n a l m e t h o d ss u c ha st r a n s e c tc r o s ss e c t i o n s ，h o r i z o n t a lc r o s ss e c t i o n s ，r e c t a n g u l a rg r i l lm e t h o d ， c o n t o u r sm e t h o d ，d i sp a r s ea n dp a r t i c u l a rp o i n t sm e t h o d ，a n de t c i nt h i ss t u d y , a u t o c a dw a s c o m b i n e dw i t ht h et r a n s e c tc r o s ss e c t i o n sm e t h o dt oe s t i m a t et h ec h e c kd a me a r t h w o r k v i s a a ll i s p p r o g r a m m i n gl a n g u a g ew a su s e dt od e v e l o pt h ed e s i g na n dc o m p u t a t i o n a lp l a t f o r mf o rn s eu n d e r a u t o c a de n v i r o n m e n t w i t hg i v e ni n f o r m a t i o no fc o n t o u rl i n e s a n dt h ep a r a m e t e r so fc r o s ss e c t i o n d i m e n s i o n sa n dt h ea x e so ft h ed a ma tt h ec h e e kd a ml o c a t i o n ，t h ep r o g r a mw a su s e dt op e r f o r m a u t o m a t e de s t i m a f t o no fe a r t h w o r kv o l u m eo fc h e c kd a mw i t ht r a n s e c tc r o s ss e c t i o n sm e t h o d t h e p r o g r a mw a ss od e s i g n e dw i t hd i a l o gb o x e sf o rc o n v e n i e n td a t ai n p u t t h ep r o g r a mw a sa l s oc a p a b l eo f p r o d u c i n gt h r e e d i m e n s i o n a ld i s p l a yo f t h ed e s i g n e dc h e c kd a m d e m o n s t r a t i o n a la p p l i c a t i o n sw e r em a d et ot h r e ea c t u a le n g i n e e r i n gd e s i g ne x a m p l e st oi l l u s t r a t e t h eo p e r a t i o n a lp r o c e s s e sa n dt os h o wt h ec o m p u t a t i o n a la c c u r a c y t h ed i f f e r e n c e so fe a r t h w o r kv o l u m e e s t i m a t e dw i t ht h ep r o g r a mf r o mt h o s eb ym a n u a lo p e r a t i o n sw e r e1 6 2 4 a n d1 3 r e s p e c t i v e l y f u v t h e r , t h et h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l so ft h ed a mb u i l db yt h ep r o g r a mw e r ee x a c t l yt h es a m ea st h a t d r a w nb yt h ef o r m e rd e s i g n e r t h er e s u l t so ft h i ss t u d yw i l lh e l pt of r e et h ee n g i n e e r sf r o me n o r m o u ss i m p l eb u tr e p e t i t i v e l a b o r i n g , s o 鹊t oi m p r o v et h e i rt i m ee f f i c i e n c y k e yw o r d s ：c h e e kd a m ，a u t o c a d ，v i s u a ll i s p ，e a r t h w o r kv o l u m e ，t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 蒜锄 时间：v 嘭年6 月f p 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在不同媒体 上发表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：凑粕时间：_ 西年月f 争日 一 翮签铡此 时间：铷略年6 月何日 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究意义 第一章绪论 淤地坝，是指在沟壑中筑坝拦泥，巩固并抬高侵蚀基准面，减轻沟蚀，减少入河泥沙，变害 为利，充分利用水沙资源的一项水土保持治沟工程措施，它与沟头防护、谷坊等共同组成沟道治 理的综合防护体系i lj 。目前黄土高原淤地坝建设正在广泛开展，淤地坝坝体土方工程量的计算对 于工程经济评价及施工组织设计等具有重要意义，是必不可少的一项工作。传统的计算方法主要 是设计人员根据地形图进行人工剖切，这就限制了切剖面的数量，需要大量的时间才能计算出工 程量，并且受剖面数量的限制及地形线的不规则性影响，导致工程量的计算结果精度不高。实现 快速高精度计算其土方工程量对淤地坝的设计、施工、验收各个环节都具有重要的现实意义。 1 1 1 淤地坝在我国水土保持工作中的作用 黄河中游地区，有着悠久的治沟打坝历史，劳动人民在与自然灾害的斗争中，创造了拦泥淤 地、抗旱、增产的淤地坝。据历史记载，最早的淤地坝是自然形成的，即所谓天然聚湫，距今已 有4 0 0 多年的历史口】。人工修筑淤地坝，始于4 0 0 年前的明代万历年间山两汾西一带p j 。到了清 代，晋西和陕北地区也开始筑坝。民国时期，我国近代水利先驱李仪祉先生，将淤地坝作为治理 黄河的方略设想的组成部分。新中国成立以来，淤地坝逐渐发展成为改善当地农业生产条件的一 项重要措施。2 0 世纪7 0 年代初，水坠法筑坝的试验成功，使工效成倍提高、成本大幅度降低， 从而使淤地坝建设得到了迅速发展，形成了“沟沟打坝、坝坝水坠”的局面。 淤地坝是我国人民群众首创的一项独特的水土保持工程措旆，它不同于国外的留淤坝和拦沙 坝，而是一种淤地种植的坝工工程，在我国晋、陕、蒙、甘等省( 区) 分布最多。筑坝拦泥淤地， 对于抬高沟道侵蚀基准面、防治水土流失、滞洪、拦泥、淤地，减少入黄泥沙、改善当地生产生 活条件、建设高产稳产的基本农田、促进当地群众脱贫致富等方面有着十分重要的意义，是小流 域综合治理的一项重要措施。在水土流失严重的地区，由于淤地坝投资少见效快、坝地利用时间 长、效益高，深受群众欢迎1 4 j 。 1 1 2 淤地坝坝体土方工程量自动计算的意义 淤地坝坝体土方工程量的计算是一项复杂、繁琐的t 作，数据量大，占用了工程预算人员、 设计师、造价师大量的时间和精力，耗时耗力且容易出错。人们在工作实践中也试图寻找新的方 法和捷径。据调查显示，目前9 5 以上的工程造价人员完全以手工计算工程量或以手工计算工程 量为主，3 左右的工程造价人员借助e x c e l 电子表格辅助计算工程量，1 左右的工程造价人员 使用专用电子表格工程量计算软件，不到1 的工程造价人员正在尝试着使用图形算量软件。如 果可以实现淤地坝坝体土方工程量的自动计算，利用计算机解放手： 重复繁琐的计算工作，将提 高淤地坝从设计、施工到验收中坝体土方工程量计算的效率，并且可为设计选址提供参考，方便 地进行基于坝体土方工程量相关方面的坝址选优。 1 1 2 研究进展 1 2 1 土石方工程薰的各种计算方法 士石方工程量的计算，实际上就是计算设计标高与自然地面标高之间的十石方体积【5 ”，设 计面有平面、斜面、曲面，而自然地面更是变化多端，因此土石方工程量的计算也并非易事。计 算土石方工程量的方法有横断面法、水平断面法、平均端面法【7 ，”，棱柱体土方公式f 7 - 9 】，三角法 “j ，方格网法，三角格网法，等高线法，特征散点法等。以下介绍一些实际中常用的方法。在 实际工作中计算土方量一般采用近似法、断谣法和方格网法三种【”】。对一般的很小的量常用近似 法，即把它当作几何形体，通过丈量其几何要素而直接算出工程量。断面法分为水平断面法和垂 直断面法( 横断面法) ，两者的计算原理相同，只不过在截取断面时，前者为水平的截，后者为 垂直截。格网法是纵横分格。 1 横断面法 横断面法”，”。1 6 1 适用于地形起伏变化比较人或形状狭跃的地带。如水利工程中的大型管沟、 灌溉渠道等均可用此法。划分横断面。根据地形图及竖向布置图，将场地划分为若干个互相平 行的横断面。划分的原则是：在地形起伏相对较大的方向，取垂直于某一坐标轴位置( 或垂直于 等高线) ；对狭长地带，如：水渠、大坝、管沟等，取垂直于构筑物或主要建筑物边长的位置布 嚣。相邻两横断面之间的间隔距离，视地形变化而定，起伏变化大的地段布置密些，即间隔距 离短一些，反之则可长一些，但最长不要超过1 0 0m ，如平坦地区可取5 0m 一个，山坡区可取 2 0m 一个，变化大的地段还可加测断面。计算断面面积，可采用求积仪法或在a u t o c a d 中直 接查询。计算土石方量。根据计算出来的各断面面积和相邻两断面间的间隔距离，依次计算出 各自的土石方量。计算公式： r ：( s 1 + 岛) x l 2 ( 1 - 1 ) 式中：f ，- 相邻两断面间的土石方量( m 3 ) ，s 、相邻两断面的面积( m2 ) ，相邻两 断面问的距离( m ) 。最后将各段土石方量累加起来即得总土石方量。 2 水平断面法 水平断面法【1 5 】适用于各种坝体工程量的计算。该方法是沿高程方向水平的将坝体划分为若干 段，计算各段工程量相加即得总体工程量。用于坝体工程量计算时，这种水平断面法也称为等高 平切法【”1 、等高线包围面积法等。下面简述等高线包围面积法计算淤地坝坝体土方工程量的具体 做法【。用大比例尺( 1 ：5 0 0 1 ：4 0 0 ) 测出坝址地形图，等高线距为1 o i t i 或2 0 m 。以等高线 距作为计算坝体分层土方量的厚度。根据设计坝体断面，将坝体轮廓测绘到坝址地形图上，从 坝顶到坝底，明确坝体轮廓线与地形等高线的交汇点。从坝底到坝顶量算得各层土体的面积， 一1 ， 、 分别为a o 、a l 、a 2 、a 。求得各层土体的平均面积分别为：a a l = 音o 十a i ) ， 上 a t a 2 = 去0 。+ 4 ：) ，a - i a = 0 。+ 爿。) 。各层土体平均面积乘以各层土体厚度 ( 1 o 2 0m ) ，算得各层坝体土方量。累加各层坝体土方量，算得整个坝体土方量。 3 格网法 格网法适用于地形比较平坦或面积比较大的工程，如大型工业厂房及住宅区、车站、机场、 2 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 广场等的场地平整【5 1 。格网法的基本思路【1 9 1 是：在项目区内布设方格网，设置方格边长，视其 地形平坦程度不等；按测量韵方法求出各方格角点的自然地面标高肌( m ) ；按项目区竖向 设计的方法求出各方格角点的设计标商2 ( 1 1 1 ) ：计算出项目区各方格角点的施工高度凤= ( 2 一且) ( m ) ，也就是该角点的挖( 或填) 方高度( “+ ”为填方，“一”为挖方) ；确定零点 ( 既不挖也不填) 及零线( 指各相邻边线上的零点间连线，即项目区内备田块挖和填方的分界线) ； 再求山各方格的挖( 填) 方土方量和项目区周围边坡的挖( 填) 方土方量，把挖( 填) 方土 方量分别加起来，就得到整个项目区的挖( 填) 方的总土方量。 4 等高线法 利用现成的绘有等高线的地形图，计算等高线所嗣的面积，再根据两相邻等高线的高差按以 下公式计算土方量2 1 】： 矿= ( s l + ) x h 2 ( 1 2 ) 式中：、一相邻两等高线所围面积( m 2 ) ， 相邻两等高线间的高著( m ) 。 5 特征散点法 在土方工程量计算中，断面法是种比较传统而又经典的算法。但如清基前后地形突变处发 生变化，而断面选取位置不变时则容易产生较大误差。特征散点【2 2 】计算土方工程量的方法简述如 下：先建立单元体模型( 见图1 1 ) ，在柱体1 中，a 、口、c 是实际测出的特征散点，其中，彳是 商程最低点，爿与4 - 重合，三点就构成了一个斜面，与参考水平面就构成了一个柱体。假设，参 考面的高程是凰，那么；坐标差：蜀口= 弱一，b 口= b 一玖，尬c = x c 一玛，如c = y c 一玖，x b c = x c x b ，= 一：边艮：黾。= e 。+ 圪，e 。= 舅。+ 瑶，配。，= 磁：+ 瑶； s o = 1 2 ( s l + + 岛) ；运用海仑公式有：只c l = 4 s o ( s o 一邑) ( 岛一只i c l ) ( s o 一品l c l ) ；从而 有：1 d 1 = 2 乳c 1 慨l c l ；l 中下部分柱体的体积是：n c l “2 日2 c 2 = 毋i b i c i x ( h a 一岛) ；又由于 岛日c = 1 2 ( b b i + c c l ) 品i c i ；则l 中的上部分椎体的体积是：圪m i c l c = 1 3 品8 i c l c x a d i ： 于是，得到整个柱体的体积：日c 一月2 口2 c 2 = n c h 2 8 2 c 2 + 一l c l ca 如此类推，求出所有柱 体的体积，并将所有柱体的体积相加，就得到了测量面到参考面的土方体积。 6 用于淤地坝坝体土方工程量的简易计算公式 该方法属于水平断面法，但由于其与本课题密切相关，故单独列出。淤地坝的布设密度大， 那种“口小肚大”的理想坝址并不很多，许多工程的库区内的沟道断面比较均一，这样可以建立 公式计算淤地坝坝体体积 2 3 , 2 4 。 坝址处的沟道宽度可以表示为坝高的函数，对一般的断面形式( 如图l - 2 所示) ，沟宽和坝高 的关系式”可表示为如。卜形式： 三( ) = l n + 盯1 h o ( 1 - 3 ) 式中：三( 办) _ 蜘高为 处的沟宽( m ) ；厶沟底宽度( m ) ；吼、盯2 常数和指数。首 先取厶为沟底宽度，然后根据不同坝高处的沟道宽度，通过回归分析确定出q 和仃2 的值，即可 确定沟宽和坝高的关系。 如图1 - 3 所示，在坝高为h 的坝体上，在坝高为h 处取一水平平面微元，如果坝项宽度为6 0 ， 上下游坡率分别为m 、m 2 ，则微元的宽度为： b 2 b 。+ ( + m 2 ) ( 日一矗) ( 1 4 ) 微元的长度( 亦为沟宽) 用( 1 3 ) 式确定，那么微元的体积为：d w = b l d h ，积分即可求出坝 h hh 体的土方上程量：w = p 矽= p 三砌= f 【6 。+ ( m 。+ ：) ( h a ) 】( k + 吼h 。z ) d h iii 进一步演算可得坝体土方j 二程量的计算式： 肚骗日甲1 + 啬1 + 再器而m s ， 其中，聊= 卅l + m 2 在计算中，先确定出沟宽和坝高的关系，再将坝顶宽度、坝高、坝坡坡率等代入上式就可求 出坝体土方工程量。对于非均匀坝坡或有马道的淤地坝，可以将其断面分割为几部分，分别代入 不同的坡率l f , 1 进行计算【2 5 】。 d 图1 1 特征散点法单元体示意图图l - 2 沟道断面团图1 - 3 坝体示意图 以上各种计算方法中，横断面法、水平断面法及等高线法等都适用于计算坝体的土方工程量 而淤地坝坝体土方量的简易公式只适用于估算，精度不是很商。 1 2 2 国内工程量自动计算软件 计算机辅助工程量计算软件的发展历程可划分为以下四个阶段b “：表格法，它是利用某些 计算机表格软件对数字的处理能力较强的优点，将各种公式、格式在表格中预制好，再将工程量 数据或公式输入表格中，软件会自动、准确统计出工程量的结果。图形法，它是基于简易的二 维图形平台，用户重新录入建筑工程图形的全部内容，由软件来计算工程量。基于a u t o c a d 的图形法。它是通过在a u t o c a d 平台上的二二次开发，利用a u t o c a d 易于操作的特点，为用户建 立一个录入平台，由于有三维效果，工程图形录入工作变得更加直观。智能识别电子施工图的 图形法，它也是以a u t o c a d 作为平台进行二次开发，利用人工智能技术，开发出自动识别工具， 自动计算出工程量。 4 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 工程量计算器 工程量计算器主要用于建筑预结算人员完成项目上程量的统计计算t 作。以电子表格形式模 拟手t 计算底稿，具备自动汇总功能，可实现多页再次汇总，便于分级、分部位管理与汇总。工 作效率比手工计算提高3 0 ，减少了手工计算容易漏算、误算、笔误等出错的概率；其核对调整 计算丁作比手工重新计算效率提商更加明显，易于核对和找出差错。 2 土方工程量计算软件h t c a d h t c a d 是一套基于a u t o c a d 平台上开发的土方工程量计算绘图软件，针对各种复杂地形情 况，软件采用了方格网法计算土石方量：布置方格网，自动采集地形标高，输入或计算设计标高， 求得填挖方量；在满足设计要求的基础上，力求土方平衡、土方总量最小。该软件分为以f6 部 分：地形图的处理：设计标高的处理；方格网的布置和采集、调整标高：土方填挖方量的计算和 汇总；土方零线、断面、边坡等的绘制：各种参数的调整。软件具有良好的交互性，贴近设计人 员的设计思路，能够在最短的时问内计算出土石方量。适用于工业设计院总图专业，规划、园林 设计中的土石方计算，农业工程中的农田规整改造、房地产公司的建筑基槽土方计算等领域。 3 p k p m 工程量自动计算软件 该软件根据三维建筑模型的构件属性自动套取定额子目完成土建工程量的统计。首先确定工 程数据路径和选定定额名称，这样就确定了计算规则和需要计算的工程，同时还可利用提取和拷 贝键进行概预算计算所需数据文件的提取和复制。进入不同工程量统计界面后，可进行工程景的 统计，每个统计界面都包含计算规则设置、工程量查询、显示、修改定额、楼层结果、全楼结果、 计算式等基本功能【”1 。该软件可以进行平整场地、基础工程、砌筑工程、装饰工程等的工程量统 计。 另外还有新思工程量计算软件，神机妙算工程造价系列软件，正元算量，鹏业工程量计算软 件等相关的工程量计算软件。 1 2 3 国外工程量自动计算软件 l _ a u t o c i v i l a u t o c l v i l 2 8 1 是一个运行于a u t o c a d 环境下的土木工程软件包，它可以完成测量、绘制地图、 土方工程量计算、道路设计、水网分析、下水道设计、雨洪排泄设计等。a o t o c i v i l 呈现t a u t o c a d 内的最高效的土木工程决策。 2 e a r t h e a r t h 2 9 1 是d q p i z e ri n c o r p o r a t e d 发行的一个强大且灵活的土方工程挖方、填方计算软件。 它可以用断面法或改进的棱柱法等通过断面数据( 原地面数据和工程建成后地面数据) 计算挖方 和填方体积，从而确定土方工程量；可计算多种工程的土方工程量，包括道路、飞机跑道、沟渠、 建筑开挖、停车场、围墙、码头及开发区等工程。它特别适用于道路建设工程。 3 h o p ss u i t eo f p r o g r a m s h o p s ( h i g h w a yo p t i m i s a t i o np r o g r a ms y s t e m ) 软件蚓是英国最著名的高速公路设计工具， 它可以确定最优线路竖向走向和最优工程造价。其中一个予模块就是根据地面数据计算土方上程 量的。 中国农业人学硕士学位论文 第一章绪论 4 m a n ya r e a s m a n y a r e a s 3 1 1 是一个快速计算体积的土木工程软件t 具。它允许用户定义许多的小区域，每 个小区域有不同的表土层，平衡线高程等；然屙产生一个报告，包含每块小区域以及接个区域的 表十层、挖方、填方、狰土方工程量。 5 m i c r o s u r v e yc a d2 0 0 5 m i e r o s u r v e yc a d 2 0 0 5 p ”是为测量员、承包商和工程师设计的一个桌面测量和设计软件，它 由一个专家级别的c a d 、全面的测量员c o g o 以及世界上最强大的d t m 集装而成。它在陆地测量、 十木上程、市政设计、选址、地貌分析、环境工程、矿采设计、土方工程量计算及地质等领域为 专业人员建立了一个新的标准。 6 。p a y d i r ts i t e w o r k p a y d i r t ”1 是为评估人员而非计算机专业人员设计的，它简单易学、运行快且精度高。用p a y d j r t 可以浏览三维图，计算挖方、填方量、表土剥离量及土方平衡等，还可随时察看剖面情况。 7 p r o s t z p r o s t z i ”1 是道路、铁路设计软件，它是从p r o s ts 发展而米，扩展了断面管理等方面功能。p r o s t s 的标准模块提供了全面的断面管理和任意方面的土方下程量计算。p r o s t z 的核心是用户可以白 定义设置许多内容，如；项目中获取的数据( 地形，丁程，地形恢复，墙体等) ，需要计算的工 程量( 挖方，填方，表土等) ，测量单位，以及用户可以告诉软件希望通过什么方式从获取的数 据中得到土方工程量。设簧完成后p r o s tz 就快速自动计算出结果并输出到文件。 8 p y t h a g o r a s p y t h a g o r a s l 3 5 1 根据三维数据点或曲线建立t i n ( t r i a n g u l a t e d i r r e g u l a r n e t w o r k ) p - 戈d t m ( d i g i t a l t e r r a i nm o d e l i n g ) 。只要建立了d 1 m 。p y t h a g o r a s 可以很快得绘出等高线、切割断面并计算出土体 体积。v y t h a g o r a s 可以轻松准确的计算出两个d t m 表面之间或一个d t m 表面到某一已知高程之间 的体积。p y t h a g o r a s 还提供了从任意视角观察的三维图，可以方便地进行设计决策。 9 w i n e x r o c t e k sw i n e x 36 1 可以快速准确并简便的计算出挖、填方量。简单的导入原始的和设计的地形 线高程数据、点高穰数据和不进行施工的区域，w i n e x 将即时提供土方工程量挖方填方量、 运出运进的土方量、分离计算区域。w i n e x 还提供彩色三维地形模型及土方调配等。 另外还有a d v a n c e dc a i c ev i s u a lr o a d s ，h i g h w a y s ，g r m 等道路设计软件：t i m b e r l i n e o f f i c e c u t f i l l ，信息计算机系统( 有限) 公司i c s ( i n f o r m a t i o nc o m p u t e rs y s t e ml t d ) 的c a d i c s 等软 件都可计算相应工程的土方工程量。 以上软件中并没有专门适用于淤地坝的工程量自动计算的软件，它们在目前淤地坝的坝体土 方工程量计算中没有被应用。 1 2 4 淤地坝相关软件 游尚官等p 7 】( 1 9 9 1 ) 开发了淤地坝c a d 系统，它由7 个模块组成：总控模块，数据管理模块， 水利计算模块，结构分析计算与优化模块，土坝子系统，溢洪道子系统及放水涵洞子系统。该软 件工程量计算部分比较简单，没有实现自动计算。 6 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 姚金刚等”( 1 9 9 6 ) 开发了淤地坝设计初级模型，其中坝体土方工程量是在假设沟道断面在 坝宽范围内不变的情况下计算，这种方法依然属于简化公式，精度不够，且该程序只在山西省范 罔内适用，其它地区还需根据当地情况进行修改。 张汉雄等p 9 j ( 1 9 9 6 ) 设计了淤地坝系规划设计通剧软件，它能用于坝高小于5 0m 的淤地坝和 小型水库的坝体、放水设施和溢洪道设计。它采用b a s i c 语言编程。按模块化交互运行原理编制， 该软件由坝体( 含放水洞) 与溢洪道两个模块组成，相互联接，交互运行，但没有直观的图形显 示，且没有涉及坝体土方工程量的计算。 1 2 5 非直接利用软件进行工程量自动计算的方法 1 在a u t o c a d 平台下实现工程量自动计算 ( 1 ) 直接利用a u t o c a d 计算工程量 a u t o c a d 可绘制建筑工程三维实体图，建筑实体中与工程量有关的长度、面积、体积及质量 等大量数据信息可通过a u t o c a d 中的d i s t a n c e 、a r e a 、m a s sp r o p e r t i e s 等命令获得，这些数据用于 工程量计算正是a u t o c a d 的优势，也是c a d 用于工程量计算的基本原理【4 ”。上海东方艺术中心复 杂钢构件工程量的计算4 1 1 就是按照这种方法进行的。上海东方艺术中心选定了白玉兰造型，5 个 大小不一的椭圆形大厅被设计成5 个花瓣，其造型新颖独特，形体非常复杂，传统的方法难以准 确计算其工程量。后来采用在a a t o c a d 中进行三维绘图、正确建模，直接运用命令查询某些部位 的体积或面积，取得了良好的效果。 ( 2 ) 编写程序实现在a u t o c a d 中计算工程量 用户可根据不同的需要自行编写a u t o l i s p 、v b a 、o b j e c t a r x 等程序，实现在a u t o c a d 中自 动计算工程量，这对于加快设计速度，减轻劳动强度，提高设计精度都具有非常重要的意义。 何习平等4 2 1 ( 2 0 0 5 ) 研究了淤堤坝横断面的自动绘制和土方量的快速计算，其中的淤堤坝是 在我国南方地区水域中修筑的坝体，首先根据各中桩点处断面实测数据绘制硬地基剖面线及淤泥 面剖面线( 参见图1 4 ) ，然后在各剖面线上依据设计尺寸绘制各处的横断面图( 参见图1 5 ) ， 获得断面面积，进而得到土方量。该成果中坝体断面非常简单，没有变坡和马道：地形线也比较 简单；且仅在实测桩点处绘制横断面，断面数量不可能很多。 图1 - 4 堤坝横断面测量点布置 图1 - 5 堤坝横断面示意图 ( 3 ) a u t o c a d 和e x c e l 结合计算工程量 罗滨等【4 3 1 ( 2 0 0 3 ) 利用a u t o c a d 的属性功能进行渠道土方量计算，主要是在a u t o c a d 文件中 7 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 建立属性块，该块中含有每一断面工程量数据，再进行属性数据i 扫a u t o c a d 文件向e x c e l 文件的 转换，在e x c e l 文件中完成工程量汇总。这种方法不仅可以在a u t o c a d 图中每个断面旁显示工程 量数据，且避免了 e x c e l 文件中数据的输入错误，可以提高工作效率、减少错误。 朱建华等【4 4 ，4 5 ( 2 0 0 5 ) 利用e x c e l 和a u t o c a d 结合计算土坝土方量，做法是：首先在a u t o c a d 文件中量出土坝相应参数，输入e x c e l 文件中，再将参数复制到a u t o c a d 文件中，绘制剖面，创 建面域量算面积，然后将结果输入e x c e l 文件，对每个剖面都这样进行，最后在e x c e l 文件中汇总 计算得土方量。这种方法在实际中也可提高上作效率，但是手工输入的地方依然很多，且其中绘 制的剖面不甚准确。 2 基于g i s 实现土方工程量自动计算 地理信息系统g i s ( g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ) 是在计算机软件和硬件的支持下，运用 系统工程和信息科学的理论，科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据，以提供规划、管理、 决策和研究所需信息的技术系统 4 6 , 4 7 。借助g i s 的数字地面模型、空间插值、空间叠加等分析技 术进行土方工程量的自动计算，其运算效率和精度较高，同时利用g i s 技术进行三维可视化处理 能够清楚、直观地了解整体概况。以农地缒理土方工程量计算为例说明具体做法【l q 。第一步：获 取土地整理项目区相关图形、图像、表格和文字数据。第二步：按照要求编辑和处理所得数据， 运用g i s 的3 d 分析模块，利用项目区地形数据生成规则格网d e m ( d i g i t a le l e v a t i o nm o d e l ) 。第 三步；运用g i s 中3 d 模块对地形数据进行可视化处理，并把土地利用现状图等图形及d e m 叠加在 三维可视化地形图上。第四步：运用g i s 中属性数据库功能对各网点和格网进行编号，并利用d e m 自动获取各网点的相应地面标高，通过g i s 中属性数据计算功能确定相应的公式进行统计计算， 得出挖( 填) 方工程量。 基于g i s 实现土方工程量韵自动计算的方法目前研究的比较多，但淤地坝的工程实际中多用 a u t o c a d 绘图，掌握g i s 软件的人员不是很普遍。 3 在m a t l a b 中计算土方工程量 陈天伟等即l ( 2 0 0 2 ) 研制了土方量计算的m a t l a b i 具箱，它的土方量计算基本原理是等高 线法。主要过程是；输入图形文件一绘制土方量计算区域边界一计算土方量。该方法主要适用于 场地平整，如果用于淤地坝坝体土方工程量的计算，则需用户用工具箱中提供的工具来绘制点、 线进而形成土方量计算区域即坝体轮廓线，且淤地坝的梯形断面在该环境f 不好表达。 1 3 研究内容 本课题研究内容为淤地坝坝体土方工程量的自动计算即在给定的坝址地形图上，依据坝体 断面参数，编程计算出坝体的土方工程量，并建立坝体三维模型，同时要求人机交互界面良好。 8 中国农业大学硕士学位论文 第二章研究方法和编程思想 2 1 研究方法 2 1 1a u t o c a d 软件 第二章研究方法和编程思想 a u t o c a d 是美国a 删e s k 公司推出的通用计算机辅助设计软件包，具有价格合理、性能优 越、使用方便、体系结构开放等优点，深受广大工程技术人员的欢迎。 a u t o c a d 自1 9 8 2 年问世以来，为适应计算机技术的不断发展和用户的设计需要，先后进行 了一系列升级，每一次升级都伴随着软件性能的大幅度提高：从最初的基本二维绘图发展成集二 维绘图、三维绘图、渲染显示、数据库管理和i n m e t 通信等为一体的通用计算机辅助设计软件 包。如今，a u t o c a d 己广泛应用于机械、建筑、电子、航天、造船、石油化j 二、土木工程、冶 金、农业气象、纺织、轻工等领域。在中国，a u t o c a d 己成为工程设计领域应用最为广泛的计 算机辅助设计软件之- - 1 4 ”。 a u t o c a d 系列软件有以下特点【5 0 1 ： 1 广泛流行 a u t o c a d 是享誉全球的绘图软件，a m o c a d2 0 0 4 在a u t o c a d2 0 0 2 的基础上，进一步增强 了工具的实用性，并且窗口、对话框及图标改成x p 风格，更加适合用户使用。 2 图形功能齐全 在a u t o c a d 中，图形功能是非常强大的。可以直接创造用户需要的二维及三维模型。二维 图形如直线、圆弧、长方形、正多边形、样条曲线及椭圆等；三维实体，如长方体、柱体、球、 椎体及楔体等。虽然一些复杂的图形或者实体a u t o c a d 不能直接画出，但是可以通过图形的有 关编辑命令来实现。 3 易学易用 a u t o c a d 使用了w i n d o w s 菜单操作。在a m o c a d2 0 0 4 中，使用了w i n d o w s x p 的菜单界面， 这非常有利于用户学习。a u t o c a d 的个性化操作，使得在设计过程中，既可以在命令提示行中 输入命令后进行操作和修改，也可以直接运用相关的t 具按钮，大大提高了作图速度。 4 结构开放 在设计过程中，用户可以根据自己的操作习惯和喜好，来定制自己的操作界面。因为a u t o c a d 的所有命令都可以轻松地被显示和隐藏。既可以将暂时用不到的命令隐藏起来，也可以根据用户 的需要，把有关的命令按钮移到自己方便的位置。 5 便于二次开发 a u t o c a d2 0 0 4 荣登全球绘图软件的龙头宝座，主要是因为它具有开放的体系结构。它允许 用户和开发者采用高级编程语言对其进行扩充和修改，即二次开发，能最大限度地满足用户的特 殊要求l 。 9 2 1 2 a u t o c a d 二次开发语言 a u t o c a d2 0 0 4 的开发语肓有a u t o l i s p 、v i s u a ll i s p 、v b a 及o b j e c t a r x 四种。 1 a u t o l i s p 语言 l i s p ( l i s tp r o c e s s i n gl a n g u a g e ) 是一种计算机的表处理语言，是迄今为止人工智能科学领 域中应用最j “+ 泛的一种程序设计语言。l i s p 语言又称符号式语言、函数式语言。在l i s p 语言中， 最基本的数据类型是符号表达式( s y m b o l i c e x p r e s s i o n ) 【”】。l i s p 语言的最显著特点是程序和数 据的形式等价，两者都以符号表达式表示。冈此可以把程序当作数据来处理，也可以把数据当作 程序来执行【，”。a u t o l i s p 是嵌入a u t o c a d 内部的l i s p 编程语言，是最早推出的a u t o c a d 开发语 言，它简单实用，编程容易，用户只要在命令行输入程序即可随时看到运行的结果。 2 v i s u a ll i s p 语言 v i s u a l l i s p 语言1 5 4 1 是为了适应编程语言发展的需要，在a u t o l i s p 的基础上添加了对a c t i v e x 对象模型的支持而形成的具有面向对象功能的编程语言，集a u t o l i s p 语法与a c t i v e x 对象模型于 体，功能更为强大。v i s u a ll i s p 语言还提供了集成开发环境，增强了应用程序的开发、调试、 编译和管理功能，极大地减轻了程序开发的工作最，提高了程序开发的效率。 3 a u t o c a dv b a 语言 v b 语言是近年来非常流行的可视化通片 编程语言，其编程简单易懂，容易学习，是广大软 件设计者非常喜爱的一种语言。a u t o c a d 的开发者将v b 语言引进a u t o c a d 形成了v b a 语言。v b a 语言继承了v b 语言的所有优点，同时具备了方便调用a c t i v e x 所有方法和属性的功能，成为 a u t o c a d 应用程序开发者们的新宠。当然v b a 与a u t o l i s p 分属不同的语言系统，也就失去了在 a u t o c a d 环境下使用a u t o l i s p 简单方便的优点，使读写d x f 文件和组码有一定疆难p ”。 4 a u t o c a do b l e c ta r x 语言 近年来随着面向对象编程技术的发展和完善，a u t o d e s k 公司为了降低编程的难度，提高程序 的重用度以及进一步加快所编程序的运行速度，又专门开发并推出了以c + + 语言为基础的a r x ( a u t o c a dr u n - t i m ee x t e n s i o n ) ，i i 口a u t o c a d 运行时扩展编程语言，简称o b j e c t a r x 开发语言。 a r x 应用程序实质上是一个w i n d o w s 下的动态链接库文件，与a u t o c a d 共享内存地址空间，可直 接调用a u t o c a d 的a p i 函数，使系统在某一时刻使用的资源最少，并能使a u t o c a d 直接与c + + 进行通信，从而提高了程序的运行速度”5 ，”j 。 2 1 3 研究方法 前面2 1 1 小节讲述了a u t o c a d 以其功能强大、适用面广、操作简单易学而被各个行业广大 的设计与绘图工作者喜爱，同时我国目前工程中所用的地形图大部分是a u t o c a d 图形格式( 即 d x f 和d w g 格式) 的，而且工程设计图也多用a u t o c