基于BIM技術(shù)的數(shù)字化路基填筑施工過程控制研究

劉呈斌，董鳳翔，謝先當(dāng)，劉厚強(qiáng)

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031）

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，智能化技術(shù)取得了長足的進(jìn)步，人類社會(huì)正逐步向智能化時(shí)代邁進(jìn)，鐵路行業(yè)將緊跟時(shí)代發(fā)展步伐，積極推進(jìn)智能鐵路的發(fā)展[1]。在提倡國家經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的同時(shí)，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)質(zhì)量必將提高到新的臺(tái)階。傳統(tǒng)的以人為主的工程建設(shè)方式已凸現(xiàn)出施工效率低、施工質(zhì)量差、施工管理混亂等現(xiàn)象，近年來以數(shù)字化、信息化、智能化為核心的建筑信息模型（BIM）技術(shù)為工程建設(shè)施工方式帶來了新的思路,基于BIM的數(shù)字化施工正處在逐步推廣應(yīng)用過程中[2-5]。

鐵路工程建設(shè)中路基施工是重要的環(huán)節(jié)，路基填筑層的施工質(zhì)量直接決定鐵路工程的整體質(zhì)量。傳統(tǒng)施工方式導(dǎo)致路基的填筑質(zhì)量存在路基填筑厚度不均勻、填筑寬度不足、超厚填筑、表面凹凸不平等問題。為解決這些問題，文獻(xiàn)[6]提出基于BIM技術(shù)的施工管理軟硬件系統(tǒng)，論述了基于路基連續(xù)壓實(shí)的BIM自動(dòng)生成算法理論，為基于BIM技術(shù)的路基連續(xù)壓實(shí)奠定了理論基礎(chǔ)；西（安）成（都）線江油北站路基BIM應(yīng)用，初步提出了基于BIM的路基連續(xù)壓實(shí)應(yīng)用方案[7-8]。大瑞鐵路路基BIM應(yīng)用，分析了基于BIM技術(shù)的路基連續(xù)壓實(shí)實(shí)施效果[9]。目前，基于BIM技術(shù)的路基連續(xù)壓實(shí)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中存在系統(tǒng)誤差較大、定位不準(zhǔn)確、壓實(shí)合格率偏低等問題，系統(tǒng)仍需不斷優(yōu)化；基于BIM技術(shù)的路基坡度控制系統(tǒng)研究尚少，需加強(qiáng)對(duì)該系統(tǒng)的研究。

文章以BIM、智能機(jī)械施工、路基連續(xù)壓實(shí)等新興技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合麗（江）香（格里拉）鐵路數(shù)字化施工應(yīng)用，建立了基于BIM技術(shù)的路基連續(xù)壓實(shí)系統(tǒng)和坡度控制系統(tǒng)，并提出了基于該系統(tǒng)的施工流程。

1 路基填筑理論基礎(chǔ)

1.1 路基填筑質(zhì)量關(guān)鍵控制因素

為確保路基填筑質(zhì)量、為后續(xù)大面積施工提供可靠的資料和相應(yīng)的施工參數(shù)、避免盲目施工給工程帶來的損失，路基填筑施工前需要選擇一段有代表性的路基段進(jìn)行路基工藝性試驗(yàn)。針對(duì)不同的填料、不同的路基填筑部位、不同的壓實(shí)機(jī)具，確定合理的松鋪厚度、壓實(shí)遍數(shù)、含水率等施工工藝參數(shù)。因此，根據(jù)施工過程與試驗(yàn)?zāi)康男再|(zhì)，可以把路基填筑質(zhì)量控制關(guān)鍵因素分為3類：

（1）填料因素。包括填料類型、含水率等填料性質(zhì)因素的控制。填料控制通過在填料生產(chǎn)、運(yùn)輸、填筑現(xiàn)場(chǎng)的控制來穩(wěn)定填料性質(zhì)。

（2）填筑幾何因素。包括填筑松鋪厚度，表面橫坡、縱坡和平整度等幾何尺寸的控制。填筑幾何控制通過在填料鋪設(shè)過程中穩(wěn)定填筑體的幾何尺寸，確保后續(xù)碾壓過程能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的壓實(shí)效果。

（3）碾壓因素。包括振動(dòng)碾壓質(zhì)量、碾壓路徑，碾壓遍數(shù)，強(qiáng)、弱振分布等碾壓方式的控制。碾壓控制通過在碾壓過程中確保壓路機(jī)按實(shí)際工藝要求進(jìn)行碾壓，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的壓實(shí)效果。平地機(jī)、壓路機(jī)等施工設(shè)備智能升級(jí)，所以，目前基于BIM和數(shù)字化施工技術(shù)的路基填筑施工過程主要要控制填筑幾何因素與碾壓因素。

1.2 傳統(tǒng)填筑施工存在的問題

傳統(tǒng)方式填筑施工時(shí)，路基填筑層的幾何尺寸控制方式為：（1）通過測(cè)量人員現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行打樁、放樣提供參考依據(jù)；（2）現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)員指揮施工機(jī)械提供引導(dǎo)信息；（3）機(jī)械操作員依據(jù)放樣樁和技術(shù)員的引導(dǎo)進(jìn)行坡度控制施工。由于施工人員經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)參差不齊、施工過程中對(duì)放樣樁的破壞和操作員視線遮擋等因素，導(dǎo)致路基填筑厚度不均勻、填筑寬度不足、超厚填筑、表面凹凸不平等問題。

傳統(tǒng)方式填筑施工時(shí)，每層施工都需核對(duì)層標(biāo)高，控制下一層填筑幾何尺寸在誤差允許范圍內(nèi)為主。這樣的施工方式存在累計(jì)誤差，填筑時(shí)往往會(huì)出現(xiàn)少層的情況。

1.3 數(shù)字化施工填筑思維創(chuàng)新

數(shù)字化施工應(yīng)用初期的西成線江油北站項(xiàng)目中，消除了傳統(tǒng)方式填筑施工的不良因素。但是項(xiàng)目以控制單層幾何尺寸為目標(biāo)，由于坡度控制系統(tǒng)存在系統(tǒng)誤差，所以每層都需對(duì)施工BIM模型進(jìn)行調(diào)整。這樣施工過程中帶來了大量的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作，同時(shí)也無法避免施工層與設(shè)計(jì)層不一致問題。

通過對(duì)西成線江油北站項(xiàng)目的總結(jié)分析，發(fā)現(xiàn)坡度控制系統(tǒng)誤差可以控制在1～2 cm的范圍內(nèi)，可采用控制層標(biāo)高方式將累計(jì)誤差分布到每層中，從而消除設(shè)計(jì)層與施工層不一致的情況。因此，在麗香鐵路數(shù)字化施工應(yīng)用中轉(zhuǎn)變思路，控制施工BIM每層的設(shè)計(jì)標(biāo)高方式，進(jìn)行數(shù)字化施工。解決施工層與設(shè)計(jì)層不一致問題，保證填筑每層的幾何尺寸，使路基填筑數(shù)字化施工進(jìn)入可簡(jiǎn)易應(yīng)用階段。

2 數(shù)字化施工填筑幾何控制

2.1 坡度控制系統(tǒng)

數(shù)字化施工中對(duì)路基填筑層的幾何尺寸控制主要通過在推土機(jī)、平地機(jī)中加裝坡度控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。坡度控制系統(tǒng)主要組成：

（1）2個(gè)GNSS流動(dòng)站、無線電臺(tái)、智能控制箱和液壓控制器等設(shè)備。2個(gè)GNSS流動(dòng)站與無線電臺(tái)實(shí)現(xiàn)推土機(jī)、平地機(jī)的鏟刀在三維空間中精確定位。

（2）智能控制箱通過收集、整理、分析施工中的BIM設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、鏟刀實(shí)時(shí)工作狀態(tài)與過程數(shù)據(jù)，以圖形化、數(shù)字化方式展示機(jī)械設(shè)備施工狀態(tài)，幫助機(jī)械操作員或施工機(jī)械快速、準(zhǔn)確地完成坡度控制。

（3）液壓控制器接收智能控制箱的指令數(shù)據(jù)，控制機(jī)械油壓數(shù)據(jù)使鏟刀自動(dòng)進(jìn)行工作。坡度控制系統(tǒng)基本框架，如圖1所示。

圖 1 坡度控制系統(tǒng)基本框架

通常，推土機(jī)安裝引導(dǎo)型坡度控制系統(tǒng)（無液壓控制器），用于填筑層鋪設(shè)填料的粗平工作。機(jī)械操作員通過查看智能控制箱屏幕指示，駕駛推土機(jī)并手動(dòng)控制鏟刀完成坡度控制。平地機(jī)安裝自動(dòng)型坡度控制系統(tǒng)，用于填筑層鋪設(shè)填料的精平工作。機(jī)械操作員設(shè)置智能控制箱自動(dòng)狀態(tài)并駕駛平地機(jī)前進(jìn)，同時(shí)智能系統(tǒng)自動(dòng)控制鏟刀完成坡度控制。

2.2 坡度控制方式

通過麗香鐵路數(shù)字化施工項(xiàng)目的應(yīng)用，數(shù)字化施工坡度控制方式和步驟如下：

（1）確定粗平厚度差h推、精平厚度差h平、松鋪系數(shù)、填筑厚度。填筑前先進(jìn)行壓實(shí)工藝性試驗(yàn)，確定推土機(jī)粗平過后填筑層表面與壓路機(jī)壓實(shí)后填筑層表面的厚度差作為粗平厚度差h推；確定平地機(jī)精平過后填筑層表面與壓路機(jī)壓實(shí)后填筑層表面的厚度差作為精平厚度差h平；確定松鋪系數(shù)用于施工時(shí)準(zhǔn)備填料；確定填筑厚度用于施工分層。

（2）設(shè)計(jì)BIM向施工BIM轉(zhuǎn)換。通過填筑厚度將設(shè)計(jì)模型中按填料進(jìn)行的分層細(xì)化到按施工進(jìn)行的施工填筑層。

（3）坡度控制系統(tǒng)設(shè)置。在推土機(jī)的引導(dǎo)坡度控制系統(tǒng)中設(shè)置粗平厚度差h推，用于計(jì)算推土機(jī)實(shí)際工作模型位置。在平地機(jī)的自動(dòng)坡度控制系統(tǒng)中設(shè)置精平厚度差h平，用于計(jì)算平地機(jī)實(shí)際工作模型位置。

（4）導(dǎo)入施工BIM。將施工BIM導(dǎo)入坡度控制系統(tǒng)中，機(jī)械操作員可根據(jù)施工層位置選擇對(duì)應(yīng)施工BIM進(jìn)行施工。

（5）層施工前準(zhǔn)備。采用松鋪系數(shù)與對(duì)應(yīng)層施工BIM體積（實(shí)方量）計(jì)算準(zhǔn)備填料方量；機(jī)械操作員選擇對(duì)應(yīng)層的施工BIM。

（6）引導(dǎo)方式粗平。推土機(jī)操作員依據(jù)坡度控制系統(tǒng)提示信息，手動(dòng)控制鏟刀進(jìn)行粗平。

（7）自動(dòng)方式精平。平地機(jī)操作員駕駛平地機(jī)行駛，坡度控制系統(tǒng)自動(dòng)控制鏟刀進(jìn)行精平。

（8）整理資料。收集整理粗平、精平施工數(shù)據(jù)與施工后的表面模型。施工過程和成果數(shù)據(jù)可放置于BIM中進(jìn)行分析、展示、回溯施工，并為以后的勘察設(shè)計(jì)施工提供可靠的資料。

3 數(shù)字化施工填筑碾壓控制

3.1 連續(xù)壓實(shí)系統(tǒng)

數(shù)字化施工中對(duì)路基填筑層壓實(shí)控制主要通過在壓路機(jī)中加裝連續(xù)壓實(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。連續(xù)壓實(shí)系統(tǒng)基本框架，如圖2所示。連續(xù)壓實(shí)系統(tǒng)主要由GNSS流動(dòng)站、無線電臺(tái)、智能控制箱、壓實(shí)傳感器等設(shè)備組成。GNSS流動(dòng)站與無線電臺(tái)實(shí)現(xiàn)壓路機(jī)的振動(dòng)碾在三維空間中精確定位；智能控制箱通過收集、整理、分析施工中的BIM設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、振動(dòng)碾實(shí)時(shí)的過程數(shù)據(jù)、壓實(shí)傳感器數(shù)據(jù)，以圖形化、數(shù)字化方式展示機(jī)械設(shè)備施工狀態(tài)，幫助機(jī)械操作員和施工機(jī)械快速、準(zhǔn)確地完成壓實(shí)控制；壓實(shí)傳感器采集連續(xù)壓實(shí)值數(shù)據(jù)，發(fā)送到智能控制箱中。連續(xù)壓實(shí)系統(tǒng)控制箱工作界面，如圖3所示。

3.2 碾壓控制方式

傳統(tǒng)方式填筑施工時(shí)，路基填筑層的碾壓控制完全由壓路機(jī)操作員決定。由于施工人員疏忽或工期緊張等因素影響，導(dǎo)致路基填筑會(huì)出現(xiàn)壓實(shí)遍數(shù)不足、碾壓不均勻、路基邊緣漏壓等突出問題。

數(shù)字化施工碾壓時(shí),連續(xù)壓實(shí)系統(tǒng)可記錄壓路機(jī)行駛軌跡、填筑層的碾壓效果數(shù)據(jù)。從而監(jiān)督壓路機(jī)操作員,使其嚴(yán)格遵照壓實(shí)工藝施工杜絕碾壓過程中人為因素影響壓實(shí)質(zhì)量。

通過麗香鐵路數(shù)字化施工項(xiàng)目的應(yīng)用，數(shù)字化施工碾壓控制方式和步驟如下：

圖 2 連續(xù)壓實(shí)系統(tǒng)基本框架

圖 3 連續(xù)壓實(shí)系統(tǒng)控制箱工作界面

（1）確定壓實(shí)遍數(shù)、強(qiáng)弱振分布、連續(xù)壓實(shí)回歸方程、連續(xù)壓實(shí)目標(biāo)合格值。填筑前先進(jìn)行壓實(shí)工藝性試驗(yàn)，確定壓路機(jī)碾壓的遍數(shù)與每遍的強(qiáng)弱振情況；工藝性試驗(yàn)的同時(shí)，進(jìn)行連續(xù)壓實(shí)相關(guān)性檢測(cè)，確定連續(xù)壓實(shí)回歸方程與目標(biāo)合格值。

（2）設(shè)計(jì)BIM向施工BIM轉(zhuǎn)換。

（3）連續(xù)壓實(shí)系統(tǒng)設(shè)置。在壓路機(jī)的連續(xù)壓實(shí)系統(tǒng)中設(shè)置碾壓遍數(shù)，連續(xù)壓實(shí)目標(biāo)合格值。

（4）導(dǎo)入施工BIM。

（5）層施工前準(zhǔn)備。機(jī)械操作員選擇對(duì)應(yīng)層的施工BIM。

（6）連續(xù)壓實(shí)碾壓。機(jī)械操作員以連續(xù)壓實(shí)系統(tǒng)提供的當(dāng)前位置的壓實(shí)信息進(jìn)行精準(zhǔn)碾壓。

（7）常規(guī)質(zhì)量驗(yàn)收檢測(cè)。根據(jù)填筑層的性質(zhì)采用單點(diǎn)事后檢測(cè)方式，進(jìn)行基床系數(shù)K、地基系數(shù)K30、動(dòng)態(tài)變形模量EVD等常規(guī)檢測(cè)[10-11]。

（8）整理資料。收集整理碾壓施工數(shù)據(jù)與施工后的表面模型，生成連續(xù)壓實(shí)值報(bào)告、壓實(shí)遍數(shù)報(bào)告等。施工過程和成果數(shù)據(jù)可放置于BIM中數(shù)字化施工進(jìn)行分析、展示、回溯施工，并為以后的勘察設(shè)計(jì)施工提供可靠的資料。

4 數(shù)字化施工質(zhì)量分析

數(shù)字化施工主要控制填筑層幾何尺寸和碾壓過程，通過精準(zhǔn)、穩(wěn)定的填筑層縱坡、橫坡、厚度、平整度等幾何參數(shù)和完整的碾壓過程來提升填筑層的碾壓質(zhì)量。下面將結(jié)合麗香鐵路數(shù)字化施工應(yīng)用成果，對(duì)數(shù)字化施工實(shí)施前與后的施工質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比說明。

4.1 數(shù)字化施工前填筑質(zhì)量

數(shù)字化施工實(shí)施前，填筑層壓實(shí)效果不佳。如圖4所示，填筑層表面要求縱坡為2.5‰，實(shí)際施工完成表面縱坡分三級(jí)變化。橫坡應(yīng)為人字型橫坡，實(shí)際施工完表面則向一側(cè)傾斜。從而導(dǎo)致填筑時(shí)出現(xiàn)大小里程填筑厚度不均勻情況，碾壓效果也因厚度發(fā)生變化。

圖4 數(shù)字化施工實(shí)施前填筑質(zhì)量

4.2 數(shù)字化施工后填筑質(zhì)量

如圖5所示數(shù)字化施工實(shí)施后，填筑層壓實(shí)質(zhì)量有明顯改善。填筑層表面橫坡、縱坡均滿足設(shè)計(jì)要求，并且每層可以穩(wěn)定控制坡度、厚度。從而使填筑質(zhì)量有明顯提升。

圖 5 數(shù)字化施工實(shí)施后填筑質(zhì)量

5 結(jié)束語

分析路基填筑質(zhì)量關(guān)鍵控制因素和傳統(tǒng)填筑施工存在的問題，提出基于BIM技術(shù)的數(shù)字化填筑施工方法，主要研究了路基填筑坡度控制系統(tǒng)和路基連續(xù)壓實(shí)控制系統(tǒng)的基本框架與應(yīng)用實(shí)施流程；將基于BIM的坡度控制技術(shù)和連續(xù)壓實(shí)技術(shù)應(yīng)用于麗香鐵路路基填筑施工，對(duì)比數(shù)字化填筑施工前后路基填筑質(zhì)量，結(jié)果表明，采用數(shù)字化填筑施工方法，填筑質(zhì)量明顯提升，達(dá)到了預(yù)期的效果。本文研究的數(shù)字化填筑施工技術(shù)有一定實(shí)用價(jià)值，為鐵路路基數(shù)字化施工提供了參考。

鐵路工程施工環(huán)境復(fù)雜多變，在施工過程中存在水文、地質(zhì)、氣候環(huán)境、機(jī)械等方面的影響，因此，還需要在更多的工程中研究試點(diǎn)，持續(xù)優(yōu)化施工方法和控制系統(tǒng)，進(jìn)一步完善實(shí)施流程。