基于BIM技術(shù)的土石方填筑精細(xì)化監(jiān)控技術(shù)

宋自飛，趙宇飛，聶 勇，張建喜，趙慧敏

（1.廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院，廣東省廣州市 510635；2.中國水利水電科學(xué)研究，北京市 100038；3.北京喜創(chuàng)科技有限公司 100097）

0 引言

BIM（Building Information Model）最早起源于20世紀(jì)70年代，但是直到2010年才在國內(nèi)得到了蓬勃發(fā)展，對目前傳統(tǒng)的土木工程建設(shè)運(yùn)行中的設(shè)計、施工、運(yùn)維等不同階段帶來了強(qiáng)大的沖擊[1]。近十年來，許多大型土木工程建筑、水利水電、鐵路交通等設(shè)計院都在大力推廣應(yīng)用BIM技術(shù)，BIM技術(shù)也為新的立體化、模塊化設(shè)計帶來了重要的技術(shù)手段[2]-[5]。在這樣的背景下，出現(xiàn)了行業(yè)設(shè)計單位聯(lián)合成立的各種設(shè)計聯(lián)盟，如水利水電BIM設(shè)計聯(lián)盟、鐵路BIM設(shè)計聯(lián)盟等，并且不同的行業(yè)，不同的地區(qū)也相繼推出了不同的BIM技術(shù)相關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。如中國建筑科學(xué)研究院主編的《建筑信息模型應(yīng)用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》[6]、中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計研究院主編的《建筑信息模型施工應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》[7]等已經(jīng)由住建部批準(zhǔn)頒布實施；水利行業(yè)也正在編制《水利水電工程設(shè)計信息模型交付標(biāo)準(zhǔn)》等，這都標(biāo)志著BIM技術(shù)已經(jīng)從設(shè)計階段逐步走向了的施工階段，如果BIM技術(shù)在施工階段能夠得到廣泛應(yīng)用，取得重大應(yīng)用進(jìn)展的話，該項技術(shù)則會真正實現(xiàn)工程建設(shè)運(yùn)行全生命周期的應(yīng)用[8-10]。

在這樣的背景下，本文結(jié)合水利水電、鐵路交通等工程中的重大土石方填筑工程，如土石壩填筑、鐵路路基填筑等方面，利用高精度衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計算技術(shù)以及大數(shù)據(jù)技術(shù)，基于BIM與GIS模型，開展了基于BIM技術(shù)的土石方填筑施工過程精細(xì)化智能監(jiān)控技術(shù)的研究與應(yīng)用。目前該技術(shù)已經(jīng)在國內(nèi)的幾處重要工程中得到了推廣和應(yīng)用。

1 土石方填筑精細(xì)化控制

1.1 土石方填筑施工控制流程

圖1是目前土石壩的常見的施工工序，以及不同工序所對應(yīng)的控制因素。通過圖1可以看出，對于土石壩來說，主要的施工流程基本上都是相同的，每一個施工工序需要考慮不同的施工工序之間的銜接與干擾，爭取在有限的施工場地、運(yùn)料道路、施工機(jī)械條件下，通過高效的數(shù)字化、實時化以及精細(xì)化的智能管理，實現(xiàn)工程建設(shè)的施工高效與質(zhì)量可控。在經(jīng)濟(jì)、安全、可靠的要求下實現(xiàn)大壩的填筑施工。

圖1 土石方填筑施工流程圖Figure 1 Construction flow chart of earthwork filling

1.2 土石方填筑主要控制重點

土石方填料的物理特性對其在碾壓之后的壓實特性有著很大的影響，對于細(xì)粒料來說，土石方填料的含水率是影響其壓實特性的最主要的指標(biāo)；而對于粗粒料來說，土石方填料的顆粒分布范圍，也就是土石方填料的級配曲線是否在設(shè)計的顆粒分析級配包線內(nèi)，是影響其壓實特性的最重要控制指標(biāo)。另外，在土石方填料進(jìn)場之前，可以根據(jù)土石方填料的含水率狀態(tài)進(jìn)行土石方填料加水，加水量需要根據(jù)運(yùn)輸車所運(yùn)輸?shù)耐潦教盍现亓?、土石方填料需要控制的含水率以及土石方填料進(jìn)場之前含水率狀態(tài)進(jìn)行設(shè)定。在土石方填料碾壓施工之前，土石方填料質(zhì)量是否滿足設(shè)計要求，這是重要的填筑施工管理前提。

土石方填料合格之后，需要按照設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行土石方填料的攤鋪，在攤鋪過程中，最重要的攤鋪控制指標(biāo)是攤鋪厚度。對于不同的土石方填料，控制的攤鋪厚度是不同的，而不同的土石方填料在攤鋪的時候的控制攤鋪厚度是通過碾壓試驗確定的，保證針對不同的土石方填料在最小的壓實機(jī)械功作用下土石方填料得到最大的壓實程度。

在碾壓施工過程中，最重要的控制指標(biāo)是碾壓機(jī)械的碾壓遍數(shù)、振動頻率以及碾壓速度，通過這三個機(jī)械施工的控制指標(biāo)的實時監(jiān)控，可以保證碾壓機(jī)械能夠按照試驗選定的施工參數(shù)進(jìn)行。

另外在土石方填料碾壓施工過程中需要重點關(guān)注的是，不同土石方填料分區(qū)之間、不同土石方填料層位之間以及壩體與岸坡之間的結(jié)合部位的施工過程的監(jiān)控與施工質(zhì)量的監(jiān)測，這幾個部分是大壩壩體中相對較為薄弱的環(huán)節(jié)，這幾個部位的質(zhì)量控制不好，可能會引發(fā)較為嚴(yán)重的后果。

2 基于BIM的施工過程監(jiān)控系統(tǒng)

主要結(jié)合水利水電工程中土石壩的建設(shè)施工管理需求，依據(jù)大壩填筑施工過程現(xiàn)場管理模式以及大壩填筑質(zhì)量檢測相關(guān)規(guī)定，利用高精度衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)，建立了大壩填筑實時智能化監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)拓?fù)鋱D如下圖2所示：

圖2 大壩填筑施工過程實時智能化監(jiān)控系統(tǒng)拓?fù)鋱DFigure 2 Topology of the real-time intelligent monitoring system during dam filling

從圖2可以看出，在大壩填筑施工過程中，經(jīng)過動態(tài)的數(shù)值差分處理，施工機(jī)械實時運(yùn)行坐標(biāo)以及相關(guān)施工參數(shù)可以按照標(biāo)準(zhǔn)化的格式實時進(jìn)入到設(shè)置的云或本地服務(wù)器中，工程施工中的各級不同的用戶通過WEB端，可以實時訪問系統(tǒng)，并且根據(jù)相關(guān)工程設(shè)定的內(nèi)容進(jìn)行管理職責(zé)不同，進(jìn)行工程管理過程中的倉位設(shè)置、現(xiàn)場開倉確定、數(shù)據(jù)采集與分析、質(zhì)量分析以及施工機(jī)械管理等工作，通過系統(tǒng)的應(yīng)用，可以有效提高水利工程建設(shè)現(xiàn)場的協(xié)同管理水平。

大壩填筑施工過程實時智能化監(jiān)控系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。系統(tǒng)主要架構(gòu)包括三個部分，硬件部分、軟件部分以及數(shù)據(jù)傳輸與交互部分。硬件部分，主要包括安裝在大壩填筑施工機(jī)械上的高精度定位接收機(jī)、工業(yè)平板電腦、壓實度傳感器等硬件設(shè)備。軟件系統(tǒng)，主要是實現(xiàn)大壩填筑施工數(shù)據(jù)實時展示與分析的軟件系統(tǒng)，供現(xiàn)場以及后方的工程建設(shè)管理人員使用，為大壩施工現(xiàn)場管理與快速調(diào)度提供了重要的管理手段。數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)，為保證施工數(shù)據(jù)的實時傳輸與展示，利用自建網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)或GPRS商用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。另外，建立了以電臺進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與校核的RTK差分網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，保證大壩填筑施工過程數(shù)據(jù)的精度。

圖3 大壩填筑施工過程智能化監(jiān)控系統(tǒng)組成示意圖（a）監(jiān)控硬件；（b）數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)；（c）數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)Figure 3 Composition of the intelligent monitoring system in the dam filling process

圖4是某工程大壩的標(biāo)準(zhǔn)剖面圖，結(jié)合水利工程的項目劃分內(nèi)容，大壩作為一個單位工程，按照大壩不同填料進(jìn)行劃分分部工程，壩體結(jié)構(gòu)從上游到下游主要分為：混凝土面板、墊層料區(qū)、過渡料區(qū)、砂礫石主堆料區(qū)、爆破料次堆料區(qū)，另外在壩下還有水平排水條帶。

圖4 某大壩的標(biāo)準(zhǔn)剖面設(shè)計圖Figure 4 Section design drawing of a dam

根據(jù)大壩剖面設(shè)計，構(gòu)架了大壩壩體的BIM模型，模型中對壩體每一個分部工程都進(jìn)行了單獨的劃分顯示，如圖5所示。這個模型為大壩施工過程中不同分部工程中單元工程的實時生成與質(zhì)量控制提供了重要的基礎(chǔ)。

圖5 某大壩的三維BIM模型結(jié)構(gòu)示意圖Figure 5 Structure diagram of 3D BIM model of the dam

結(jié)合大壩填筑施工工藝及現(xiàn)場管理流程，將BIM模型的分解與實際施工過程結(jié)合起來，完整真實地反應(yīng)大壩填筑施工過程。下面對該系統(tǒng)中目前主要模塊以及主要實現(xiàn)功能能夠滿足大壩填筑碾壓過程中的主要功能模塊進(jìn)行介紹。

2.1 工程基本信息整理與展示

根據(jù)工程建設(shè)中對大壩所進(jìn)行的不同施工單元的劃分與確定，這樣就可以利用這些基本信息對大壩施工過程中采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行不同區(qū)域與施工部位的整理與分析，為數(shù)據(jù)管理與質(zhì)量檢測分析提供了最重要的基礎(chǔ)信息。同時可將大壩三維圖形在線顯示，如圖6所示。

圖6 大壩填筑碾壓施工過程實時智能化監(jiān)控系統(tǒng)中的大壩三維圖形Figure 6 Three-dimensional graph of the dam in the real-time intelligent monitoring system during the dam rolling process

利用該模塊，可以將大壩單元工程劃分與實際工程中大壩填筑施工過程結(jié)合起來，實現(xiàn)大壩填筑碾壓施工過程的實時智能化控制，為每一層壩料攤鋪，也就是每一個單元工程的質(zhì)量回溯管理提供重要的信息。

2.2 施工過程實時監(jiān)控分析模塊

該模塊中，可結(jié)合能夠自動生成的不同高程壩面平切圖，并在該平切圖上顯示實時施工過程信息，以便管理方對施工過程進(jìn)行控制與實時調(diào)度。圖7中可以實時顯示碾壓機(jī)械的碾壓遍數(shù)、碾壓速度、機(jī)械振動頻率以及實時坐標(biāo)等信息，實時坐標(biāo)為大壩施工坐標(biāo)，為工程的施工管理提供精準(zhǔn)的位置信息。

圖7 實時智能化監(jiān)控系統(tǒng)中碾壓機(jī)械的信息Figure 7 Information of rolling machinery in the real-time intelligent monitoring system

利用該模塊，可以實現(xiàn)對大壩碾壓施工過程中施工信息進(jìn)行實時監(jiān)控。其中該界面右側(cè)上方的白框內(nèi)所標(biāo)示的是大壩碾壓施工過程控制參數(shù)，實際工程中可按照該參數(shù)對施工機(jī)械的碾壓狀態(tài)進(jìn)行控制。

同時該模塊中還設(shè)置了添加歷史數(shù)據(jù)的功能，可以按照某時間節(jié)點以后的某幾臺車的施工信息添加進(jìn)來，也可以按照某個制定區(qū)域進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)的添加，有利于管理人員對現(xiàn)場的管理工作。

圖8 實時智能化監(jiān)控系統(tǒng)中的大壩碾壓數(shù)據(jù)的剖面分析Figure 8 Profile analysis of dam rolling data in the real-time intelligent monitoring system

2.3 大壩碾壓施工質(zhì)量分析功能

對已經(jīng)碾壓結(jié)束的區(qū)域，大壩碾壓施工質(zhì)量檢測工作可以通過施工質(zhì)量分析模塊進(jìn)行?？梢园凑帐┕}位（單元）、一定時間內(nèi)某幾臺碾壓機(jī)械以及某一個具體樁號范圍內(nèi)采集到的壩體填筑數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，并且可以實現(xiàn)某一個施工范圍內(nèi)的施工過程的重演。根據(jù)分析結(jié)果，可為工程質(zhì)量檢測提供坑位參考，保證大壩施工質(zhì)量控制。

另外，為了更形象分析不同剖面中碾壓層厚及不同層之間的結(jié)合情況，系統(tǒng)還開發(fā)任意的沿著壩軸線或者垂直壩軸線的碾壓數(shù)據(jù)剖面分析功能，以便全方位地了解大壩整體碾壓施工過程及數(shù)據(jù)，如圖8所示。

2.4 施工報表生成功能

在實際工程中，每個部位施工區(qū)域完成之后，可由系統(tǒng)自動生成該施工區(qū)域的施工報表，可作為施工質(zhì)量評價的重要附件，為大壩工程施工質(zhì)量檢驗與評價提供重要參考。

3 結(jié)束語

在土石方填筑工程中，設(shè)計階段與施工階段的BIM模型交互與共享還存在一些問題，參考鐵路交通、工民建等領(lǐng)域的BIM交付與審核，提出了土石方工程的設(shè)計BIM模型的交付標(biāo)準(zhǔn)與施工單位對其的審核校驗的內(nèi)容，有利于BIM模型真正能夠在設(shè)計、施工兩個階段內(nèi)實現(xiàn)無縫交互。

基于BIM技術(shù)，利用高精度衛(wèi)星定位技術(shù)，實時動態(tài)差分技術(shù)，無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，大數(shù)據(jù)技術(shù)，以及圖形分析技術(shù)等，實現(xiàn)了大壩填筑碾壓施工過程的在線、實時監(jiān)控，并通過便攜式的數(shù)據(jù)終端，可以實時對現(xiàn)場施工進(jìn)行實時調(diào)度與調(diào)整，為現(xiàn)場施工和監(jiān)理提供了有效的管理控制平臺，保證大壩碾壓施工質(zhì)量。并且在實時監(jiān)控系統(tǒng)上形成了流程化的施工管理模式，切實提高了大壩填筑施工工效。所建立的土石方填筑施工過程實時智能化監(jiān)控系統(tǒng)，能夠有效地提高工程施工過程管理的智能化管理水平、提高施工效率，保證施工質(zhì)量。

大壩填筑碾壓施工監(jiān)控系統(tǒng)在某水利工程大壩填筑施工管理中實施以來，對大壩填筑碾壓施工過程進(jìn)行全過程、全天候、實時、在線監(jiān)控，克服了常規(guī)質(zhì)量控制手段受人為因素干擾大、管理粗放等弊端，有效地保證和提高了大壩填筑施工質(zhì)量。