淺談3D自動(dòng)化攤鋪系統(tǒng)在公路工程施工的應(yīng)用

劉付旭

(廣西桂通工程咨詢有限公司，廣西 南寧 530028)

0 引言

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展進(jìn)步，利用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)手段提高工程施工管理水平，特別是應(yīng)用數(shù)字化施工提高工程施工質(zhì)量水平和施工效率，是當(dāng)今工程建設(shè)共同追求的質(zhì)量和效益目標(biāo)。工程數(shù)字化施工就是使用計(jì)算機(jī)、定位、自動(dòng)控制以及可視化等技術(shù)將工程建設(shè)整個(gè)過(guò)程數(shù)字化、信息化、智能化、可視化，從而達(dá)到現(xiàn)代化施工建設(shè)的目標(biāo)。數(shù)字化的施工與管理是大型建設(shè)工程現(xiàn)代化的需要，也是數(shù)字化時(shí)代的必然趨勢(shì)。數(shù)字化施工以其所倡導(dǎo)的安全施工、綠色環(huán)保施工和高科技施工的理念，受到越來(lái)越多國(guó)內(nèi)外建筑企業(yè)的關(guān)注和應(yīng)用。

1 3D自動(dòng)化攤鋪機(jī)控制系統(tǒng)施工作業(yè)流程

1.1 前期準(zhǔn)備階段

1.1.1 設(shè)備準(zhǔn)備

3D攤鋪試驗(yàn)主要設(shè)備投入見表1。

表1 主要設(shè)備投入表

1.1.2 人員準(zhǔn)備

3D攤鋪試驗(yàn)人力資源使用情況見表2。

表2 3D攤鋪試驗(yàn)人員情況表

1.2 施工準(zhǔn)備

1.2.1 攤鋪數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作主要是將傳統(tǒng)的工程施工設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和圖紙進(jìn)行三維數(shù)字模型建立，即利用3D攤鋪系統(tǒng)配套的軟件將原有的工程二維設(shè)計(jì)藍(lán)圖轉(zhuǎn)化成機(jī)械設(shè)備、測(cè)量設(shè)備能夠自動(dòng)識(shí)別的三維電子設(shè)計(jì)圖。

1.2.2 施工現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備

具體施工前正確連接3D自動(dòng)化控制系統(tǒng)各個(gè)元部件，并且可以正常工作；下承層通過(guò)驗(yàn)收合格；現(xiàn)場(chǎng)各施工設(shè)備、人員按要求到場(chǎng)，各施工設(shè)備、儀器試運(yùn)轉(zhuǎn)正常。

(1)系統(tǒng)安裝與調(diào)試

①攤鋪機(jī)機(jī)械、電器、液壓系統(tǒng)達(dá)到設(shè)備出廠使用要求；

②系統(tǒng)安裝在足夠平整的場(chǎng)地，附近配合輔助設(shè)備。

(2)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量控制點(diǎn)加密及控制點(diǎn)精度檢核

①控制點(diǎn)精度檢核符合規(guī)范要求；

②控制點(diǎn)加密滿足施工要求。

(3)鋪筑段數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)

需要施工測(cè)量人員配合提供如下資料：

①線路設(shè)計(jì)水平定線參數(shù)，包括交點(diǎn)坐標(biāo)、曲線要素等；

②線路設(shè)計(jì)垂直定線參數(shù)，包括變坡點(diǎn)里程、高程、曲線要素等；

③線路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖，以及曲線段超高、加寬的設(shè)計(jì)參數(shù)；

④線路設(shè)計(jì)逐樁坐標(biāo)(最好是三維點(diǎn)坐標(biāo))；

⑤鋪筑段區(qū)域至少有三個(gè)以上互相通視控制點(diǎn)坐標(biāo)。

1.2.3 施工攤鋪階段

(1)攤鋪之前與現(xiàn)場(chǎng)施工負(fù)責(zé)人溝通攤鋪機(jī)行進(jìn)方向，與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量負(fù)責(zé)人員確定鋪筑段的松鋪系數(shù)。

(2)全站儀架設(shè)位置選取和攤鋪鋪筑段原地面平整度檢查，現(xiàn)場(chǎng)施工管理人員配合管理現(xiàn)場(chǎng)車輛，及時(shí)調(diào)度輔助施工人員，防止出現(xiàn)遮擋儀器現(xiàn)象的發(fā)生。

(3)系統(tǒng)正確配置、簡(jiǎn)化施工流程，節(jié)省施工時(shí)間和人員投入，提高工作效率。

(4)實(shí)時(shí)的攤鋪測(cè)量檢測(cè)，根據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)量結(jié)果，3D自動(dòng)攤鋪系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)整攤鋪厚度、坡度和方向。

(5)全自動(dòng)3D控制精確穩(wěn)定，避免人為誤差，精確控制每一攤鋪層的攤鋪標(biāo)高、厚度和坡度。

1.2.4 攤鋪數(shù)據(jù)采集分析存檔

(1)攤鋪測(cè)量數(shù)據(jù)分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)采集分析，采用3D自動(dòng)化攤控制系統(tǒng)進(jìn)行的施工和采用傳統(tǒng)施工方法進(jìn)行施工的數(shù)據(jù)精度基本上一致，無(wú)論壓實(shí)后和松鋪檢測(cè)的實(shí)際攤鋪標(biāo)高與設(shè)計(jì)標(biāo)高誤差都在10 mm以內(nèi)，并且設(shè)備運(yùn)行非常穩(wěn)定，3D自動(dòng)化攤鋪控制系統(tǒng)的測(cè)量、施工精度完全符合施工技術(shù)規(guī)范要求。

(2)數(shù)據(jù)存檔

建立數(shù)據(jù)庫(kù)，按照需要和規(guī)定要求儲(chǔ)存測(cè)量數(shù)據(jù)，并向業(yè)務(wù)部門提供存檔數(shù)據(jù)。

2 3D自動(dòng)化攤鋪技術(shù)應(yīng)用與傳統(tǒng)施工工藝對(duì)比

2.1 傳統(tǒng)攤鋪施工方法

傳統(tǒng)的公路工程路面各結(jié)構(gòu)層的施工方法，主要是攤鋪機(jī)在進(jìn)行攤鋪施工時(shí)采用自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)接觸式滑靴和非接觸式聲吶這兩種作業(yè)方式，即采用滑靴傳感器或聲吶追蹤器參照測(cè)量人員架設(shè)的鋁梁或者基準(zhǔn)進(jìn)行引導(dǎo)攤鋪施工。施工時(shí)需要較多的人工進(jìn)行基準(zhǔn)導(dǎo)線的架設(shè)，以及道面的前期、后期測(cè)量工作，且施工過(guò)程中無(wú)法進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，只能事后調(diào)整彌補(bǔ)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)由于基準(zhǔn)線設(shè)定錯(cuò)誤而導(dǎo)致的返工，現(xiàn)場(chǎng)協(xié)調(diào)比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力，施工過(guò)程需要耗費(fèi)較多的人力、物力和財(cái)力。

2.2 傳統(tǒng)施工方式存在的問(wèn)題

2.2.1 人為因素對(duì)基準(zhǔn)的影響

傳統(tǒng)引導(dǎo)基準(zhǔn)是采用水準(zhǔn)儀讀取水準(zhǔn)尺高程讀數(shù)計(jì)算確定的，而且基準(zhǔn)導(dǎo)線在架設(shè)過(guò)程中準(zhǔn)確度絕大多數(shù)依賴施工技術(shù)人員的工作責(zé)任心和正確的計(jì)算及操作方法，人為因素在很大程度上影響著基準(zhǔn)引導(dǎo)線的架設(shè)的精度。

2.2.2 工程機(jī)械對(duì)基準(zhǔn)的影響

由于攤鋪過(guò)程中攤鋪機(jī)可能會(huì)撞到基準(zhǔn)樁或者料車不慎碾壓基準(zhǔn)線等情況的發(fā)生，都會(huì)導(dǎo)致架設(shè)基準(zhǔn)的偏差進(jìn)而出現(xiàn)攤鋪施工的誤差。

2.2.3 攤鋪施工設(shè)計(jì)標(biāo)高控制不能保障

通過(guò)平衡梁或者滑靴進(jìn)行攤鋪施工可以較好的控制攤鋪的平順性和平整度，但是卻不能確保同時(shí)控制攤鋪標(biāo)高，很難對(duì)標(biāo)高精準(zhǔn)控制。

2.2.4 測(cè)量工作量大，需要大量的輔助人員

通過(guò)平衡梁或者滑靴進(jìn)行攤鋪施工需要大量的測(cè)量人員和測(cè)量輔助人員做好施工攤鋪前期測(cè)量準(zhǔn)備工作和攤鋪過(guò)程中的測(cè)量檢測(cè)工作。

2.2.5 施工作業(yè)人員工作強(qiáng)度高，容易疲勞，不利于施工質(zhì)量和安全管控

傳統(tǒng)的攤鋪施工受外界因素影響大，往往在趕工期。為了施工進(jìn)度需要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)施工作業(yè)，由于施工作業(yè)人員的疲勞、困乏，不可避免的會(huì)增加施工出現(xiàn)錯(cuò)誤和事故的機(jī)率，容易產(chǎn)生工程質(zhì)量和安全問(wèn)題。

2.3 3D自動(dòng)化攤鋪系統(tǒng)施工的優(yōu)勢(shì)

2.3.1 傳統(tǒng)施工向數(shù)字化施工的轉(zhuǎn)變

傳統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)借助于Moss(MX Roads)、AutoCAD等軟件實(shí)現(xiàn)了二維和三維的工程設(shè)計(jì)，然而這些設(shè)計(jì)僅僅停留在電腦或圖紙顯示上，無(wú)法真正應(yīng)用于施工，這就產(chǎn)生了設(shè)計(jì)和施工的脫節(jié)，降低了設(shè)計(jì)文檔的使用效率。3D自動(dòng)化攤鋪系統(tǒng)配套的軟件可以很好地解決了這一難題，將工程設(shè)計(jì)與實(shí)際施工相融合，數(shù)字化施工是實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化施工的轉(zhuǎn)變。

2.3.2 數(shù)字化攤鋪施工

無(wú)需人工架設(shè)引導(dǎo)基準(zhǔn)，采用全站儀引導(dǎo)進(jìn)行精準(zhǔn)數(shù)字化施工作業(yè)。在確保攤鋪標(biāo)高的同時(shí)兼顧了攤鋪面的平順性和平整度，可以提供完整的聯(lián)合施工解決方案，可以把施工的各個(gè)相關(guān)密切的聯(lián)系起來(lái)。施工信息可以通過(guò)統(tǒng)一平臺(tái)在施工方進(jìn)行分發(fā)和分享，實(shí)現(xiàn)工作的協(xié)同，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、自動(dòng)化施工作業(yè)，提高工作效率。

2.3.3 施工過(guò)程化控制

對(duì)攤鋪面進(jìn)行實(shí)時(shí)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)檢測(cè)和施工質(zhì)量進(jìn)行反饋，精準(zhǔn)的控制施工全過(guò)程。實(shí)現(xiàn)施工過(guò)程透明化，掌控施工質(zhì)量。可以實(shí)時(shí)了解該路面結(jié)構(gòu)施工層情況，還可以顯示施工報(bào)告實(shí)時(shí)掌控施工的過(guò)程，把數(shù)字化模型放到機(jī)械控制中，確保在第一次施工中就可達(dá)到要求。

2.3.4 節(jié)省資源投入，提升安全作業(yè)水平

3D攤鋪?zhàn)詣?dòng)控制系統(tǒng)工作時(shí)不需要太多的施工人員和施工輔助人員，大大降低了施工人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省資源投入；施工現(xiàn)場(chǎng)整潔有序，確保人員和機(jī)械設(shè)備的安全，確保安全、減少施工事故。因?yàn)榭梢詫?shí)時(shí)監(jiān)控施工現(xiàn)場(chǎng)，了解人員、設(shè)備、機(jī)器的準(zhǔn)確位置，可以實(shí)現(xiàn)施工的安全；同時(shí)因?yàn)闇p少了人機(jī)混合作業(yè)，避免了安全事故的發(fā)生。

2.3.5 智能化施工作業(yè)

把設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到3D攤鋪?zhàn)詣?dòng)控制系統(tǒng)，施工過(guò)程系統(tǒng)自動(dòng)的進(jìn)行控制，無(wú)需測(cè)量放樣和找基準(zhǔn)線，減少了人為因素對(duì)施工質(zhì)量的影響，實(shí)現(xiàn)智能化施工作業(yè)，提高施工質(zhì)量水平。

2.3.6 標(biāo)準(zhǔn)化施工作業(yè)

系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)攤鋪施工規(guī)范和要求，標(biāo)準(zhǔn)匹配施工作業(yè)進(jìn)度。節(jié)約施工成本，無(wú)須打樁放樣，無(wú)須進(jìn)行人工測(cè)量，可以大大的減少工程等待的時(shí)間，提高機(jī)械使用的效率，減少重復(fù)推平，降油耗，節(jié)約物料等，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、標(biāo)準(zhǔn)化施工。

2.3.7 全天候施工作業(yè)

系統(tǒng)施工不受光線影響，可以24 h全天候施工作業(yè)。提高效率，縮短工期，避免返工。

2.3.8 實(shí)踐應(yīng)用取得的成果

廣西柳州至南寧高速公路改擴(kuò)建工程項(xiàng)目№8合同段在路面工程施工中采用了3D自動(dòng)化攤鋪系統(tǒng)進(jìn)行攤鋪施工作業(yè)，節(jié)省了資源投入，提高了工作效率，提升了安全施工作業(yè)和施工質(zhì)量水平，取得較好的成果，見圖1、圖2。

圖1 3D自動(dòng)化攤鋪系統(tǒng)應(yīng)用施工現(xiàn)場(chǎng)圖

圖2 3D自動(dòng)化攤鋪系統(tǒng)施工效果圖

3 結(jié)語(yǔ)

3D自動(dòng)化攤鋪系統(tǒng)在柳州至南寧高速公路改擴(kuò)建項(xiàng)目路面工程施工中得到了較好的推廣和應(yīng)用，提升了路面工程施工管理水平和施工質(zhì)量水平，節(jié)約資源投入，提高工作效率。當(dāng)今機(jī)械控制系統(tǒng)已經(jīng)非常成熟，可以提供完整的聯(lián)合施工解決方案，把施工的各個(gè)相關(guān)方密切的聯(lián)系起來(lái)。施工信息可以通過(guò)統(tǒng)一平臺(tái)在施工的相關(guān)方進(jìn)行分發(fā)和分享，實(shí)現(xiàn)工作的協(xié)同，提高工作效率。機(jī)械控制技術(shù)由于其在應(yīng)用中的實(shí)際效果和便利的操作性，在工程建設(shè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

數(shù)字化施工一定是工程機(jī)械行業(yè)的未來(lái)，傳統(tǒng)的工程方式是操作人員看圖紙根據(jù)自己的操作水平去使用工程機(jī)械來(lái)達(dá)到工程的效果，而未來(lái)可以轉(zhuǎn)換成工程機(jī)械能夠讀得懂的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)會(huì)控制機(jī)械操作，減少人的控制和誤差。數(shù)字化施工解決方案的應(yīng)用為當(dāng)今工程建設(shè)技術(shù)革命帶來(lái)了新的突破。

[1]JTG/T F20-2015，公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則[S].

[2]JTG/T F40-2004，公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范[S].