Thuật toán tính khối lượng đào đắp theo mô hình số độ cao và mặt cắt ngang thiết kế

Bài báo giới thiệu thuật toán tính khối lượng đào đắp công trình dạng tuyến theo mô hình số độ cao (MHSĐC) và mặt cắt ngang thiết kế. Trong thuật toán này, tác giả đã sử dụng mặt cắt ngang thiết kế để xác định đường “không” dọc tuyến, làm cơ sở để chọn phần MHSĐC cần tính khối lượng đào đắp. Chọn độ cao H0 làm mặt giới hạn để tính khối lượng đào theo MHSĐC. Tính phần khối lượng đào giữa các mặt phẳng thiết kế và mặt H0 để giúp tách được khối lượng đào hoặc đắp trên từng đoạn tuyến và giúp việc tự động hoá tính toán được đơn giản.

THUẬT TỐN TÍNH KHỐI LƯỢNG ĐÀO ĐẮP THEO MƠ HÌNH SỐ ĐỘ CAO VÀ MẶT CẮT NGANG THIẾT KẾ TS Vũ Thặng KS Vũ Thái Hà Khoa Xây dựng Cầu đường Trường Đại học Xây dựng Tóm tắt: Bài báo giới thiệu thuật tốn tính khối lượng đào đắp cơng trình dạng tuyến theo mơ hình số độ cao (MHSĐC) mặt cắt ngang thiết kế Trong thuật toán này, tác giả sử dụng mặt cắt ngang thiết kế để xác định đường “không” dọc tuyến, làm sở để chọn phần MHSĐC cần tính khối lượng đào đắp Chọn độ cao H0 làm mặt giới hạn để tính khối lượng đào theo MHSĐC Tính phần khối lượng đào mặt phẳng thiết kế mặt H0 để giúp tách khối lượng đào đắp đoạn tuyến giúp việc tự động hố tính tốn đơn giản Summary: This paper presents algori of computing earthwork volume using elevation digital model (EDM) and designed cross sections Designed cross sections are used to define zero border along the route which is a factor to choose EDM to calculate volume of earthwork After that, we can choose the height level H0 in EDM to define digging volume One of the advantages of this algorithm is that we can divide route into smaller parts and then computing volume of earthwork of these parts which are the spaces created by H0 surface and designed surface Xây dựng mô hình số độ cao tồn đạc điện tử Mơ hình số độ cao (MHSĐC) biểu thị tập hợp hữu hạn chiều (Three Dimension viết tắt 3D): Vi = (Xi,Yi, Zi) với i = 1,2,…n bề mặt địa hình miền D, (Xi,Yi)  D tọa độ mặt phẳng Zi độ cao ứng với điểm (Xi, Yi) với i = 1,2,…n MHSĐC sử dụng thành lập đồ nhiều lĩnh vực khác MHSĐC sử dụng phương tiện cho công tác khảo sát thiết kế, tính tốn khối lượng đào đắp thiết kế đường, cơng trình thuỷ lợi, khai thác mỏ, xây dựng cơng trình dân dụng, mơ hình MHSĐC áp dụng trình khảo sát, thiết kế cơng trình dạng tuyến cho kết tốt đảm bảo yêu cầu qui phạm Số liệu đo trực tiếp từ toàn đạc điện tử (TĐĐT) đảm bảo độ xác cho đồ địa hình tỉ lệ lớn, nên số liệu giai đoạn kết hợp tạo nên MHSĐC qua bước khảo sát Mặt cắt địa hình thành lập từ MHSĐC có ưu điểm xác vị trí, lý trình, số liệu độ cao đảm bảo có kết hợp số liệu khảo sát [2] Trên MHSĐC, mặt cắt xác định vị trí đặc trưng địa hình mà áp dụng phương pháp truyền thống thường dễ bỏ qua [3] 98 T¹p chÝ khoa học công nghệ xây dựng Hỡnh MHSC biu din bề mặt địa hình Để thành lập mặt cắt MHSĐC có nhiều phần mềm chuyên dụng Topo, Surfer, Geosoft… khảo sát thiết kế cơng trình giao thông, thuỷ lợi phần mềm Topo - Nova của hãng Hài Hoà sử dụng phổ biến Nhằm khai thác hiệu MHSĐC khảo sát, thiết kế cơng trình dạng tuyến [2], báo tác giả trình bày thuật tốn tính khối lượng đào đắp (KLĐĐ) theo MHSĐC mặt cắt ngang thiết kế Nội dung thuật tốn tính KLĐĐ thơng qua MHSĐC nhằm mục đích sử dụng số liệu đo bình đồ tuyến, thể biến đổi địa hình mặt cắt ngang Cần lưu ý rằng, phương pháp tính KLĐĐ theo mặt cắt ngang truyền thống, áp dụng phổ biến, bỏ qua số liệu khảo sát giới hạn cơng nghệ thiết bị khảo sát, thiết kế truyền thống [1] Qui trình tính khối lượng đào theo MHSĐC mặt phẳng ngang giả định Từ số liệu khảo sát địa hình qua bước TĐĐT xuất lại bình đồ tuyến, mặt cắt dọc mặt cắt ngang theo yêu cầu bước thiết kế Các vị trí mặt cắt dọc mặt cắt ngang chưa đo trực tiếp khảo sát bổ sung bước sau [2] Đến bước thiết kế lập vẽ thi công, mặt cắt dọc, mặt cắt ngang vị trí cần thiết lập từ MHSĐC với số liệu khảo sát trực tiếp Qui trình tính khối lượng đào theo mơ hình số độ cao mặt cắt ngang thiết kế, dựa theo mặt phẳng ngang giả định thực qua bước: - Bước 1: Từ mặt cắt ngang thiết kế, xác định điểm “khơng’’, vị trí phần đào đắp với mặt địa hình tự nhiên Chuyển điểm “khơng” mặt cắt ngang lên bình đồ tuyến, xác định đường “không” dọc tuyến Từ điểm “không” mặt cắt dọc thiết kế, chuyển lên bình đồ tuyến, kẻ vng góc với đường tim tuyến, xác định đường “không” ngang tuyến Dựa vào bình đồ tuyến lập MHSĐC đường ranh giới “không” dọc, đường “không” ngang xác định đường biên thiết kế (ĐBTK) Trên MHSĐC dựa vào ĐBTK xác định phần mơ hình cần tính khối lượng đào đắp đoạn tuyến - Bước 2: Chọn độ cao giả định H0 để làm mặt giới hạn tính khối lượng đào V1 Độ cao giả định H0 chọn cho giá trị ln nhỏ độ cao thiết kế độ cao tự nhiên tất điểm toàn đoạn tuyến, H0 < Hmin Giá trị H0 giả định chọn để KLĐĐ đoạn tính theo MHSĐC mặt cắt ngang thiết kế dấu (chỉ đào) - Bước 3: Tính khối lượng đào V1 theo mơ hình số độ cao giới hạn ĐBTK mặt phẳng nằm ngang giả định H0 chọn Khối lượng đào (KLĐ) tam giác MHSĐC tính theo cụng thc: Tạp chí khoa học công nghệ xây dùng 99 V1i = Pi.hiTB (1) đó: V1i KLĐ tam giác thứ i tính theo phần mặt địa hình tự nhiên giới hạn tam giác thứ i mặt H0 Độ cao trung bình hiTB độ cao điểm trọng tâm tam giác, tính theo trọng số, xác định từ độ cao ba đỉnh tam giác thứ i Khối lượng đào V1 theo MHSĐC giới hạn ĐBTK mặt phẳng nằm ngang giả định H0 chọn tổng KLĐ tam giác Vi nằm ĐBTK n V = V i =1 (2) i Khối lượng đào V2 tính theo mặt phẳng thiết kế, xác định từ đường thiết kế mặt cắt ngang mặt phẳng nằm ngang xác định độ cao H0 giả định chọn bước Qui trình tính khối lượng theo mặt cắt ngang thiết kế mặt phẳng ngang giả định thực từ bước đến bước - Bước 4: Tính KLĐ V2j theo hai mặt cắt ngang thiết kế H0 giả định: V2 j = P j + P j+1 S j, j+1 (3) Trong V2j KLĐ hai mặt cắt ngang thứ j j+1 xác định diện tích Pj Pj+1 khoảng cách Sj,j+1 hai mặt cắt Diện tích Pj Pj+1 xác định theo đường đỏ thiết kế hai mặt cắt ngang i i+1 với mặt phẳng nằm ngang xác định độ cao giả định H0 chọn Khối lượng đào V2j tính khơng có sai số, chúng xác định từ mặt thiết kế mặt phẳng giả định H0 Khi tính KLĐ V2J, phương pháp tính khối lượng đào đắp cơng trình dạng tuyến theo MHSĐC mặt cắt ngang thiết kế phát huy ưu điểm tính KLĐĐ theo phương pháp mặt cắt ngang truyền thống KLĐ V2 tính dựa khối lượng V2j tính theo mặt cắt ngang thành phần: m V2 =  V2 j (4) j=1 - Bước 5: Tính KLĐĐ đoạn tuyến giới hạn ĐBTK và mặt cắt ngang thiết kế đoạn tuyến: V = V1 – V2 (5) Để KLĐĐ tính dấu, tính dựa vào bình đồ tuyến để xác định ranh giới đào đắp theo mặt cắt dọc bình đồ đoạn tuyến; xác định đường “không’ ngang tuyến Đối với đoạn tuyến thiết kế đào đắp khơng cần việc xác định đường ranh giới đào đắp ngang tuyến Khối lượng đào đắp toàn tuyến tổng KLĐĐ đoạn thành phần Trên hình sơ đồ thuật tốn tính khối lượng đào đắp cơng trình dạng tuyến theo mơ hình số độ cao mặt cắt ngang thiết kế Những ưu điểm thuật tốn KLĐ V1 tính từ mặt địa hình tự nhiên khảo sát mặt H0 giả định có sai số khảo sát địa hình Trong tính KLĐĐ theo mặt cắt ngang truyền thống cơng trình hình tuyến bỏ qua biến đổi địa hình hai mặt cắt Đây ưu điểm hẳn phương pháp tính khối lượng đào đắp cơng trình dạng tuyến theo MHSĐC mặt cắt ngang thiết kế 100 T¹p chÝ khoa học công nghệ xây dựng Khi lng o V2j tính được, khơng có sai số chúng xác định từ mặt thiết kế mặt phẳng giả định H0 Thuật tốn tính KLĐĐ Thiết kế theo mặt cắt ngang khảo sát Xác định đường “không” dọc ngang theo mặt cắt ngang MHSĐC, xác định ĐBTK Chọn Ho, tính khối lượng V1 theo mơ hình lưới tam giác MHSĐC H0 Tính khối lượng V2 theo mặt cắt ngang thiết kế cao độ Ho Tính tính khối lượng đào đắp VĐào/Đắp = V1 – V2 Hình Sơ đồ tính KLĐĐ theo mơ hình số độ cao mặt cắt ngang thiết kế Đã có tác giả đưa phương pháp tính KLĐĐ theo MHSĐC, sở tính theo tam giác để phát huy ưu điểm tài liệu khảo sát địa hình theo thiết bị cơng nghệ đại [2] Nhưng phương pháp dừng mặt phẳng thiết kế chọn, ưu điểm tương tự tính KLĐĐ bước Trong phương pháp tính khối lượng đào đắp cơng trình dạng tuyến theo MHSĐC mặt cắt ngang thiết kế, kết hợp ưu điểm phương pháp tính KLĐĐ theo MHSĐC phương pháp mặt cắt ngang truyền thống áp dụng cơng trình dạng tuyến Phát huy ưu điểm thiết bị công nghệ đại ưu điểm phương pháp truyền thống cho phương pháp tiện dụng, xác hiệu thiết kế cơng trình dạng tuyến Các tác giả khảo sát thử nghiệm phương pháp tính khối lượng đào đắp cơng trình dạng tuyến theo MHSĐC mặt cắt ngang thiết kế cho kết tốt hơn, xác định xác khối lượng đào đắp cơng trình [2] Hiện đề tài triển khai xây dựng phần mềm chuyên dụng “Tính khối lượng đào đắp cơng trình dạng tuyến theo mơ hình số độ cao mặt cắt ngang thit k Tạp chí khoa học công nghệ xây dựng 101 Kết luận Phương pháp tính khối lượng đào đắp cơng trình dạng tuyến theo mơ hình số độ cao mặt cắt ngang thiết kế thực phát huy tác dụng, cho hiệu cao áp dụng công nghệ thiết bị khảo sát địa hình lập MHSĐC tính máy tính phần mềm chun dụng Thuật tốn “Tính khối lượng đào đắp cơng trình dạng tuyến theo mơ hình số độ cao mặt cắt ngang thiết kế” nên áp dụng vùng địa hình phức tạp bước vẽ thi công Sau hồn thiện, phần mềm chun dụng “Tính khối lượng đào đắp cơng trình dạng tuyến theo mơ hình số độ cao mặt cắt ngang thiết kế” cung cấp cho người thiết kế thêm lựa chọn phương pháp tính KLĐĐ phù hợp Tài liệu tham khảo: James M Anderson (1998), Surveing, Theory and Practice WCB McGraw- Hill USA Vũ Thặng (2008), Nghiên cứu xây dựng mơ hình số địa hình thiết bị công nghệ đại ứng dụng khảo sát, thiết kế xây dựng cơng trình, Đề tài trọng điểm cấp Bộ năm 2008, số B2008-03-47-TĐ Bùi Ngọc Sơn (2009), Ứng dụng thiết bị công nghệ đại đảm bảo công tác trắc địa khảo sát, thiết kế thi cơng cơng trình dạng tuyến, Luận văn thạc sĩ, ĐH Mỏ Địa chất Qui trình khảo sát đường ôtô, 22TCN-263-2000, Bộ Giao thông Vận tải 102 Tạp chí khoa học công nghệ xây dựng ... Ho, tính khối lượng V1 theo mơ hình lưới tam giác MHSĐC H0 Tính khối lượng V2 theo mặt cắt ngang thiết kế cao độ Ho Tính tính khối lượng đào đắp VĐào /Đắp = V1 – V2 Hình Sơ đồ tính KLĐĐ theo mơ hình. .. giới đào đắp ngang tuyến Khối lượng đào đắp toàn tuyến tổng KLĐĐ đoạn thành phần Trên hình sơ đồ thuật tốn tính khối lượng đào đắp cơng trình dạng tuyến theo mơ hình số độ cao mặt cắt ngang thiết. .. cần thiết lập từ MHSĐC với số liệu khảo sát trực tiếp Qui trình tính khối lượng đào theo mơ hình số độ cao mặt cắt ngang thiết kế, dựa theo mặt phẳng ngang giả định thực qua bước: - Bước 1: Từ mặt