3D數(shù)字化攤鋪技術(shù)的應(yīng)用

葉學(xué)龍

（中交二公局東萌工程有限公司，西安 710065）

1 引言

社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展對(duì)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平提出了更高的要求，在現(xiàn)代公路工程建設(shè)領(lǐng)域，瀝青路面為主流的路面形式。傳統(tǒng)2D攤鋪系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的局限性較強(qiáng)，容易受到鋼絲繩架設(shè)精度、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境等方面的影響，導(dǎo)致資源投入與產(chǎn)出存在失衡的局面。在發(fā)展需求的促進(jìn)作用下，傳統(tǒng)的2D攤鋪技術(shù)得以升級(jí)，3D數(shù)字化攤鋪逐步成為主流方法，可有效解決以往施工期間的各類弊端[1]。

2 工程概況

深圳外環(huán)高速公路深圳段工程路面施工中，第15合同段起于龍崗區(qū)龍城，終于大鵬新區(qū)葵涌辦事處高源村，起訖樁號(hào)為 YK52+927.344（ZK52+905.895）～K77+350，總長(zhǎng)達(dá)24.42km。該標(biāo)段采取雙向六車道建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，分階段制定建設(shè)目標(biāo)：起點(diǎn)至坪地段，路基寬33.5m，設(shè)計(jì)速度100km/h；坪地至終點(diǎn)段，路基寬32m，設(shè)計(jì)速度80km/h。

3 3D數(shù)字化攤鋪技術(shù)概述

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，當(dāng)前3D數(shù)字化攤鋪技術(shù)得到了極大的發(fā)展，其中mmGPS 3D數(shù)字化攤鋪控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍越大越廣。mmGPS 3D數(shù)字化攤鋪控制系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)突出，集GNSS衛(wèi)星定位、自動(dòng)檢測(cè)和控制以及數(shù)字建模等技術(shù)于一體，精度高，平面定位精度可達(dá)1～2cm，高程定位精度可達(dá)1～2cm，在當(dāng)前的路面工程施工中發(fā)揮著重要作用。在應(yīng)用mmGPS 3D數(shù)字化攤鋪控制系統(tǒng)時(shí)，液壓閥發(fā)揮驅(qū)動(dòng)作用，并進(jìn)一步牽引臂液壓油缸發(fā)揮作用，保證熨平板處于穩(wěn)定狀態(tài)，在攤鋪?zhàn)鳂I(yè)的過(guò)程進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析，為實(shí)際的攤鋪?zhàn)鳂I(yè)提供參考，保證路面攤鋪?zhàn)鳂I(yè)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

在路面攤鋪?zhàn)鳂I(yè)中應(yīng)用mmGPS 3D數(shù)字化攤鋪控制系統(tǒng)具有無(wú)樁化攤鋪和自動(dòng)化管理等優(yōu)勢(shì)，且能夠自動(dòng)調(diào)整攤鋪?zhàn)藨B(tài)，提高路面的平整度，能夠很好地滿足路面攤鋪?zhàn)鳂I(yè)在位置和高程上的要求，保證路面的攤鋪質(zhì)量。

4 徠卡3D控制系統(tǒng)連接及應(yīng)用

瑞士徠卡公司在傳統(tǒng)攤鋪技術(shù)的基礎(chǔ)上創(chuàng)新出了Pavesmart 3D控制系統(tǒng)，這項(xiàng)3D技術(shù)解決了傳統(tǒng)路面攤鋪施工中存在的難題，為路面攤鋪施工提出了一套操作性強(qiáng)、施工效率高的攤鋪技術(shù)和方法。目前在歐美，俫卡3D控制系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于瀝青攤鋪機(jī)、滑模攤鋪機(jī)等工程機(jī)械中。

以徠卡系統(tǒng)與MOBA-Matic的匹配為例解釋徠卡3D控制系統(tǒng)的組成情況和應(yīng)用。Pavesmart 3D控制系統(tǒng)由上層數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和底層執(zhí)行系統(tǒng)2部分構(gòu)成，其中上層系統(tǒng)主要作用是輸入路面攤鋪?zhàn)鳂I(yè)的原始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)的處理和發(fā)送，是由2～3臺(tái)徠卡全自動(dòng)全站儀、無(wú)線調(diào)制解調(diào)器、2個(gè)激光接收棱鏡和機(jī)載電腦組成的。儀器的具體類型和數(shù)量要根據(jù)攤鋪?zhàn)鳂I(yè)的實(shí)際需要來(lái)確定，而底層系統(tǒng)只需執(zhí)行上層系統(tǒng)發(fā)送的指令，保證熨平板正常工作。

工作原理：根據(jù)實(shí)際的攤鋪需要選擇適當(dāng)?shù)娜詣?dòng)全站儀，全自動(dòng)全站儀的跟蹤頻率約為10～12次/s，通過(guò)追蹤定位和測(cè)定安裝在攤鋪機(jī)上的棱鏡三維坐標(biāo)判斷熨平板的坐標(biāo)，定位熨平板的位置和高程，并將追蹤定位到的三維坐標(biāo)輸送到機(jī)載電腦，進(jìn)行科學(xué)分析和補(bǔ)償計(jì)算，得到在攤鋪?zhàn)鳂I(yè)中攤鋪機(jī)熨平板的真正3D位置數(shù)據(jù)，并將其與機(jī)載電腦中預(yù)存的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行偏差比較，為熨平板的調(diào)整提供參考，確保熨平板平面定位和高程符合施工實(shí)際需要，保證攤鋪?zhàn)鳂I(yè)的平整度和厚度，提升攤鋪效果。

該系統(tǒng)具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

1）使用絕對(duì)基準(zhǔn)。該系統(tǒng)能夠?qū)㈧倨桨宓膶?shí)際3D位置與預(yù)先存入的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，有效控制攤鋪機(jī)攤鋪?zhàn)鳂I(yè)的厚度、路面高程，提升線性控制的精確性，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)材料和攤鋪?zhàn)鳂I(yè)時(shí)間的控制，提高攤鋪?zhàn)鳂I(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

2）該系統(tǒng)具有無(wú)樁化攤鋪和自動(dòng)動(dòng)態(tài)管理的優(yōu)點(diǎn)，簡(jiǎn)化了施工環(huán)節(jié)，保證路面攤鋪施工效率。

3）自動(dòng)完成坡度調(diào)整。該系統(tǒng)能夠靈活自動(dòng)地調(diào)整攤鋪機(jī)熨平板，達(dá)到自動(dòng)變坡度施工的要求，使得攤鋪施工更加快捷高效。

4）滿足攤鋪?zhàn)鳂I(yè)高精度的要求，當(dāng)前的路面攤鋪施工精度要求越來(lái)越高，該系統(tǒng)通過(guò)徠卡全站儀能夠?qū)崿F(xiàn)高精度控制，滿足攤鋪機(jī)熨平板的平面定位和高程控制要求，減小環(huán)境等因素對(duì)檢測(cè)精度的影響和限制。

5）連續(xù)攤鋪?zhàn)鳂I(yè)。該系統(tǒng)能夠動(dòng)態(tài)、全天候地對(duì)攤鋪?zhàn)鳂I(yè)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)反饋攤鋪效果，并且在保證攤鋪精度要求的基礎(chǔ)上進(jìn)行連續(xù)攤鋪?zhàn)鳂I(yè)。

6）兼容性強(qiáng)。該系統(tǒng)應(yīng)用的是模塊化設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)能夠在瀝青攤鋪機(jī)、滑膜攤鋪機(jī)等類型的攤鋪機(jī)中應(yīng)用，操作簡(jiǎn)單靈活，隨插隨用，兼容性高。

7）經(jīng)濟(jì)性好。全站儀是道路工程建設(shè)中的關(guān)鍵儀器，徠卡全自動(dòng)全站儀不僅在3D系統(tǒng)控制中發(fā)揮重要作用，而且在其他的測(cè)量任務(wù)中也能發(fā)揮作用，利用率較高，經(jīng)濟(jì)合理，有利于控制施工成本，提升工程的經(jīng)濟(jì)效益。

徠卡3D攤鋪控制系統(tǒng)改變了高精度的水穩(wěn)層攤鋪控制傳統(tǒng)的施工方法，無(wú)須人工放樣、砸樁和掛線，從而避免了在這一施工流程中產(chǎn)生的人為誤差，包括放樣誤差、砸樁和掛線誤差以及掛線觸碰帶來(lái)的精鋪?zhàn)鴺?biāo)和設(shè)計(jì)值比對(duì)，并將差值實(shí)時(shí)傳送給攤鋪機(jī)液壓系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)攤鋪機(jī)攤鋪高度的自動(dòng)實(shí)時(shí)控制。

施工環(huán)境的不確定性甚至?xí)顾€(wěn)層攤鋪過(guò)程中浪費(fèi)大量的人力、物力和時(shí)間成本，這其中包括3～5名施工人員、鋼纖的消耗和攤鋪前的現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備時(shí)間。而徠卡3D攤鋪控制系統(tǒng)僅需要在辦公室即可完成現(xiàn)場(chǎng)攤鋪數(shù)準(zhǔn)備，數(shù)字化施工使得現(xiàn)場(chǎng)更加安全，減少了施工人員的參與，同時(shí)不用掛線，降低了掛線對(duì)大型運(yùn)料車的活動(dòng)路徑影響，讓現(xiàn)場(chǎng)更干凈整潔。

5 2D與3D攤鋪工藝應(yīng)用效果的對(duì)比分析

2D攤鋪工藝的細(xì)分施工工藝主要有2種：（1）接觸式滑靴工藝，其在水穩(wěn)層、中下面層施工中得到較廣泛的應(yīng)用，可有效控制攤鋪厚度。但基準(zhǔn)的架設(shè)較為煩瑣，精度控制的難度較大，攤鋪期間難以做到全面監(jiān)測(cè)，導(dǎo)致實(shí)測(cè)結(jié)果缺乏全面性和準(zhǔn)確性，不利于攤鋪?zhàn)鳂I(yè)的順利推進(jìn)。（2）平衡梁施工工藝，常見(jiàn)于中上面層攤鋪中，其能夠較好地控制面層的平整度。若要有效應(yīng)用平衡梁施工工藝，則必須確保地面高程、平整度均滿足要求，否則易影響上部結(jié)構(gòu)的攤鋪質(zhì)量?？梢园l(fā)現(xiàn)，無(wú)論是接觸式滑靴工藝還是平衡梁施工工藝均存在較明顯的局限性，難以全面兼顧攤鋪面層平整度和厚度的多方面要求[2]。

相較之下，3D攤鋪控制系統(tǒng)則能夠有效解決上述問(wèn)題。從工程質(zhì)量控制的角度來(lái)看，3D攤鋪控制系統(tǒng)可以全面監(jiān)測(cè)平整度和厚度，并及時(shí)根據(jù)數(shù)據(jù)采取控制措施，從而滿足動(dòng)態(tài)化控制的要求。從施工人員的角度來(lái)看，可有效減少工作量，降低施工人員的工作強(qiáng)度，也能夠規(guī)避人為誤差。從經(jīng)濟(jì)效益的角度來(lái)看，由于攤鋪?zhàn)鳂I(yè)的精度較高，可減少因質(zhì)量問(wèn)題而出現(xiàn)的返工現(xiàn)象，成本投入較傳統(tǒng)2D攤鋪技術(shù)明顯偏低，有助于提高工程項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益[3，4]。

可見(jiàn)，3D攤鋪控制系統(tǒng)的出現(xiàn)具有標(biāo)志性意義，是路面攤鋪技術(shù)的全新代表形式，同時(shí)也是攤鋪領(lǐng)域的重要“生產(chǎn)工具”。而隨著傳感器檢測(cè)技術(shù)、3D建模技術(shù)等相關(guān)配套技術(shù)的發(fā)展，后續(xù)3D攤鋪控制系統(tǒng)的運(yùn)行能力將進(jìn)一步提升，進(jìn)而取得更顯著的應(yīng)用效果。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，3D數(shù)字化攤鋪技術(shù)集機(jī)械控制、測(cè)量定位、信息處理等多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)于一體，是現(xiàn)代化道路攤鋪工作中的首選方式。在工程實(shí)踐中，有關(guān)人員應(yīng)按照需求合理應(yīng)用3D數(shù)字化攤鋪技術(shù)，根據(jù)實(shí)際情況采取動(dòng)態(tài)化調(diào)整措施，充分發(fā)揮出該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。此外，3D數(shù)字化攤鋪技術(shù)在我國(guó)的普及率相對(duì)較低，后續(xù)依然有進(jìn)步的空間，因此，廣大工程人員仍需付諸努力，廣泛普及3D數(shù)字化攤鋪技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新。