馬爾代夫維拉納國際機場改擴建項目
——基于BIM技術(shù)的飛行區(qū)全過程數(shù)字化施工

張鳳林1 關(guān)書安

(1.北京城建集團有限責任公司，北京 100088； 2.北京麥格天寶科技股份有限公司,北京 100089)

前言

馬爾代夫維拉納國際機場改擴建項目(以下簡稱馬代機場項目)建設(shè)地點為馬爾代夫機場島，計劃工期36個月。工程內(nèi)容包括新建一條可起降A(chǔ)380飛機的F類跑道(長3 400m，寬60m，兩側(cè)各設(shè)7.5m道肩)、新建跑道東、西部的停機坪(面積約11.5萬m2)、新建貨運航站樓、新建油庫。項目工期緊，業(yè)主公司對質(zhì)量要求高。為保證工程質(zhì)量，實現(xiàn)項目施工過程中的質(zhì)量控制，馬代機場項目采用基于BIM的數(shù)字化施工新技術(shù)，其中包括：推土機三維引導系統(tǒng)(GCS900)、平地機自動控制系統(tǒng)(GCS900)、壓路機智能碾壓系統(tǒng)(CCS900)、攤鋪機智能攤鋪系統(tǒng)(PCS900)等數(shù)字化施工系統(tǒng)。

1 機場飛行區(qū)施工全過程數(shù)字化施工方法

飛行區(qū)的施工重點：道面工程、土方計量、材料控制。難點是施工組織、質(zhì)量控制和進度優(yōu)化?；贐IM技術(shù)的數(shù)字化施工流程如下：

(1)利用麥格天寶的專業(yè)軟件TBC將設(shè)計圖紙轉(zhuǎn)化為工程機械可識別的BIM模型，并利用TBC將BIM模型發(fā)布到機械數(shù)字化系統(tǒng)中的控制箱上；

(2)控制箱內(nèi)的BIM模型以可視化的方式引導機械操作人員進行作業(yè)，作業(yè)過程中的數(shù)據(jù)實時上傳至BIM信息化平臺，平臺可直觀展示施工模型； 此外，通過數(shù)字化系統(tǒng)上傳的施工詳細信息相關(guān)數(shù)據(jù)可供管理人員進行數(shù)據(jù)分析從而實現(xiàn)過程質(zhì)量控制；

(3)利用實時信息生成BIM施工模型，通過與BIM設(shè)計模型對比，分析實時作業(yè)過程中的優(yōu)劣及進度快慢，在后續(xù)施工過程中實時進行調(diào)整。

這將極大地提升項目管理中心的項目能見度，做到施工的過程控制，精確掌握工程進度、成本和質(zhì)量信息[1-2]，科學調(diào)配資源的同時，還能夠減員增效，保證項目的順利完成。

減員的內(nèi)涵：新技術(shù)的使用可以減少施工人員和管理人員。帶來的好處是提升利潤，另外工地上工人越少，則越安全。

增效的內(nèi)涵是：

1)提升機械設(shè)備的效率；

2)減少工程機械設(shè)備的數(shù)量，降低成本，減少油耗；

3)讓夜間安全施工成為可能；

4)保證按期或者提前完工；

5)保證項目的過程質(zhì)量控制；

6)減少材料的浪費。

2 機場飛行區(qū)施工全過程數(shù)字化系統(tǒng)搭建步驟

(1)基準網(wǎng)建設(shè)：根據(jù)施工工程特點及范圍，確定建立基站點位，馬代機場項目采用雙基站，點位示意圖如圖1所示。

圖1 馬代機場基準站架設(shè)示意圖

(2)圖紙升維：通過將傳統(tǒng)施工的二維圖紙(藍圖)進行逆向建模三維化，制作BIM模型，如圖2所示。

圖2 馬代機場BIM模型示意圖

(3)機械升級：在傳統(tǒng)施工大型機械上安裝天寶數(shù)字化施工控制設(shè)備，如圖3所示。

圖3 機械安裝數(shù)字化施工系統(tǒng)示意圖

3 機場飛行區(qū)施工全過程數(shù)字化系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 土方填筑(圖4)

3.1.1 粗平—推土機三維引導系統(tǒng)(GCS900)

推土機三維引導系統(tǒng)：推土機自動控制系統(tǒng)(圖5)，采用北斗+GPS定位監(jiān)測技術(shù)，實時對鏟刀位置姿態(tài)進行三維自動控制[3]。在設(shè)計單位給出的設(shè)計圖紙的基礎(chǔ)上經(jīng)過麥格天寶公司BIM建模軟件TBC的轉(zhuǎn)化，將傳統(tǒng)的CAD圖紙轉(zhuǎn)換為數(shù)字化施工系統(tǒng)可識別的BIM模型。系統(tǒng)應(yīng)用三維數(shù)據(jù)文件作為施工引導在完全無基準環(huán)境中快速、精確地實現(xiàn)設(shè)計要求，避免返工。同時三維引導系統(tǒng)的存在，使得施工過程中的實時數(shù)據(jù)均能追溯[4]，通過施工實時數(shù)據(jù)的采集建立施工BIM模型，進行施工分析，用數(shù)字化的手段指導施工。

圖4 土方填筑示意圖

與傳統(tǒng)施工相比，數(shù)字化施工可節(jié)約機械操作人員的培訓成本，此外，數(shù)字化施工可節(jié)約人員比例高達50%，作業(yè)效率提升30%～50%。

系統(tǒng)特點：無樁施工，自動控制，精準施工，智能引導，晝夜施工。

圖5 推土機三維引導系統(tǒng)示意圖

3.1.2 精平—平地機智能控制系統(tǒng)(GCS900)

平地機鏟刀自動控制系統(tǒng)：通過高精度北斗+GPS定位或高精度的全站儀技術(shù)與豐富的設(shè)計控制軟件相結(jié)合，實時對鏟刀位置姿態(tài)進行三維自動控制。在設(shè)計圖紙的基礎(chǔ)上經(jīng)過BIM建模軟件TBC的轉(zhuǎn)化，將傳統(tǒng)的CAD圖紙轉(zhuǎn)換為數(shù)字化施工系統(tǒng)可識別的BIM模型，如圖6所示。通過數(shù)字化系統(tǒng)對三維數(shù)據(jù)的識別從而引導平地機進行施工。即使設(shè)計表面復雜，駕駛員經(jīng)驗不多，也可晝夜施工，快速、精確地實現(xiàn)設(shè)計要求，提高平地機工作效率。同時智能控制系統(tǒng)的存在，使得施工過程中的實時數(shù)據(jù)均能追溯，通過施工實時數(shù)據(jù)的采集建立施工BIM模型，進行施工分析，用數(shù)字化的手段指導施工[5]。

圖6 平地機智能控制系統(tǒng)示意圖

與傳統(tǒng)施工相比，數(shù)字化施工可節(jié)約機械操作人員的培訓成本，此外，數(shù)字化施工可節(jié)約人員比例高達69%，作業(yè)效率提升20%～50%。

系統(tǒng)特點：無樁施工，自動控制，精準施工，智能引導，晝夜施工。

3.1.3 碾壓—壓路機智能碾壓系統(tǒng)(CCS900)

智能壓實系統(tǒng)：借助高精度北斗+GPS定位和壓實傳感器技術(shù)，通過智能碾壓系統(tǒng)可識別的BIM模型指導壓路機進行碾壓作業(yè)。智能碾壓系統(tǒng)數(shù)字化、圖像化的實時顯示和記錄施工規(guī)范要求的施工路線、行進速度，壓實強度、振動頻率等物理參數(shù)[6]，指引機手實時有效地施工，保證預期的壓實指標，并通過3G&4G網(wǎng)關(guān)將壓實數(shù)據(jù)實時傳到項目部監(jiān)控中心。通過采集的實時碾壓數(shù)據(jù)建立BIM模型，進行碾壓過程的分析，從而更加科學地指導施工[7]，如圖7所示。

圖7 壓路機智能碾壓系統(tǒng)示意圖

與傳統(tǒng)施工相比，數(shù)字化施工可使作業(yè)效率提升20%～30%。

系統(tǒng)特點：智能顯示，過程掌控，精準施工； 智能引導，晝夜施工。

3.2 面層施工

攤鋪機智能攤鋪系統(tǒng)(PCS900)：攤鋪機智能攤鋪系統(tǒng)施工時架設(shè)在控制點上的全站儀，將捕獲的MT900坐標通過數(shù)據(jù)電臺，實時傳送到攤鋪機控制系統(tǒng)的CB460控制箱中?？刂葡渑c基于設(shè)計數(shù)據(jù)創(chuàng)建的系統(tǒng)可識別的BIM模型進行比對后再將高程修正信息傳遞給自動控制箱CB440，由控制箱發(fā)出指令，通過液壓閥驅(qū)動液壓油缸使牽引大臂產(chǎn)生一定量的位移，左右牽引點位置改變引起熨平板相應(yīng)方向的垂直運動，從而使填筑產(chǎn)生坡度和高程變化，彌補路面波動，實現(xiàn)所要求的路面平整度，達到設(shè)計要求，如圖8所示。

3.2.1 底基層雙層兩臺聯(lián)鋪

馬代機場項目主跑道底基層為30cm水泥穩(wěn)定珊瑚砂，結(jié)合項目實際情況及攤鋪機性能，采用15cm+15cm雙層攤鋪，擬采用2臺ABG8820攤鋪機(組裝寬度8m+8m)同時施工[8]。如圖9所示。

圖8 攤鋪機智能攤鋪系統(tǒng)作業(yè)示意圖

圖9 跑道水穩(wěn)珊瑚砂底基層兩臺聯(lián)鋪

擬定施工方案為：兩臺攤鋪機由西向東前后階梯式攤鋪； 待前面一臺攤鋪到100m時，抬板倒退至起點緊挨攤鋪面繼續(xù)攤鋪第一層； 后面一臺攤鋪到100m時，則倒退至已攤鋪面上起點位置，攤鋪第二層，前后兩臺攤鋪機相距10m左右； 下層攤鋪61.6m，上層攤鋪61.3m，上下兩層錯縫15cm，如圖10所示。

圖10 兩臺聯(lián)鋪方案示意圖

數(shù)字化施工時，每臺攤鋪機需要配備2臺全站儀， 1臺用于引導攤鋪機行進， 1臺用于進行表面檢查控制，且全站儀與攤鋪機之間應(yīng)通視良好，不得有障礙物長時間(超過5s)停留在全站儀與攤鋪機連線上，考慮這一要求，結(jié)合實際情況，擬定架站位置如圖11所示。

圖11 兩臺聯(lián)鋪全站儀架站示意圖

根據(jù)以上方案進行數(shù)字化攤鋪，攤鋪底層、二層水穩(wěn)珊瑚砂底基層均不用掛線； 其中二層不掛線施工大大節(jié)約了時間，攤鋪機待一層碾壓完成后即可進行二層攤鋪，有效避免了首層材料過早凝結(jié)，使底層、二層粘結(jié)良好，在進行雙層兩臺聯(lián)鋪底基層上取得了良好的效果。

3.2.2 基層三臺聯(lián)鋪

馬代機場項目主跑道基層為20cm水泥穩(wěn)定碎石，結(jié)合項目實際情況及攤鋪機性能，采用20cm一次攤鋪完成，擬采用2臺ABG8820攤鋪機+1臺三一攤鋪機同時施工[9]。如圖12所示。

圖12 跑道水穩(wěn)碎石基層三臺聯(lián)鋪

擬定施工方案為：采用三臺聯(lián)鋪方式進行攤鋪，攤鋪順序由南向北，由西向東依次進行，每臺攤鋪機間隔20m， 3臺攤鋪機均安裝天寶智能攤鋪機自動控制系統(tǒng)，進行高程自動控制。其中CB460及表面檢查手簿中下返值為：-0.14(即虛鋪系數(shù)1.25)。

天寶數(shù)字化攤鋪系統(tǒng)，采用6臺全站儀進行機械引導及表面檢查工作。其中， 3臺作為機械引導， 3臺作為表面檢查。具體儀器架設(shè)位置如圖13所示。

圖13 主跑道水穩(wěn)碎石實驗段攤鋪設(shè)站示意圖

根據(jù)以上方案進行數(shù)字化攤鋪，攤鋪水穩(wěn)碎石基層均不用掛線，大大節(jié)約了時間； 數(shù)字化施工水穩(wěn)碎石層效率極高，約為8 000m2/6h； 同時，無需測量放線人員，也大大節(jié)約了人力投入。

與傳統(tǒng)鋁梁施工方式相比，數(shù)字化攤鋪水穩(wěn)層可節(jié)約人員比例高達73%，攤鋪效率提升高達30%～50%，減員增效效果顯著。

3.2.3 瀝青面層4臺聯(lián)鋪與6臺聯(lián)鋪

馬代機場項目主跑道面層結(jié)構(gòu)為5cm，上面層+6cm中面層+8cm下面層瀝青混凝土，相比較下承層而言，面層厚度更薄，同時瀝青料相對水穩(wěn)料而言成本更高，這就決定了在面層攤鋪時精度要求高，數(shù)字化系統(tǒng)恰能很好地滿足這一要求。綜合馬代項目實際情況與麥格天寶公司進行瀝青攤鋪的經(jīng)驗，最終確定為中下面層4臺聯(lián)鋪，上面層6臺聯(lián)鋪。

擬定施工方案為：四臺聯(lián)鋪時，計劃右側(cè)攤鋪機(3D側(cè)在外)配備一臺機械控制全站儀，其余攤鋪機分別配備兩臺機械控制全站儀，高程控制配備三臺表面檢查全站儀，如圖14-15所示。

圖14 主跑道瀝青面層4臺聯(lián)鋪設(shè)站示意圖

圖15 跑道下面層中部瀝青攤鋪四臺聯(lián)鋪

六臺聯(lián)鋪時，右側(cè)3臺攤鋪機配備一臺機械控制全站儀(隨攤鋪長度加長靈活加站)，左1、左2攤鋪機配備一臺機械控制全站儀，左3攤鋪機配備兩臺機械控制全站儀，高程控制起步配備三臺表面檢查全站儀，中間用切換的機械控制全站儀用作表面檢查，如圖16所示。

圖16 主跑道瀝青面層6臺聯(lián)鋪設(shè)站示意圖

多臺聯(lián)鋪在正式施工中取得了良好的效果。無需掛線，大大節(jié)約了時間，使瀝青溫降控制在可控范圍，減少廢料成本； 精度控制在毫米級，使面層表觀質(zhì)量更好； 同時，無需測量放線人員，大大節(jié)約了人力投入[10]。與傳統(tǒng)瀝青攤鋪方式相比，數(shù)字化攤鋪水穩(wěn)層可節(jié)約人員比例可達41%，攤鋪效率提升高達30%～50%，減員增效效果顯著。如圖17所示。

圖17 主跑道瀝青面層6臺聯(lián)鋪

3.2.4 不停航施工

不停航施工即在航線不受影響的情況下進行施工。在馬代機場項目中，新建跑道與擴建西機坪在原跑道75m范圍內(nèi)均進行夜間(一般為凌晨0： 00-05： 00進行)不停航施工，主要涉及區(qū)域有：B/C/D/E/F聯(lián)絡(luò)道75m內(nèi)、西機坪75m內(nèi)。

因不停航施工情況各有不同，以首次瀝青攤鋪不停航施工為例進行說明：馬代機場項目首次進行不停航施工的區(qū)域為E聯(lián)絡(luò)道75m范圍內(nèi)瀝青下面層、中面層聯(lián)鋪，結(jié)合項目實際情況及攤鋪機性能，擬采用2臺ABG8620攤鋪機同時施工。如圖18所示。

圖18 夜間不停航施工

結(jié)合試驗段攤鋪要求，擬定施工方案為：采用兩臺聯(lián)鋪方式進行攤鋪，攤鋪順序由北向南，由西向東依次進行，攤鋪機均安裝智能攤鋪系統(tǒng)，進行高程自動控制。其中CB460及表面檢查手簿中下返值為：-0.094/-0.034(即虛鋪系數(shù)1.20/1.267)。

智能攤鋪系統(tǒng)，采用6臺全站儀進行機械引導及表面檢查工作(其中2臺備用)。其中， 2臺作為機械引導， 2臺作為表面檢查。具體儀器架設(shè)位置如圖19所示。

圖19 夜間不停航施工架站示意圖

在不停航施工中進行數(shù)字化攤鋪，無需掛線，大大節(jié)約了時間，使溫降可控，避免耗費瀝青混合料，同時無需大量照明設(shè)施，避免燈光干擾，達到節(jié)能的效果。

4 結(jié)論

基于BIM技術(shù)的數(shù)字化施工是對項目管控的巨大升級，包含工程建設(shè)的數(shù)字化、信息化和智能化，它是基于多種先進數(shù)字化施工硬件、三維模型軟件以及咨詢服務(wù)，對項目設(shè)計、過程、質(zhì)量、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、資源效率及交互溝通方面進行全面掌控，提升項目參與方的溝通，升級施工單位的各種工程機械，并收集各種施工過程數(shù)據(jù)(質(zhì)量、安全、成本和進度)，提升項目管理的水平，最終實現(xiàn)項目管控水平的提升[11]。真正實現(xiàn)項目部由管理“人”到管理“數(shù)據(jù)”的轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)“人”生產(chǎn)數(shù)據(jù)到“機器和軟件”生產(chǎn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)由“人”驅(qū)動管理流程到由“數(shù)據(jù)”驅(qū)動管理流程的轉(zhuǎn)變[12]。最終實現(xiàn)在保證質(zhì)量的前提下做到減員增效，提升項目管理水平的目標[13]。