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

（中鐵二院工程集團有限責(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)取得了長足的進步，人類社會正逐步向智能化時代邁進，鐵路行業(yè)將緊跟時代發(fā)展步伐，積極推進智能鐵路的發(fā)展[1]。在提倡國家經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展的同時，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)質(zhì)量必將提高到新的臺階。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[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)壓實的BIM自動生成算法理論，為基于BIM技術(shù)的路基連續(xù)壓實奠定了理論基礎(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)壓實實施效果[9]。目前，基于BIM技術(shù)的路基連續(xù)壓實系統(tǒng)在實際應(yīng)用中存在系統(tǒng)誤差較大、定位不準確、壓實合格率偏低等問題，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，需加強對該系統(tǒng)的研究。

文章以BIM、智能機械施工、路基連續(xù)壓實等新興技術(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行路基工藝性試驗。針對不同的填料、不同的路基填筑部位、不同的壓實機具，確定合理的松鋪厚度、壓實遍數(shù)、含水率等施工工藝參數(shù)。因此，根據(jù)施工過程與試驗?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)、運輸、填筑現(xiàn)場的控制來穩(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)碾壓過程能實現(xiàn)最優(yōu)的壓實效果。

（3）碾壓因素。包括振動碾壓質(zhì)量、碾壓路徑，碾壓遍數(shù)，強、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按實際工藝要求進行碾壓，實現(xiàn)最優(yōu)的壓實效果。平地機、壓路機等施工設(shè)備智能升級，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，路基填筑層的幾何尺寸控制方式為：（1）通過測量人員現(xiàn)場進行打樁、放樣提供參考依據(jù)；（2）現(xiàn)場技術(shù)員指揮施工機械提供引導(dǎo)信息；（3）機械操作員依據(jù)放樣樁和技術(shù)員的引導(dǎo)進行坡度控制施工。由于施工人員經(jīng)驗與技術(shù)參差不齊、施工過程中對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，每層施工都需核對層標高，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誤差，填筑時往往會出現(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目中，消除了傳統(tǒng)方式填筑施工的不良因素。但是項目以控制單層幾何尺寸為目標，由于坡度控制系統(tǒng)存在系統(tǒng)誤差，所以每層都需對施工BIM模型進行調(diào)整。這樣施工過程中帶來了大量的數(shù)據(jù)準備工作，同時也無法避免施工層與設(shè)計層不一致問題。

通過對西成線江油北站項目的總結(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)，可采用控制層標高方式將累計誤差分布到每層中，從而消除設(shè)計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)計標高方式，進行數(shù)字化施工。解決施工層與設(shè)計層不一致問題，保證填筑每層的幾何尺寸，使路基填筑數(shù)字化施工進入可簡易應(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)字化施工中對路基填筑層的幾何尺寸控制主要通過在推土機、平地機中加裝坡度控制系統(tǒng)實現(xiàn)。坡度控制系統(tǒng)主要組成：

（1）2個GNSS流動站、無線電臺、智能控制箱和液壓控制器等設(shè)備。2個GNSS流動站與無線電臺實現(xiàn)推土機、平地機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)計數(shù)據(jù)、鏟刀實時工作狀態(tài)與過程數(shù)據(jù)，以圖形化、數(shù)字化方式展示機械設(shè)備施工狀態(tài)，幫助機械操作員或施工機械快速、準確地完成坡度控制。

（3）液壓控制器接收智能控制箱的指令數(shù)據(jù)，控制機械油壓數(shù)據(jù)使鏟刀自動進行工作。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。機械操作員通過查看智能控制箱屏幕指示，駕駛推土機并手動控制鏟刀完成坡度控制。平地機安裝自動型坡度控制系統(tǒng)，用于填筑層鋪設(shè)填料的精平工作。機械操作員設(shè)置智能控制箱自動狀態(tài)并駕駛平地機前進，同時智能系統(tǒng)自動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。填筑前先進行壓實工藝性試驗，確定推土機粗平過后填筑層表面與壓路機壓實后填筑層表面的厚度差作為粗平厚度差h推；確定平地機精平過后填筑層表面與壓路機壓實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)用于施工時準備填料；確定填筑厚度用于施工分層。

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

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

（4）導(dǎo)入施工BIM。將施工BIM導(dǎo)入坡度控制系統(tǒng)中，機械操作員可根據(jù)施工層位置選擇對應(yīng)施工BIM進行施工。

（5）層施工前準備。采用松鋪系數(shù)與對應(yīng)層施工BIM體積（實方量）計算準備填料方量；機械操作員選擇對應(yīng)層的施工BIM。

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

（7）自動方式精平。平地機操作員駕駛平地機行駛，坡度控制系統(tǒng)自動控制鏟刀進行精平。

（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中進行分析、展示、回溯施工，并為以后的勘察設(shè)計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)壓實系統(tǒng)

數(shù)字化施工中對路基填筑層壓實控制主要通過在壓路機中加裝連續(xù)壓實系統(tǒng)實現(xiàn)。連續(xù)壓實系統(tǒng)基本框架，如圖2所示。連續(xù)壓實系統(tǒng)主要由GNSS流動站、無線電臺、智能控制箱、壓實傳感器等設(shè)備組成。GNSS流動站與無線電臺實現(xiàn)壓路機的振動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)計數(shù)據(jù)、振動碾實時的過程數(shù)據(jù)、壓實傳感器數(shù)據(jù)，以圖形化、數(shù)字化方式展示機械設(shè)備施工狀態(tài)，幫助機械操作員和施工機械快速、準確地完成壓實控制；壓實傳感器采集連續(xù)壓實值數(shù)據(jù)，發(fā)送到智能控制箱中。連續(xù)壓實系統(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，路基填筑層的碾壓控制完全由壓路機操作員決定。由于施工人員疏忽或工期緊張等因素影響，導(dǎo)致路基填筑會出現(xiàn)壓實遍數(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,連續(xù)壓實系統(tǒng)可記錄壓路機行駛軌跡、填筑層的碾壓效果數(shù)據(jù)。從而監(jiān)督壓路機操作員,使其嚴格遵照壓實工藝施工杜絕碾壓過程中人為因素影響壓實質(zhì)量。

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

圖 2 連續(xù)壓實系統(tǒng)基本框架

圖 3 連續(xù)壓實系統(tǒng)控制箱工作界面

（1）確定壓實遍數(shù)、強弱振分布、連續(xù)壓實回歸方程、連續(xù)壓實目標合格值。填筑前先進行壓實工藝性試驗，確定壓路機碾壓的遍數(shù)與每遍的強弱振情況；工藝性試驗的同時，進行連續(xù)壓實相關(guān)性檢測，確定連續(xù)壓實回歸方程與目標合格值。

（2）設(shè)計BIM向施工BIM轉(zhuǎn)換。

（3）連續(xù)壓實系統(tǒng)設(shè)置。在壓路機的連續(xù)壓實系統(tǒng)中設(shè)置碾壓遍數(shù)，連續(xù)壓實目標合格值。

（4）導(dǎo)入施工BIM。

（5）層施工前準備。機械操作員選擇對應(yīng)層的施工BIM。

（6）連續(xù)壓實碾壓。機械操作員以連續(xù)壓實系統(tǒng)提供的當(dāng)前位置的壓實信息進行精準碾壓。

（7）常規(guī)質(zhì)量驗收檢測。根據(jù)填筑層的性質(zhì)采用單點事后檢測方式，進行基床系數(shù)K、地基系數(shù)K30、動態(tài)變形模量EVD等常規(guī)檢測[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)壓實值報告、壓實遍數(shù)報告等。施工過程和成果數(shù)據(jù)可放置于BIM中數(shù)字化施工進行分析、展示、回溯施工，并為以后的勘察設(shè)計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、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，對數(shù)字化施工實施前與后的施工質(zhì)量進行對比說明。

4.1 數(shù)字化施工前填筑質(zhì)量

數(shù)字化施工實施前，填筑層壓實效果不佳。如圖4所示，填筑層表面要求縱坡為2.5‰，實際施工完成表面縱坡分三級變化。橫坡應(yīng)為人字型橫坡，實際施工完表面則向一側(cè)傾斜。從而導(dǎo)致填筑時出現(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)字化施工實施后，填筑層壓實質(zhì)量有明顯改善。填筑層表面橫坡、縱坡均滿足設(shè)計要求，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)壓實控制系統(tǒng)的基本框架與應(yīng)用實施流程；將基于BIM的坡度控制技術(shù)和連續(xù)壓實技術(shù)應(yīng)用于麗香鐵路路基填筑施工，對比數(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)有一定實用價值，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、機械等方面的影響，因此，還需要在更多的工程中研究試點，持續(xù)優(yōu)化施工方法和控制系統(tǒng)，進一步完善實施流程。