公路工程機(jī)械數(shù)字化施工系統(tǒng)應(yīng)用

摘要：公路施工質(zhì)量由于數(shù)字化施工方式的應(yīng)用而顯著提高，施工成果資料富有可視化的特性，參考價(jià)值極大。在概述數(shù)字化施工主要技術(shù)基礎(chǔ)上，通過某公路工程數(shù)字化建設(shè)，詳細(xì)分析路基工程機(jī)械數(shù)字化施工中的關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)數(shù)字化工地的應(yīng)用前景進(jìn)行展望，以保障公路工程施工質(zhì)量，提升施工管理水平，促進(jìn)公路工程的可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：公路工程；機(jī)械產(chǎn)品；數(shù)字化施工

1" "公路工程數(shù)字化施工概述

數(shù)字化技術(shù)的關(guān)鍵思路在于通過數(shù)字、數(shù)據(jù)的形式進(jìn)行輸出，構(gòu)建數(shù)字模型，再轉(zhuǎn)化為數(shù)字代碼以便錄入，然后電腦針對(duì)數(shù)據(jù)處理結(jié)果做高效的管理。數(shù)字化施工技術(shù)的核心在于數(shù)字化技術(shù)，在技術(shù)支持下構(gòu)建一套完善的數(shù)據(jù)中心，以此來強(qiáng)化施工機(jī)械控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)信息采集系統(tǒng)的信息溝通，增強(qiáng)傳統(tǒng)施工機(jī)械與數(shù)字化技術(shù)的融合效果，為工程施工助力。

在數(shù)字化技術(shù)融合傳統(tǒng)施工機(jī)械的思路下，采用到互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建立數(shù)據(jù)開源的信息環(huán)境，打破了時(shí)間與空間的限制，消除了傳統(tǒng)方式下的“信息孤島”問題，更加有效地滿足實(shí)時(shí)監(jiān)督及精確施工的要求。其能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工期間存在的問題，盡快處理，從源頭上保證工程質(zhì)量，降低了返工方面的成本。在路基的數(shù)字化施工環(huán)節(jié)，施工系統(tǒng)完善存儲(chǔ)施工數(shù)據(jù)，驗(yàn)收階段可追溯工程數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)據(jù)可準(zhǔn)確地判斷工程施工質(zhì)量。

2" "公路數(shù)字化施工的主要技術(shù)

道路數(shù)字化施工中，融合應(yīng)用多項(xiàng)技術(shù)，獲取更加全面的施工信息，發(fā)揮信息的參考價(jià)值，為工程質(zhì)量保駕護(hù)航。

2.1nbsp; " 全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GNSS

GNSS可在地球表面或近地空間各處提供信息，滿足用戶對(duì)三維坐標(biāo)、速度及時(shí)間信息的全天候需求。GNSS的核心組成包含衛(wèi)星群、地面控制和用戶，基本的運(yùn)行機(jī)制如下：

衛(wèi)星群集多顆衛(wèi)星于一體，建成相對(duì)完善的星座系統(tǒng)，負(fù)責(zé)將位置、時(shí)間信號(hào)信息傳輸至地面；地面控制接收信息后，判斷衛(wèi)星群的運(yùn)行狀態(tài)，視實(shí)際情況對(duì)衛(wèi)星軌道做矯正處理；用戶屬于終端，源于衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)由接收器接收，在獲取信號(hào)后加以處理，確定特定位置的具體信息。現(xiàn)階段，美國全球定位系統(tǒng)（GPS）、我國北斗定位系統(tǒng)等均是頗具代表性的全球衛(wèi)星導(dǎo)航和定位系統(tǒng)。

2.2" " GIS技術(shù)

GIS技術(shù)描述地理概念模型、空間分布模式以及空間關(guān)系，提供更加直觀化的信息，可幫助用戶加強(qiáng)對(duì)地理空間的認(rèn)識(shí)。GIS技術(shù)應(yīng)用過程中的操作流程包含圖形化處理、三維空間分析等，各項(xiàng)流程的有序推進(jìn)，可以給數(shù)字化施工項(xiàng)目的管理提供支持。

2.3" " 物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)是結(jié)合射頻識(shí)別設(shè)備、智能傳感器等硬件設(shè)施與互聯(lián)網(wǎng)的綜合巨型網(wǎng)絡(luò)，在公路工程機(jī)械數(shù)字化施工模式下，將挖掘機(jī)、攤鋪機(jī)、壓路機(jī)等設(shè)備統(tǒng)一連接至網(wǎng)絡(luò)中，系統(tǒng)可自動(dòng)執(zhí)行識(shí)別、定位、跟蹤等操作。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)契合了公路建設(shè)周期長(zhǎng)、施工條件復(fù)雜等特點(diǎn)，對(duì)公路工程機(jī)械施工進(jìn)程的高效推進(jìn)具有重要作用。

2.4" " BIM 技術(shù)

BIM即建筑信息模型，是現(xiàn)代化公路施工建設(shè)中的重

參考文獻(xiàn)：

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的應(yīng)用研究[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2021（4）：21-22.

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設(shè)計(jì)及施工數(shù)字化應(yīng)用[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2022（4）：355-356.

要工具，構(gòu)建工程信息模型后，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)解釋，提高模型的可視化水平。BIM技術(shù)除了在設(shè)計(jì)階段取得良好應(yīng)用效果外，還可為工程的進(jìn)度管理和質(zhì)量管理提供輔助。得益于BIM技術(shù)信息整合能力強(qiáng)、組織協(xié)調(diào)效率高等優(yōu)勢(shì)，有力推進(jìn)工程的數(shù)字化施工進(jìn)程。現(xiàn)階段，BIM技術(shù)正逐步從三維向多維邁進(jìn)，公路工程中更為普遍地應(yīng)用到“技術(shù)應(yīng)用+數(shù)據(jù)分析+協(xié)作管理”的模式，工程各項(xiàng)施工活動(dòng)可有效地落實(shí)到位。

3" "工程概況

某公路工程設(shè)計(jì)里程DKl28+000～DKl35+159.57，全長(zhǎng)7159.57m，路堤長(zhǎng)6489.57m、路塹長(zhǎng)670.00m。公路路基施工階段，挖方71萬m3，填方60萬m3，水泥攪拌樁、多向水泥攪拌樁分別為6.3萬延米、26.7萬延米，預(yù)制方樁17.3萬延米。

4" "公路工程的數(shù)字化施工的應(yīng)用

4.1" " 北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)

北斗衛(wèi)星定位連續(xù)運(yùn)行參考站，系統(tǒng)高效且精準(zhǔn)地獲取空間數(shù)據(jù)和地理特征，作為一種動(dòng)態(tài)化的空間數(shù)據(jù)參考框架，其能夠滿足信息化管理與數(shù)字化建設(shè)的要求。為了給工程施工提供支持，在沿線建設(shè)7座連續(xù)運(yùn)行參考站，綜合多站的信息建立誤差修正模型，修正用戶的觀測(cè)值誤差，提高對(duì)移動(dòng)用戶的定位精度，滿足全線各標(biāo)段的施工要求。北斗衛(wèi)星定位連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在如下幾方面：

提供24h不間斷的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)，在顯著提高測(cè)量精度的同時(shí)降低在測(cè)量方面的成本投入，具有提質(zhì)增效的效果。為項(xiàng)目的測(cè)量提供統(tǒng)一的基準(zhǔn)，其中應(yīng)用效果尤為突出的是依托多基站組網(wǎng)解算。其原因在于可解決不同標(biāo)段的坐標(biāo)差異問題，更有利于提高現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量。

提供遠(yuǎn)程INTERNET服務(wù)，數(shù)據(jù)高度共享。數(shù)據(jù)中心管理登錄用戶，杜絕任何未經(jīng)許可的訪客進(jìn)入，保證數(shù)據(jù)的安全性。具備連續(xù)觀測(cè)、點(diǎn)位精度高等特點(diǎn)。通過CORS系統(tǒng)的應(yīng)用，對(duì)工程構(gòu)筑物做全面的變形監(jiān)測(cè)。提供高精度基礎(chǔ)定位數(shù)據(jù)服務(wù)，為自動(dòng)化和數(shù)字化施工目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)創(chuàng)設(shè)更多可能，從而在數(shù)據(jù)服務(wù)的方式下強(qiáng)化對(duì)質(zhì)量、安全、進(jìn)度的全方位管理[1]。

4.2" " 數(shù)字化場(chǎng)地建設(shè)

公路工程數(shù)字化場(chǎng)地的建設(shè)，需建立在妥善應(yīng)用場(chǎng)地信息傳遞方法的前提下，公路施工中，攤鋪機(jī)、壓路機(jī)等各類機(jī)械設(shè)備運(yùn)行過程中產(chǎn)生豐富的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的參考價(jià)值高，在保證安全、提高質(zhì)量、加快進(jìn)度等方面均有突出作用。如何精準(zhǔn)采集數(shù)據(jù)尤為關(guān)鍵，

在本工程中，于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置無線網(wǎng)絡(luò)基站，在施工場(chǎng)地全范圍內(nèi)采取如下4項(xiàng)通信技術(shù)：基站定位差分信號(hào)利用電臺(tái)網(wǎng)絡(luò)傳輸給測(cè)量系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械。施工期間的數(shù)據(jù)利用移動(dòng)GSM網(wǎng)絡(luò)傳輸給遠(yuǎn)程服務(wù)器。通過Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的建立，實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)機(jī)械的互聯(lián)，并有效發(fā)揮生產(chǎn)報(bào)表的應(yīng)用價(jià)值。接入光纖專線，針對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)做全方位、實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控。線網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)分布及數(shù)據(jù)傳輸如圖1所示。

4.3" " 分層填筑模型的應(yīng)用

以BIM模型為基礎(chǔ)，結(jié)合公路工程施工狀況建立分層填筑模型，用于控制施工期間的數(shù)據(jù)并完成存儲(chǔ)。結(jié)合平地機(jī)、推土機(jī)等機(jī)械的運(yùn)行數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)機(jī)械的走位軌跡，向管理人員準(zhǔn)確反映施工分層狀況。若存在超厚分層，其可及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理。分層填筑過程中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)均被完整存檔，后續(xù)在沉降評(píng)估或其他環(huán)節(jié)施工中可根據(jù)需求及時(shí)查詢。

最佳密實(shí)度和分層厚度是公路填筑的重要指標(biāo)。在施工規(guī)程中，要根據(jù)填料的性質(zhì)、現(xiàn)場(chǎng)施工條件等，合理控制各層的厚度。填筑參考厚度一般不超過0.3m，但現(xiàn)場(chǎng)施工的干擾因素多，實(shí)際分層厚度難以與BIM模型的分層厚度保持一致。為減小分層厚度的偏差，立足于工程施工現(xiàn)狀，對(duì)施工分層模型做動(dòng)態(tài)調(diào)整。逐層調(diào)節(jié)的方式下易引發(fā)各分層厚度不均問題，工程人員應(yīng)給予高度的重視[2]。

4.4" " 連續(xù)壓實(shí)工藝

4.4.1" "應(yīng)用原理

傳統(tǒng)路基質(zhì)量檢驗(yàn)采用“點(diǎn)式”抽樣檢測(cè)的方法，存在合格區(qū)域的界定不準(zhǔn)確、檢測(cè)過程控制難度高、檢測(cè)結(jié)果的代表性不足等缺陷。連續(xù)壓實(shí)檢測(cè)與控制技術(shù)突破了傳統(tǒng)檢測(cè)方式的束縛，測(cè)量振動(dòng)壓路機(jī)振動(dòng)輪的振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)處理、信息融合、動(dòng)力學(xué)分析后，計(jì)算振動(dòng)壓實(shí)值，用于反映路基的壓實(shí)質(zhì)量。

在連續(xù)壓實(shí)期間，振動(dòng)壓實(shí)度、高程、碾壓遍數(shù)、碾壓時(shí)間等各項(xiàng)參數(shù)，可經(jīng)由車載連續(xù)監(jiān)測(cè)設(shè)備LCD屏幕進(jìn)行顯示，數(shù)據(jù)直觀呈現(xiàn)路基壓實(shí)質(zhì)量。工程人員在明確壓實(shí)施工現(xiàn)狀后，可采取路基壓實(shí)度控制、均勻性控制等措施，對(duì)壓實(shí)工藝參數(shù)予以優(yōu)化。然后根據(jù)調(diào)整后的壓實(shí)方案，有序推進(jìn)壓實(shí)作業(yè)進(jìn)程，以免出現(xiàn)過壓、欠壓現(xiàn)象。壓實(shí)作業(yè)的有效開展既能夠保證壓實(shí)效果，又可降低壓實(shí)成本，綜合應(yīng)用效果顯著。

4.4.2" "可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)

本次研究中，通過技術(shù)策略實(shí)現(xiàn)如下目標(biāo)：

結(jié)合傳統(tǒng)檢測(cè)方法，提供決策輔助，使傳統(tǒng)方法在本工程中有較高的可行性。實(shí)時(shí)顯示公路壓實(shí)期間的各項(xiàng)參數(shù)，包含振動(dòng)壓實(shí)值、高程、碾壓作業(yè)范圍、碾壓遍數(shù)、碾壓時(shí)間、壓路機(jī)運(yùn)行參數(shù)等。各項(xiàng)數(shù)據(jù)必須全面且準(zhǔn)確，用于反映真實(shí)的壓實(shí)施工狀況，為壓實(shí)施工方式的優(yōu)化提供參考。

及時(shí)發(fā)現(xiàn)薄弱區(qū)域，并顯示對(duì)應(yīng)的空間信息和時(shí)間信息。精準(zhǔn)鎖定薄弱區(qū)域后，采取質(zhì)量加強(qiáng)措施，使薄弱部位恢復(fù)平整、堅(jiān)實(shí)、穩(wěn)定的狀態(tài)。優(yōu)化測(cè)點(diǎn)的布設(shè)方式，保證測(cè)點(diǎn)具有代表性，經(jīng)過測(cè)量后獲得可反映實(shí)際狀況的數(shù)據(jù)。以薄弱區(qū)域?yàn)槔瑸榧皶r(shí)發(fā)現(xiàn)異常，可適當(dāng)增加測(cè)點(diǎn)，經(jīng)過及時(shí)測(cè)量后判斷實(shí)際狀況。

向施工人員動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)最新的壓實(shí)質(zhì)量數(shù)據(jù)，以便根據(jù)施工狀況采取調(diào)整措施，保證壓實(shí)的有效性。遵循連續(xù)壓實(shí)的作業(yè)原則，加強(qiáng)對(duì)各循環(huán)所用工藝的驗(yàn)證，評(píng)價(jià)是否具有可行性。

4.5" " 路塹邊坡坡率控制

妥善應(yīng)用空間定位系統(tǒng)，獲取開挖期間坡面幾何變化數(shù)據(jù)并予以反饋，通過現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)結(jié)果與校驗(yàn)的施工模型作對(duì)比分析，可為工程后續(xù)的施工決策提供參考。提高施工的主動(dòng)性，有利于減少以往邊坡施工過程中的安全隱患，保證邊坡開挖的精準(zhǔn)性，避免超挖或欠挖。此舉在保證施工安全和施工質(zhì)量的同時(shí)，還可提高效率。

路塹邊坡坡率控制關(guān)鍵技術(shù)包括：于挖斗上安裝空間定位傳感設(shè)備，收集各傳感裝置的信息，生成鏟斗的運(yùn)行軌跡，再擬合成坡面，直觀呈現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)情況。為提高各鏟斗空間定位的準(zhǔn)確性，采取多個(gè)數(shù)據(jù)傳感器協(xié)同運(yùn)行的方法。以“橫向分層、縱向分段，階梯掘進(jìn)”的方式，有序推進(jìn)施工進(jìn)程。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)開挖能力及時(shí)安排運(yùn)土和掘進(jìn)，協(xié)調(diào)施工，確保開挖、運(yùn)土、排水等環(huán)節(jié)不存在相互干擾的狀況。

4.6" " 復(fù)合地基施工模型的深化應(yīng)用

在BIM模型的基礎(chǔ)上聯(lián)合應(yīng)用數(shù)字化、信息化技術(shù)，全方位監(jiān)控復(fù)合地基的施工過程，確保任何一處隱蔽工程的施工信息均完整化和透明化。

復(fù)合地基施工模型的組成以預(yù)制方樁和水泥攪拌樁為主，涵蓋的數(shù)據(jù)包含兩部分：一是處理范圍數(shù)據(jù)，即地基處理范圍內(nèi)的側(cè)面及上、下頂面的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，可根據(jù)數(shù)據(jù)界定處理的具體區(qū)域。二是樁位數(shù)據(jù)，即樁底和樁頂坐標(biāo)，其常用于反饋樁的建設(shè)情況。

項(xiàng)目研究中，探討樁基設(shè)計(jì)模型對(duì)施工的指導(dǎo)作用，促進(jìn)各項(xiàng)工作有條不紊地開展，保證各道工序無縫對(duì)接。分析樁基質(zhì)量參數(shù)，確定參數(shù)的類型并采取量化控制措施，其涵蓋的成樁位置、成樁時(shí)間、成樁深度、反插次數(shù)、反插深度、充盈系數(shù)、填料量、混凝土噴射速度及流量等，必須科學(xué)合理[3]。

5" "結(jié)語

綜上所述，隨著我國當(dāng)前社會(huì)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，施工管理技術(shù)越來越多地趨向工業(yè)智能化，其中道路數(shù)字化施工是行業(yè)發(fā)展的一大重要趨勢(shì)。本文以公路工程數(shù)字化施工為研究對(duì)象，就數(shù)字化施工的主要應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行了分析，以保證公路項(xiàng)目的建設(shè)質(zhì)量，有效降低人力、機(jī)械設(shè)備以及材料的成本，實(shí)現(xiàn)公路建設(shè)企業(yè)社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益的共同提升。

公路施工質(zhì)量由于數(shù)字化施工方式的應(yīng)用而顯著提高，施工成果資料富有可視化的特性，參考價(jià)值極大。展望未來，數(shù)字化技術(shù)是公路技術(shù)發(fā)展中的重要方向，富有推廣價(jià)值。作為工程技術(shù)人員，一方面需要掌握現(xiàn)有的技術(shù)成果，另一方面持續(xù)推進(jìn)數(shù)字化技術(shù)的研究進(jìn)程，提高技術(shù)的應(yīng)用水平。

參考文獻(xiàn)：

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