基于BIM技術的土石方填筑精細化監控技術

宋自飛，趙宇飛，聶 勇，張建喜，趙慧敏

（1.廣東省水利電力勘測設計研究院，廣東省廣州市 510635；2.中國水利水電科學研究，北京市 100038；3.北京喜創科技有限公司 100097）

0 引言

BIM（Building Information Model）最早起源于20世紀70年代，但是直到2010年才在國內得到了蓬勃發展，對目前傳統的土木工程建設運行中的設計、施工、運維等不同階段帶來了強大的沖擊[1]。近十年來，許多大型土木工程建筑、水利水電、鐵路交通等設計院都在大力推廣應用BIM技術，BIM技術也為新的立體化、模塊化設計帶來了重要的技術手段[2]-[5]。在這樣的背景下，出現了行業設計單位聯合成立的各種設計聯盟，如水利水電BIM設計聯盟、鐵路BIM設計聯盟等，并且不同的行業，不同的地區也相繼推出了不同的BIM技術相關設計標準。如中國建筑科學研究院主編的《建筑信息模型應用統一標準》[6]、中國建筑標準設計研究院主編的《建筑信息模型施工應用標準》[7]等已經由住建部批準頒布實施；水利行業也正在編制《水利水電工程設計信息模型交付標準》等，這都標志著BIM技術已經從設計階段逐步走向了的施工階段，如果BIM技術在施工階段能夠得到廣泛應用，取得重大應用進展的話，該項技術則會真正實現工程建設運行全生命周期的應用[8-10]。

在這樣的背景下，本文結合水利水電、鐵路交通等工程中的重大土石方填筑工程，如土石壩填筑、鐵路路基填筑等方面，利用高精度衛星導航技術、物聯網技術、云計算技術以及大數據技術，基于BIM與GIS模型，開展了基于BIM技術的土石方填筑施工過程精細化智能監控技術的研究與應用。目前該技術已經在國內的幾處重要工程中得到了推廣和應用。

1 土石方填筑精細化控制

1.1 土石方填筑施工控制流程

圖1是目前土石壩的常見的施工工序，以及不同工序所對應的控制因素。通過圖1可以看出，對于土石壩來說，主要的施工流程基本上都是相同的，每一個施工工序需要考慮不同的施工工序之間的銜接與干擾，爭取在有限的施工場地、運料道路、施工機械條件下，通過高效的數字化、實時化以及精細化的智能管理，實現工程建設的施工高效與質量可控。在經濟、安全、可靠的要求下實現大壩的填筑施工。

圖1 土石方填筑施工流程圖Figure 1 Construction flow chart of earthwork filling

1.2 土石方填筑主要控制重點

土石方填料的物理特性對其在碾壓之后的壓實特性有著很大的影響，對于細粒料來說，土石方填料的含水率是影響其壓實特性的最主要的指標；而對于粗粒料來說，土石方填料的顆粒分布范圍，也就是土石方填料的級配曲線是否在設計的顆粒分析級配包線內，是影響其壓實特性的最重要控制指標。另外，在土石方填料進場之前，可以根據土石方填料的含水率狀態進行土石方填料加水，加水量需要根據運輸車所運輸的土石方填料重量、土石方填料需要控制的含水率以及土石方填料進場之前含水率狀態進行設定。在土石方填料碾壓施工之前，土石方填料質量是否滿足設計要求，這是重要的填筑施工管理前提。

土石方填料合格之后，需要按照設計的標準進行土石方填料的攤鋪，在攤鋪過程中，最重要的攤鋪控制指標是攤鋪厚度。對于不同的土石方填料，控制的攤鋪厚度是不同的，而不同的土石方填料在攤鋪的時候的控制攤鋪厚度是通過碾壓試驗確定的，保證針對不同的土石方填料在最小的壓實機械功作用下土石方填料得到最大的壓實程度。

在碾壓施工過程中，最重要的控制指標是碾壓機械的碾壓遍數、振動頻率以及碾壓速度，通過這三個機械施工的控制指標的實時監控，可以保證碾壓機械能夠按照試驗選定的施工參數進行。

另外在土石方填料碾壓施工過程中需要重點關注的是，不同土石方填料分區之間、不同土石方填料層位之間以及壩體與岸坡之間的結合部位的施工過程的監控與施工質量的監測，這幾個部分是大壩壩體中相對較為薄弱的環節，這幾個部位的質量控制不好，可能會引發較為嚴重的后果。

2 基于BIM的施工過程監控系統

主要結合水利水電工程中土石壩的建設施工管理需求，依據大壩填筑施工過程現場管理模式以及大壩填筑質量檢測相關規定，利用高精度衛星導航技術、物聯網、大數據、云計算等技術，建立了大壩填筑實時智能化監控系統。該系統拓撲圖如下圖2所示：

圖2 大壩填筑施工過程實時智能化監控系統拓撲圖Figure 2 Topology of the real-time intelligent monitoring system during dam filling

從圖2可以看出，在大壩填筑施工過程中，經過動態的數值差分處理，施工機械實時運行坐標以及相關施工參數可以按照標準化的格式實時進入到設置的云或本地服務器中，工程施工中的各級不同的用戶通過WEB端，可以實時訪問系統，并且根據相關工程設定的內容進行管理職責不同，進行工程管理過程中的倉位設置、現場開倉確定、數據采集與分析、質量分析以及施工機械管理等工作，通過系統的應用，可以有效提高水利工程建設現場的協同管理水平。

大壩填筑施工過程實時智能化監控系統的主要結構圖如圖3所示。系統主要架構包括三個部分，硬件部分、軟件部分以及數據傳輸與交互部分。硬件部分，主要包括安裝在大壩填筑施工機械上的高精度定位接收機、工業平板電腦、壓實度傳感器等硬件設備。軟件系統，主要是實現大壩填筑施工數據實時展示與分析的軟件系統，供現場以及后方的工程建設管理人員使用，為大壩施工現場管理與快速調度提供了重要的管理手段。數據交互系統，為保證施工數據的實時傳輸與展示，利用自建網絡系統或GPRS商用網絡系統進行數據傳輸。另外，建立了以電臺進行數據傳輸與校核的RTK差分網絡系統，保證大壩填筑施工過程數據的精度。

圖3 大壩填筑施工過程智能化監控系統組成示意圖（a）監控硬件；（b）數據交互系統；（c）數據分析系統Figure 3 Composition of the intelligent monitoring system in the dam filling process

圖4是某工程大壩的標準剖面圖，結合水利工程的項目劃分內容，大壩作為一個單位工程，按照大壩不同填料進行劃分分部工程，壩體結構從上游到下游主要分為：混凝土面板、墊層料區、過渡料區、砂礫石主堆料區、爆破料次堆料區，另外在壩下還有水平排水條帶。

圖4 某大壩的標準剖面設計圖Figure 4 Section design drawing of a dam

根據大壩剖面設計，構架了大壩壩體的BIM模型，模型中對壩體每一個分部工程都進行了單獨的劃分顯示，如圖5所示。這個模型為大壩施工過程中不同分部工程中單元工程的實時生成與質量控制提供了重要的基礎。

圖5 某大壩的三維BIM模型結構示意圖Figure 5 Structure diagram of 3D BIM model of the dam

結合大壩填筑施工工藝及現場管理流程，將BIM模型的分解與實際施工過程結合起來，完整真實地反應大壩填筑施工過程。下面對該系統中目前主要模塊以及主要實現功能能夠滿足大壩填筑碾壓過程中的主要功能模塊進行介紹。

2.1 工程基本信息整理與展示

根據工程建設中對大壩所進行的不同施工單元的劃分與確定，這樣就可以利用這些基本信息對大壩施工過程中采集到的相關數據進行不同區域與施工部位的整理與分析，為數據管理與質量檢測分析提供了最重要的基礎信息。同時可將大壩三維圖形在線顯示，如圖6所示。

圖6 大壩填筑碾壓施工過程實時智能化監控系統中的大壩三維圖形Figure 6 Three-dimensional graph of the dam in the real-time intelligent monitoring system during the dam rolling process

利用該模塊，可以將大壩單元工程劃分與實際工程中大壩填筑施工過程結合起來，實現大壩填筑碾壓施工過程的實時智能化控制，為每一層壩料攤鋪，也就是每一個單元工程的質量回溯管理提供重要的信息。

2.2 施工過程實時監控分析模塊

該模塊中，可結合能夠自動生成的不同高程壩面平切圖，并在該平切圖上顯示實時施工過程信息，以便管理方對施工過程進行控制與實時調度。圖7中可以實時顯示碾壓機械的碾壓遍數、碾壓速度、機械振動頻率以及實時坐標等信息，實時坐標為大壩施工坐標，為工程的施工管理提供精準的位置信息。

圖7 實時智能化監控系統中碾壓機械的信息Figure 7 Information of rolling machinery in the real-time intelligent monitoring system

利用該模塊，可以實現對大壩碾壓施工過程中施工信息進行實時監控。其中該界面右側上方的白框內所標示的是大壩碾壓施工過程控制參數，實際工程中可按照該參數對施工機械的碾壓狀態進行控制。

同時該模塊中還設置了添加歷史數據的功能，可以按照某時間節點以后的某幾臺車的施工信息添加進來，也可以按照某個制定區域進行歷史數據的添加，有利于管理人員對現場的管理工作。

圖8 實時智能化監控系統中的大壩碾壓數據的剖面分析Figure 8 Profile analysis of dam rolling data in the real-time intelligent monitoring system

2.3 大壩碾壓施工質量分析功能

對已經碾壓結束的區域，大壩碾壓施工質量檢測工作可以通過施工質量分析模塊進行。可以按照施工倉位（單元）、一定時間內某幾臺碾壓機械以及某一個具體樁號范圍內采集到的壩體填筑數據進行綜合分析，并且可以實現某一個施工范圍內的施工過程的重演。根據分析結果，可為工程質量檢測提供坑位參考，保證大壩施工質量控制。

另外，為了更形象分析不同剖面中碾壓層厚及不同層之間的結合情況，系統還開發任意的沿著壩軸線或者垂直壩軸線的碾壓數據剖面分析功能，以便全方位地了解大壩整體碾壓施工過程及數據，如圖8所示。

2.4 施工報表生成功能

在實際工程中，每個部位施工區域完成之后，可由系統自動生成該施工區域的施工報表，可作為施工質量評價的重要附件，為大壩工程施工質量檢驗與評價提供重要參考。

3 結束語

在土石方填筑工程中，設計階段與施工階段的BIM模型交互與共享還存在一些問題，參考鐵路交通、工民建等領域的BIM交付與審核，提出了土石方工程的設計BIM模型的交付標準與施工單位對其的審核校驗的內容，有利于BIM模型真正能夠在設計、施工兩個階段內實現無縫交互。

基于BIM技術，利用高精度衛星定位技術，實時動態差分技術，無線數據傳輸技術，大數據技術，以及圖形分析技術等，實現了大壩填筑碾壓施工過程的在線、實時監控，并通過便攜式的數據終端，可以實時對現場施工進行實時調度與調整，為現場施工和監理提供了有效的管理控制平臺，保證大壩碾壓施工質量。并且在實時監控系統上形成了流程化的施工管理模式，切實提高了大壩填筑施工工效。所建立的土石方填筑施工過程實時智能化監控系統，能夠有效地提高工程施工過程管理的智能化管理水平、提高施工效率，保證施工質量。

大壩填筑碾壓施工監控系統在某水利工程大壩填筑施工管理中實施以來，對大壩填筑碾壓施工過程進行全過程、全天候、實時、在線監控，克服了常規質量控制手段受人為因素干擾大、管理粗放等弊端，有效地保證和提高了大壩填筑施工質量。