3D 智能數(shù)字化攤鋪技術(shù)在溧高高速公路路面施工中的應(yīng)用

顧江鳴，鄒文軍，白偉華，王芮文

（1.常州交通建設(shè)管理有限公司，江蘇 常州 213000；2.中交二公局第三工程有限公司，陜西 西安 710016；3.江蘇森淼工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

0 引言

溧高高速公路是連接常州的溧陽市和南京的高淳區(qū)，是江蘇省南部地區(qū)的一條東西運(yùn)輸通道，屬于江蘇省重點(diǎn)工程項(xiàng)目。溧高常州段路面標(biāo)全標(biāo)段跨越南渡和上興兩鎮(zhèn)，起點(diǎn)樁號(hào)為 K0+730.414，終點(diǎn)樁號(hào)為K17+389.172，道路全長(zhǎng) 16.7 km，溧高常州段有湯橋互通一座，丁村服務(wù)區(qū)一處。路面基層為水泥穩(wěn)定碎石，厚度 38 cm。面層共分 3 個(gè)層次，溧高高速公路南京段除路面上面層外，其他各層次均采用 3D 智能攤鋪技術(shù)，而常州溧陽段，則采用傳統(tǒng)的基準(zhǔn)線法施工方式。

1 3D 智能攤鋪技術(shù)應(yīng)用概況

3D 即“Three Dimensions”，泛指空間的三個(gè)維度，在 3D 攤鋪中，主要是指高程、厚度和寬度等 3 個(gè)方向。3D 數(shù)字化智能控制技術(shù)（以下簡(jiǎn)稱“3D 技術(shù)”）就是經(jīng)過數(shù)據(jù)采錄擬合建模、現(xiàn)場(chǎng)三維空間定位、自動(dòng)施工控制 3 個(gè)步驟來實(shí)現(xiàn)施工自動(dòng)化、智能化、精準(zhǔn)化。

3D 數(shù)字化智能控制施工技術(shù)主要由測(cè)量機(jī)器人（ICR 80 智能型高精度 1″全站儀）基準(zhǔn)站和路面攤鋪全自動(dòng)監(jiān)控部件和程序體系組成。在采用 3D 攤鋪施工時(shí)，自動(dòng)監(jiān)控的部件以及程序系統(tǒng)會(huì)對(duì)智能高精度機(jī)器人發(fā)出指令，機(jī)器人通過后方交會(huì)法確定攤鋪機(jī)的精確位置，通過攤鋪機(jī)踏板上固定的 360°棱鏡獲得坐標(biāo)；接著再利用系列程序系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸功能將電臺(tái)實(shí)時(shí)獲取的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)以電信號(hào)的方式傳輸給攤鋪控制器中的控制計(jì)算機(jī)的接收系統(tǒng)中；隨后控制計(jì)算機(jī)的接收系統(tǒng)再經(jīng)復(fù)雜的計(jì)算，建立模型，再把即刻坐標(biāo)與建立好的模型中的數(shù)據(jù)比對(duì)、分析及反饋，給出與模型中相契合的高程信息，同時(shí)對(duì)給出的數(shù)據(jù)進(jìn)行修偏和訂正，接著對(duì)此信息數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)程序的模擬，再將其反饋給攤鋪機(jī)的找平控制器［1］。當(dāng)施工正在進(jìn)行的時(shí)候，為了能夠使輸出的數(shù)據(jù)精確、攤鋪的路面數(shù)據(jù)精準(zhǔn)，其中的一臺(tái)測(cè)量機(jī)器人必須始終對(duì)攤鋪的具體情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在過程中進(jìn)行質(zhì)量控制，使各項(xiàng)控制參數(shù)全部滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)當(dāng)原始地面出現(xiàn)坑洼導(dǎo)致攤鋪機(jī)車身發(fā)生傾斜時(shí)，系統(tǒng)安裝在桅桿上的傾角傳感器實(shí)時(shí)地對(duì)車身的姿態(tài)進(jìn)行校正，使攤鋪機(jī)車身的姿態(tài)始終與設(shè)計(jì)面相吻合，進(jìn)而確保系統(tǒng)穩(wěn)定性，真正實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)攤鋪。

3D 攤鋪監(jiān)控和調(diào)整體系通常是由空間三維位置確定體系、安裝在攤鋪機(jī)上的電腦控制體系以及軟件、程序等 3 部分組成。

2 3D 數(shù)字化智能攤鋪系統(tǒng)的應(yīng)用

3D 數(shù)字化智能攤鋪系統(tǒng)在應(yīng)用時(shí)，應(yīng)根據(jù)工程的實(shí)際情況，按以下步驟進(jìn)行。

2.1 數(shù)字建模

3D 技術(shù)目前在國(guó)外處于推廣應(yīng)用階段，主要在鐵路、道路、機(jī)場(chǎng)、大壩、河道、礦山、垃圾填埋、港口、城市建設(shè)等領(lǐng)域得到了應(yīng)用，為施工單位提供完整的聯(lián)合施工解決方案。在江蘇高速公路施工中，溧高高速常州段路面標(biāo)率先在水穩(wěn)底基層、基層和路面下中面層使用該 3D 攤鋪技術(shù)。

較傳統(tǒng)施工技術(shù)相比而言，實(shí)現(xiàn)了真正的數(shù)字化施工，不需要現(xiàn)場(chǎng)放樁、測(cè)量鋼釬標(biāo)高等，3D 技術(shù)是通過三維建模將道路設(shè)計(jì)線導(dǎo)入 3D 控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化施工。

數(shù)字建模是指將測(cè)量好的實(shí)測(cè)高程數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)路面厚度、設(shè)計(jì)高程以及樁號(hào)等參數(shù)輸入到 3D 攤鋪軟件，3D 攤鋪軟件會(huì)根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)擬攤鋪的路段高程進(jìn)行擬合建模。

道路設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)生成后，施工前可以對(duì)施工模型進(jìn)行檢查，查看施工模型是否有異常凸起和下凹現(xiàn)象，同時(shí)也可以檢查結(jié)構(gòu)層厚度，在平整度、橫坡度不受影響的前提下進(jìn)行調(diào)整，保證結(jié)構(gòu)層厚度，避免因設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)異常導(dǎo)致的道路攤鋪問題。

數(shù)據(jù)建模完成后，系統(tǒng)會(huì)對(duì)單點(diǎn)數(shù)據(jù)從“點(diǎn)”“線”面”進(jìn)行整合，形成一個(gè)平滑的施工面，使 3D 數(shù)字化智能控制施工技術(shù)在施工過程中改變了傳統(tǒng)工藝對(duì)“點(diǎn)”的控制從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)“面”的控制，使其控制精度、廣度有了很大的提升。

2.2 智能攤鋪?zhàn)鳂I(yè)

把三維模型導(dǎo)入到 3D 數(shù)字化智能控制體系中，在施工時(shí)，該體系通過自動(dòng)修偏和控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)高程的精準(zhǔn)控制，與傳統(tǒng)施工不同，不需要采用基準(zhǔn)線法找平，這樣，就避免了人員和設(shè)備對(duì)工程質(zhì)量帶來的影響，特別是能夠完整地反應(yīng)傳統(tǒng)施工不能夠解決的曲線的彎曲度，且正確地反應(yīng)橫坡度，對(duì)攤鋪線性控制更平順。

2.3 施工過程控制

1）質(zhì)量控制。過程控制是質(zhì)量控制的重要環(huán)節(jié)，在路面施工中，3D 技術(shù)可以實(shí)時(shí)采集、傳輸、反饋和控制三維坐標(biāo)信息，做到了過程控制理念［2］，相對(duì)于傳統(tǒng)的基準(zhǔn)線法在質(zhì)量控制方面更加有效。

2）人員減少。使用 3D 數(shù)字化智能控制體系，能夠相對(duì)減少施工操作工和輔助工，減少了人員以及勞動(dòng)強(qiáng)度；在安全管理方面，真正做到現(xiàn)場(chǎng)整齊美觀，保證了操作工人和設(shè)備的安全高效。

3）成本控制。使用 3D 數(shù)字化智能控制體系，施工中，只需對(duì)原始下承層的固定高程點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，不需要打測(cè)樁，在施工過程中，也不需要人為控制高程。在工期緊張的情況下，還可以全天候地施工，減少人員、連續(xù)不間斷施工，設(shè)備的使用效率得以提高，降低油耗、縮短工期、節(jié)約物料等。

3 3D 數(shù)字化智能攤鋪技術(shù)應(yīng)用效果

3.1 成本降低

3D 智能攤鋪技術(shù)應(yīng)用在成本控制方面遠(yuǎn)比傳統(tǒng)的基準(zhǔn)線法要節(jié)省。與基準(zhǔn)線法相比，可以少投入 9～10 人，按人工工資每月 6 000 元計(jì)算，總共節(jié)省 6 萬元以上。其中用 3 萬元支付設(shè)備租賃費(fèi)，還剩余 3 萬元，每年可以節(jié)省成本 36 萬元。

3.2 安全得到保障

3D 攤鋪施工相對(duì)于傳統(tǒng)攤鋪來說需要輔助人員較少，尤其是測(cè)量放線、架設(shè)鋼絲導(dǎo)向線及鋼梁的人員可以省去，而且這些工序中存在著很大的安全隱患。

傳統(tǒng)攤鋪施工需要大量輔助人員，與施工機(jī)械存在不可避免的交叉作業(yè)，埋下很大的安全隱患。

3.3 路面基層檢測(cè)數(shù)據(jù)情況

在 3D 智能攤鋪路段和普通基準(zhǔn)線法施工的路段分別測(cè)量高程、橫坡度、平整度和厚度，得到圖 1～7。

圖1 3D 攤鋪高差情況（單位：mm）

圖2 基準(zhǔn)線法攤鋪高差情況（單位：mm）

圖3 3D 攤鋪橫坡度檢測(cè)情況

圖4 傳統(tǒng)基準(zhǔn)線法攤鋪橫坡度檢測(cè)情況

圖5 基準(zhǔn)線法攤鋪和 3D 攤鋪的平整度檢測(cè)情況（單位：mm）

圖6 3D 攤鋪的厚度檢測(cè)情況（單位：mm）

圖7 基準(zhǔn)線法攤鋪的厚度檢測(cè)情況（單位：mm）

比較圖 1 和圖 2 可以看出，在高差的控制方面，傳統(tǒng)的基準(zhǔn)線法高差控制波動(dòng)［3］較大，這主要是由于在施工過程中，基準(zhǔn)線擾動(dòng)較大，而 3D 攤鋪則避免了這種情況。

對(duì)比圖 3 和圖 4，傳統(tǒng)的基準(zhǔn)線法施工的橫坡度檢測(cè)數(shù)據(jù)波動(dòng)大，說明整個(gè)路段橫坡度控制不好，而 3D 攤鋪橫坡度有序波動(dòng)，標(biāo)準(zhǔn)差?。?］。

在圖 5 中，3D 施工的平整度遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)基準(zhǔn)線法施工，這也可以從高差和橫坡度控制方面看出這個(gè)結(jié)論。

對(duì)比圖 6 和圖 7，在厚度控制方面，3D 攤鋪厚度控制明顯優(yōu)于傳統(tǒng)基準(zhǔn)線法。

綜上比較發(fā)現(xiàn)，無論從高差、橫坡度、平整度和厚度方面比較，3D 攤鋪較傳統(tǒng)的基準(zhǔn)線法具有明顯優(yōu)勢(shì)，再次證明 3D 技術(shù)是革命性的施工技術(shù)變革。

從上述圖形對(duì)比中，發(fā)現(xiàn)較傳統(tǒng)的施工方法，高程的合格率提升了 79 %，橫坡度的合格率提升了 21 %，平整度的合格率提升了 57 %，厚度的合格率提升了 33 %，達(dá)到了品質(zhì)工程的要求。

4 結(jié)語

為了解決路面施工中高程控制、平整度控制、橫坡度控制和厚度控制中的質(zhì)量通病，溧高高速公路采用了3D 數(shù)字化智能攤鋪解決方案，通過建模、控制和檢測(cè)程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)路面攤鋪參數(shù)的精準(zhǔn)控制，并通過與傳統(tǒng)的基準(zhǔn)線法對(duì)比，發(fā)現(xiàn)路面參數(shù)的合格率指標(biāo)明顯提升，質(zhì)量控制優(yōu)良。

3D 智能攤鋪工藝屬于精細(xì)化、精準(zhǔn)化施工工藝，對(duì)品質(zhì)工程的創(chuàng)建有非常大的促進(jìn)作用，特別是在實(shí)現(xiàn)智能化施工方面，3D 技術(shù)是一項(xiàng)非常值得推廣的應(yīng)用技術(shù)，它可以對(duì)工程質(zhì)量的提升起到明顯的推動(dòng)作用。

3D 智能系統(tǒng)屬于數(shù)字化施工范疇，它必將成為公路工程建設(shè)中的提升質(zhì)量的利器，為施工的精準(zhǔn)、精確控制提供了一套優(yōu)良的工程解決方案。通過這一技術(shù)的應(yīng)用，可以將施工過程中各個(gè)質(zhì)量參數(shù)通過平臺(tái)有機(jī)地聯(lián)系起來，并通過云存儲(chǔ)，隨時(shí)調(diào)閱有關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)工作中相關(guān)各方的協(xié)同管理控制，工作的方便性效率性顯著提高。3D 智能攤鋪系統(tǒng)由于取代了傳統(tǒng)工藝中人為操作中的各種可能產(chǎn)生質(zhì)量問題的各個(gè)環(huán)節(jié)，從而減小操作中的偏差。3D 數(shù)字化智能控制施工技術(shù)未來在中國(guó)一定會(huì)得到廣泛的應(yīng)用推廣，并且在功能方面會(huì)延伸到整個(gè)項(xiàng)目的技術(shù)、質(zhì)量、成本、進(jìn)度、安全等綜合管控中去，實(shí)現(xiàn)施工全部智能化。在管理范圍方面，盡可能地利用存儲(chǔ)的信息情況，隨時(shí)隨地、精準(zhǔn)無誤、急速處理等優(yōu)勢(shì)，解決施工中存在的各類問題。盡可能地消除傳統(tǒng)施工工藝中存在的工、料、機(jī)等劣質(zhì)質(zhì)量成本，節(jié)約建設(shè)資金，增大經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，實(shí)現(xiàn)全智能和數(shù)字施工。

因試驗(yàn)條件和時(shí)間限制，本研究中還存在諸多不足，需要在以下方面對(duì)路面 3D 技術(shù)應(yīng)用予以更加廣泛地研究。

1）3D 技術(shù)可以進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)攤鋪機(jī)的控制，如：攤鋪速度、進(jìn)料速度、夯錘振搗頻率、補(bǔ)料螺旋轉(zhuǎn)速、混合料用量等，可以實(shí)現(xiàn)真正的無人駕駛攤鋪。

2）3D 技術(shù)可以應(yīng)用到碾壓上，可根據(jù)攤鋪的厚度、速度，智能化調(diào)節(jié)碾壓參數(shù)，可以把攤鋪機(jī)與壓路機(jī)聯(lián)系起來，實(shí)現(xiàn)攤鋪、碾壓一體化控制。

3）3D 技術(shù)可以應(yīng)用到拌合場(chǎng)，通過無線通信技術(shù)與前場(chǎng)聯(lián)系起來，前后場(chǎng)可以實(shí)現(xiàn)無障礙溝通，前后場(chǎng)可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到最佳施工效果。

4）隨著 5G 技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，3D 技術(shù)也可以與無線通信技術(shù)、大數(shù)據(jù)平臺(tái)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)整個(gè)項(xiàng)目的智能化控制。Q