基于BIM技術的數字化路基填筑施工過程控制研究

劉呈斌，董鳳翔，謝先當，劉厚強

（中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031）

隨著信息技術的飛速發展，智能化技術取得了長足的進步，人類社會正逐步向智能化時代邁進，鐵路行業將緊跟時代發展步伐，積極推進智能鐵路的發展[1]。在提倡國家經濟高質量發展的同時，基礎設施建設質量必將提高到新的臺階。傳統的以人為主的工程建設方式已凸現出施工效率低、施工質量差、施工管理混亂等現象，近年來以數字化、信息化、智能化為核心的建筑信息模型（BIM）技術為工程建設施工方式帶來了新的思路,基于BIM的數字化施工正處在逐步推廣應用過程中[2-5]。

鐵路工程建設中路基施工是重要的環節，路基填筑層的施工質量直接決定鐵路工程的整體質量。傳統施工方式導致路基的填筑質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技術的施工管理軟硬件系統，論述了基于路基連續壓實的BIM自動生成算法理論，為基于BIM技術的路基連續壓實奠定了理論基礎；西（安）成（都）線江油北站路基BIM應用，初步提出了基于BIM的路基連續壓實應用方案[7-8]。大瑞鐵路路基BIM應用，分析了基于BIM技術的路基連續壓實實施效果[9]。目前，基于BIM技術的路基連續壓實系統在實際應用中存在系統誤差較大、定位不準確、壓實合格率偏低等問題，系統仍需不斷優化；基于BIM技術的路基坡度控制系統研究尚少，需加強對該系統的研究。

文章以BIM、智能機械施工、路基連續壓實等新興技術為基礎，結合麗（江）香（格里拉）鐵路數字化施工應用，建立了基于BIM技術的路基連續壓實系統和坡度控制系統，并提出了基于該系統的施工流程。

1 路基填筑理論基礎

1.1 路基填筑質量關鍵控制因素

為確保路基填筑質量、為后續大面積施工提供可靠的資料和相應的施工參數、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、含水率等施工工藝參數。因此，根據施工過程與試驗目的性質，可以把路基填筑質量控制關鍵因素分為3類：

（1）填料因素。包括填料類型、含水率等填料性質因素的控制。填料控制通過在填料生產、運輸、填筑現場的控制來穩定填料性質。

（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過程中穩定填筑體的幾何尺寸，確保后續碾壓過程能實現最優的壓實效果。

（3）碾壓因素。包括振動碾壓質量、碾壓路徑，碾壓遍數，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，實現最優的壓實效果。平地機、壓路機等施工設備智能升級，所以，目前基于BIM和數字化施工技術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 傳統填筑施工存在的問題

傳統方式填筑施工時，路基填筑層的幾何尺寸控制方式為：（1）通過測量人員現場進行打樁、放樣提供參考依據；（2）現場技術員指揮施工機械提供引導信息；（3）機械操作員依據放樣樁和技術員的引導進行坡度控制施工。由于施工人員經驗與技術參差不齊、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為主。這樣的施工方式存在累計誤差，填筑時往往會出現少層的情況。

1.3 數字化施工填筑思維創新

數字化施工應用初期的西成線江油北站項目中，消除了傳統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，由于坡度控制系統存在系統誤差，所以每層都需對施工BIM模型進行調整。這樣施工過程中帶來了大量的數據準備工作，同時也無法避免施工層與設計層不一致問題。

通過對西成線江油北站項目的總結分析，發現坡度控制系統誤差可以控制在1～2 cm的范圍內，可采用控制層標高方式將累計誤差分布到每層中，從而消除設計層與施工層不一致的情況。因此，在麗香鐵路數字化施工應用中轉變思路，控制施工BIM每層的設計標高方式，進行數字化施工。解決施工層與設計層不一致問題，保證填筑每層的幾何尺寸，使路基填筑數字化施工進入可簡易應用階段。

2 數字化施工填筑幾何控制

2.1 坡度控制系統

數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實現。坡度控制系統主要組成：

（1）2個GNSS流動站、無線電臺、智能控制箱和液壓控制器等設備。2個GNSS流動站與無線電臺實現推土機、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設計數據、鏟刀實時工作狀態與過程數據，以圖形化、數字化方式展示機械設備施工狀態，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據，控制機械油壓數據使鏟刀自動進行工作。坡度控制系統基本框架，如圖1所示。

圖 1 坡度控制系統基本框架

通常，推土機安裝引導型坡度控制系統（無液壓控制器），用于填筑層鋪設填料的粗平工作。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，用于填筑層鋪設填料的精平工作。機械操作員設置智能控制箱自動狀態并駕駛平地機前進，同時智能系統自動控制鏟刀完成坡度控制。

2.2 坡度控制方式

通過麗香鐵路數字化施工項目的應用，數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、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；確定松鋪系數用于施工時準備填料；確定填筑厚度用于施工分層。

（2）設計BIM向施工BIM轉換。通過填筑厚度將設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）坡度控制系統設置。在推土機的引導坡度控制系統中設置粗平厚度差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中設置精平厚度差h平，用于計算平地機實際工作模型位置。

（4）導入施工BIM。將施工BIM導入坡度控制系統中，機械操作員可根據施工層位置選擇對應施工BIM進行施工。

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

（6）引導方式粗平。推土機操作員依據坡度控制系統提示信息，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、精平施工數據與施工后的表面模型。施工過程和成果數據可放置于BIM中進行分析、展示、回溯施工，并為以后的勘察設計施工提供可靠的資料。

3 數字化施工填筑碾壓控制

3.1 連續壓實系統

數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壓實系統實現。連續壓實系統基本框架，如圖2所示。連續壓實系統主要由GNSS流動站、無線電臺、智能控制箱、壓實傳感器等設備組成。GNSS流動站與無線電臺實現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設計數據、振動碾實時的過程數據、壓實傳感器數據，以圖形化、數字化方式展示機械設備施工狀態，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壓實值數據，發送到智能控制箱中。連續壓實系統控制箱工作界面，如圖3所示。

3.2 碾壓控制方式

傳統方式填筑施工時，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，導致路基填筑會出現壓實遍數不足、碾壓不均勻、路基邊緣漏壓等突出問題。

數字化施工碾壓時,連續壓實系統可記錄壓路機行駛軌跡、填筑層的碾壓效果數據。從而監督壓路機操作員,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量。

通過麗香鐵路數字化施工項目的應用，數字化施工碾壓控制方式和步驟如下：

圖 2 連續壓實系統基本框架

圖 3 連續壓實系統控制箱工作界面

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

（2）設計BIM向施工BIM轉換。

（3）連續壓實系統設置。在壓路機的連續壓實系統中設置碾壓遍數，連續壓實目標合格值。

（4）導入施工BIM。

（5）層施工前準備。機械操作員選擇對應層的施工BIM。

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

（7）常規質量驗收檢測。根據填筑層的性質采用單點事后檢測方式，進行基床系數K、地基系數K30、動態變形模量EVD等常規檢測[10-11]。

（8）整理資料。收集整理碾壓施工數據與施工后的表面模型，生成連續壓實值報告、壓實遍數報告等。施工過程和成果數據可放置于BIM中數字化施工進行分析、展示、回溯施工，并為以后的勘察設計施工提供可靠的資料。

4 數字化施工質量分析

數字化施工主要控制填筑層幾何尺寸和碾壓過程，通過精準、穩定的填筑層縱坡、橫坡、厚度、平整度等幾何參數和完整的碾壓過程來提升填筑層的碾壓質量。下面將結合麗香鐵路數字化施工應用成果，對數字化施工實施前與后的施工質量進行對比說明。

4.1 數字化施工前填筑質量

數字化施工實施前，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。橫坡應為人字型橫坡，實際施工完表面則向一側傾斜。從而導致填筑時出現大小里程填筑厚度不均勻情況，碾壓效果也因厚度發生變化。

圖4 數字化施工實施前填筑質量

4.2 數字化施工后填筑質量

如圖5所示數字化施工實施后，填筑層壓實質量有明顯改善。填筑層表面橫坡、縱坡均滿足設計要求，并且每層可以穩定控制坡度、厚度。從而使填筑質量有明顯提升。

圖 5 數字化施工實施后填筑質量

5 結束語

分析路基填筑質量關鍵控制因素和傳統填筑施工存在的問題，提出基于BIM技術的數字化填筑施工方法，主要研究了路基填筑坡度控制系統和路基連續壓實控制系統的基本框架與應用實施流程；將基于BIM的坡度控制技術和連續壓實技術應用于麗香鐵路路基填筑施工，對比數字化填筑施工前后路基填筑質量，結果表明，采用數字化填筑施工方法，填筑質量明顯提升，達到了預期的效果。本文研究的數字化填筑施工技術有一定實用價值，為鐵路路基數字化施工提供了參考。

鐵路工程施工環境復雜多變，在施工過程中存在水文、地質、氣候環境、機械等方面的影響，因此，還需要在更多的工程中研究試點，持續優化施工方法和控制系統，進一步完善實施流程。