基于平地機3D控制系統(tǒng)的施工技術研究

王 洋

(河北省高速公路石黃管理處，河北 石家莊 050006)

0 引言

隨著國家道路十三五的規(guī)劃建設，公路及高速公路建設逐漸進入新一輪高潮。數字化施工作為科技進步的成果，很少應用于高速公路道路建設中。研究數字化施工技術應用問題，將大力提升道路建設施工進度，降低施工成本，提升施工質量。

關于平地機控制系統(tǒng)與數字化施工技術研究較多。付琴等人、馬錦姝、趙劍發(fā)、戴慧麗[1-4]就數字化施工技術發(fā)展進行研究，并結合BIM三維建模技術進行分析其應用前景。董海榮、宋永剛等人[5，6]主要研究3D控制技術在機械工程設計中的應用，如何充分有效發(fā)揮3D控制技術已然成為機械工程設計中關鍵問題，給出各自的觀點。王萍紅、曹擎宇、楊青豐等人[7-9]主要研究如何利用相關技術將平地機智能化，達到節(jié)時省力，重點設計平地機，為平地機在工程實踐應用提供基礎。

本文以平地機3D控制系統(tǒng)為研究載體，分析數字化施工技術應用。首先分析平地機3D控制系統(tǒng)施工特性、應用范圍、技術原理、機械設備、施工工藝等。然后探討選擇平地機3D控制系統(tǒng)施工技術的施工周期效益、質量比較、經濟效益。力求給類似路基施工提供良好借鑒，大力推廣應用平地機3D控制系統(tǒng)數字化施工技術。

1 施工技術分析

1.1 特性分析

與傳統(tǒng)平地機施工技術相比，基于平地機3D控制系統(tǒng)的數字化施工技術精平時效高，可顯著縮短施工周期。同時可以降低人工工時投入，節(jié)約施工資金投入，施工工程準確率高，降低了因施工質量缺陷造成的返工概率。該項施工技術可以有效提升標高精度，保證施工質量。

1.2 應用范圍

該項施工技術主要應用在路基施工施工周期緊張、施工工程大、施工人員短缺的情況下，其優(yōu)勢極為明顯。

平地機3D控制系統(tǒng)的數字化施工技術在工程實踐中詳細應用概況如圖1所示。

圖1 平地機3D控制系統(tǒng)數字化施工技術應用示意圖

1.3 技術原理介紹

3D控制系統(tǒng)將工程數據錄入機載計算機中，控制平地機鏟刀，整合傳感器內輸出的數據，不停歇的刷新調節(jié)改變平地機位置與方向。利用車載電腦完成機器設計位置與實際位置實時對比，獲得高度與坡度的準確數值，回傳至鏟刀控制器內，高度與坡度進行調整。RTK檢測系統(tǒng)GPS基站收集上空GPS衛(wèi)星發(fā)出的時空信息?；纠脽o線調制解調器，完成所有設備的通訊互聯。按照上述過程獲得設備與基站的準確位置信息后，結合斜坡與其余傳感器數據信息，標定平地機鏟刀最精準的位置及方向角度等。

1.4 機械設備介紹

第一步完成傳統(tǒng)平地機改裝工作，將GPS移動站與液壓系統(tǒng)安裝與鏟刀位置處，第二步安裝車載計算機與信號傳感設備于司機室，第三步將信號接收發(fā)射設備配制到司機室外，如圖2所示。

圖2 機械設備安裝位置圖

1.5 施工工藝分析

施工工藝主要分為如下4個環(huán)節(jié)：

(1)將設計數據錄入車載計算機內，電腦自動搭建三維數字模型。計算機借助傳感設備不斷對比平地機鏟刀目前位置和設計數據，完成調節(jié)控制信號。

(2)推土機粗平與平地機精平同步進行，節(jié)約測量放樣時長，控制系統(tǒng)可直接控制路基標高、坡度及平整度。

(3)參照車載電腦搭建的三維數字模型，綜合考慮鏟刀上GPS獲得的檢測數據信息，利用傳感設備，求出平地機真實位置、方向，并和設定值進行對比，將調整信息傳至液壓控制設備內調整鏟刀。該機械施工時僅用2個往返，路基精平工作即可完成。

(4)施工結束后，復測其標高，其誤差僅在20 mm內變化。

2 效益探討

傳統(tǒng)路基精平工藝流程如下：第一步初測現場；第二步依照設計文件要求完成現場檢測放樣、工程機械施工、檢測放樣、再次工程機械施工、再次檢測放樣，多次重復后，最終達到設計位置。該種方法耗費大量測量人員的工時，同時因多次的檢測放樣，極易造成長時間內工程機械停工。機械司機不僅要啟動機械設備，而且以檢測放樣后設置的樁作為基準，不斷調節(jié)機械鏟刀刮平達到設計位置區(qū)域。該種施工方法需要很高的駕駛技術與施工經驗，增大了工程建設的風險幾率。

利用平地機3D控制系統(tǒng)，因設計資料數據可直接錄入車載電腦中，直接控制機械設備進行施工，可準確達到設計位置，完全不依靠樁，避免了檢測人員工地檢測放樣程序，提升了機械使用效率。司機僅需要認真操作機械駕駛，利用3D控制系統(tǒng)完成鏟刀控制過程，短時間中快速達到設計位置，減少了司機的工作任務與操作技能要求。

施工該施工技術的效益主要體現在施工周期效益、質量比較、經濟效益等3個方面。具體如下：

(1)施工周期效益

在施工現場驗證，選擇傳統(tǒng)施工技術，檢測工人檢測放樣、平地機鋪以人工整平，日均精平工作量僅380 m。選擇平地機3D控制系統(tǒng)進行施工，日均精平工作可達到960 m。

(2)質量比較

在使用傳統(tǒng)施工工藝時，檢測人員的業(yè)務水平能力與責任心要求都極高，除此之外，天氣與照明情況很大程度上影響著其業(yè)務能力發(fā)揮，無法保證質量與精度。選擇本文的施工技術施工可以直接將工程設計數據應用在施工中，降低了誤差，GPS基站與施工機械之間可實現通視，天氣與光線無法干擾檢測人員水平的發(fā)揮。

(3)經濟效益

選擇傳統(tǒng)施工時，精平人員配備檢測工人3名，平地機2臺，輔助整平工人8名。同時在施工時各檢測人員、整平人員必須全程陪同。當不斷進行檢測放樣時機械處于停工狀態(tài)，造成機械設備浪費，施工投資增大。選擇平地機3D控制系統(tǒng)，在施工環(huán)節(jié)去掉了耗時耗力的檢測放樣環(huán)節(jié)，僅在施工結束后復測即可，降低輔助整平工人投資，并且提升機械使用效率。

3 工程實踐應用

由中國交通建設第四工程局第三工程有限公司承建的京新高速公路呼和浩特-包頭區(qū)段第4標段8分部，全程長度32 km，設有4個路基建設隊伍(平均每個路基建設隊伍施工任務為8 km)。因為施工時間較短，工程量很大，加上地質條件差，路基填高大部分較低，在施工時，大約8 km的路基選擇平地機3D控制系統(tǒng)的數字化施工技術。將選擇傳統(tǒng)施工工藝技術與選擇平地機3D控制系統(tǒng)施工工藝技術的2個路基建設隊伍施工成本進行比較分析，具體數據如表1數據所示。

表1 兩種施工技術施工成本比較表

分析表1中數據不難得出，選擇平地機3D控制系統(tǒng)數字化施工技術所用工時為傳統(tǒng)施工技術工時的50%，除此之外其人工資金投入僅占傳統(tǒng)施工技術的5.2%。

4 結語

本文以平地機3D控制系統(tǒng)為研究載體，分析數字化施工技術應用。首先分析平地機3D控制系統(tǒng)施工特性、應用范圍、技術原理、機械設備、施工工藝等；然后探討選擇平地機3D控制系統(tǒng)施工技術的施工周期效益、質量比較、經濟效益；最后結合工程實踐，驗證了平地機3D控制系統(tǒng)施工技術可以有效降低施工工時，節(jié)約施工成本。