劉厚強(qiáng)，王 垚，王萬齊

（1. 中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031；2. 中鐵天寶數(shù)字工程有限責(zé)任公司，四川 成都 610031；3. 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，北京 100081）

1 背景介紹

隨著信息化技術(shù)變革的不斷深入，現(xiàn)代社會發(fā)展對工程建設(shè)全過程提出了更高要求，也為BIM技術(shù)在工程建設(shè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供了條件[1]。2013年12月鐵路BIM聯(lián)盟正式成立，旨在共同推進(jìn)我國鐵路BIM技術(shù)研究和應(yīng)用，為鐵路BIM技術(shù)研究和應(yīng)用提供組織支撐。

鐵路行業(yè)與建筑行業(yè)相比，具有專業(yè)多、施工工序繁雜等特點(diǎn)。隨著BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)階段的日益推廣研究，投入設(shè)計(jì)模型研究的人力越來越大，模型中的信息越來越多，模型也越來越復(fù)雜[2-4]。同時，隨著設(shè)計(jì)模型的完善，在施工過程中怎么利用設(shè)計(jì)模型或施工模型對設(shè)計(jì)模型的需求研究就迫在眉睫[5-6]。施工模型的建立，首先需要確定各項(xiàng)施工項(xiàng)目基于BIM技術(shù)的關(guān)鍵施工工藝，所以基于BIM技術(shù)開展各專業(yè)各項(xiàng)工程關(guān)鍵技術(shù)的研究，用以探索BIM信息在勘察設(shè)計(jì)、建設(shè)管理和運(yùn)營維護(hù)階段的無損、高效傳遞，意義深遠(yuǎn)[7]。

麗香鐵路路基BIM試點(diǎn)項(xiàng)目作為中國鐵路總公司16個試點(diǎn)項(xiàng)目之一，除了驗(yàn)證鐵路BIM聯(lián)盟發(fā)布的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)和基于BIM技術(shù)的文件編制辦法外，主要進(jìn)行路基數(shù)字化工地的研究，打通BIM技術(shù)在路基設(shè)計(jì)和施工階段的應(yīng)用。項(xiàng)目于2016年3月入場，于2016年11月底結(jié)束，現(xiàn)場歷時9個多月，積累了大量原始數(shù)據(jù)，取得了豐富的數(shù)字化工地分析資料。

2 項(xiàng)目概況

新建麗香鐵路為單線電氣化Ⅰ級客貨共線鐵路（設(shè)計(jì)時速160 km），起于麗江站，向北跨越金沙江，經(jīng)小中甸后止于香格里拉站。本次試點(diǎn)工程所在地屬青藏高原東南緣，橫斷山脈中段，地面高程3 305～3 355 m，地表多為草原、旱地，214國道于線路左側(cè)60 m左右平行線路而行，交通方便。

本試點(diǎn)路基段位于麗香鐵路居都谷車站附近，施工圖設(shè)計(jì)里程DK128+000—DK135+159.57，線路總長7 159.57 m，路堤長6 489.57 m、路塹長670.00 m。主要路基工程有挖方71萬方，填方60萬方，預(yù)制方樁17.3萬延米，水泥攪拌樁6.3萬延米，多向水泥攪拌樁26.7萬延米。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

本項(xiàng)目數(shù)字化工地主要研究該工地?cái)?shù)字化場地建設(shè)、分層填筑模型應(yīng)用、連續(xù)壓實(shí)工藝分析、路塹邊坡坡率控制和復(fù)合地基施工中模型的深化應(yīng)用等。

3.1 數(shù)字化場地建設(shè)

場地的信息傳遞方法是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化場地的關(guān)鍵。施工過程中，各種施工機(jī)械在運(yùn)動中產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對工程的質(zhì)量、安全、進(jìn)度等方面起決定性作用[8-9]。如何準(zhǔn)確、及時采集這些數(shù)據(jù)，即時分析反饋到施工機(jī)械上，并引導(dǎo)機(jī)械下一步正確操作，至關(guān)重要。

本次試點(diǎn)，通過在現(xiàn)場設(shè)置無線網(wǎng)絡(luò)基站，配合多種通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)對施工場地的全覆蓋。主要通信技術(shù)包括4種：

（1）使用電臺網(wǎng)絡(luò)將基站定位差分信號傳輸給現(xiàn)場施工機(jī)械及數(shù)字化測量系統(tǒng)；

（2）使用移動GSM網(wǎng)絡(luò)將生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)器；

（3）使用Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，在現(xiàn)場將生產(chǎn)機(jī)械互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)BIM技術(shù)及生產(chǎn)報(bào)表的現(xiàn)場應(yīng)用；

（4）使用光纖專線接入，遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)控現(xiàn)場情況。

現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)分布及數(shù)據(jù)傳輸示意見圖1。

圖1 現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)分布及數(shù)據(jù)傳輸示意圖

圖2 分層填筑模型

圖3 分層開挖模型

圖4 數(shù)字化分層施工設(shè)計(jì)

圖5 數(shù)字化分層施工結(jié)果

3.2 分層填筑模型應(yīng)用

分層填筑模型（見圖2）與分層開發(fā)模型（見圖3）是在設(shè)計(jì)BIM模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)施工現(xiàn)場情況而建立。分層填筑模型用于控制填筑質(zhì)量和存儲施工過程數(shù)據(jù)，基于此模型，附加推土機(jī)、平地機(jī)、碾壓機(jī)等機(jī)械的走位及相關(guān)資料（見圖4、圖5），可實(shí)時顯示這些機(jī)械的走位軌跡及填筑時間，真實(shí)反映出實(shí)際施工的分層情況，施工中出現(xiàn)的超厚分層及非均勻分層可以一目了然，可將這些數(shù)據(jù)存檔，便于后期（沉降評估等）查詢，提高壓實(shí)質(zhì)量。

實(shí)際施工過程中，要達(dá)到最佳密實(shí)度，分層厚度的確定至關(guān)重要。分層厚度隨著填料、施工環(huán)境和施工工法的變化而變化，模型分層厚度原則上通過現(xiàn)場施工前的填筑試驗(yàn)段確定。在施工規(guī)程中，填筑的參考厚度不大于0.3 m，由于實(shí)際施工中誤差不可避免，填筑的實(shí)際分層厚度與BIM模型的分層厚度必然存在差異，要解決這個問題，只有根據(jù)實(shí)際施工過程動態(tài)調(diào)整施工分層模型，但這會導(dǎo)致出現(xiàn)各分層厚度不均勻的情況。同時，這也不能解決實(shí)際施工中的分層面凹凸不平的現(xiàn)象，機(jī)械走位軌跡曲線擬合曲面可真實(shí)反映這一情況。

3.3 連續(xù)壓實(shí)工藝分析

傳統(tǒng)路基壓實(shí)質(zhì)量檢測主要采用“點(diǎn)式”抽樣檢測，存在無法實(shí)現(xiàn)過程控制、難以界定合格區(qū)域與不合格范圍、不能反映整體區(qū)域特性、檢測點(diǎn)不一定具有代表性及無法實(shí)現(xiàn)信息化和數(shù)字化等缺點(diǎn)，連續(xù)壓實(shí)檢測與控制技術(shù)是基于上述不足而形成的一種新的壓實(shí)質(zhì)量檢測與控制技術(shù)。

連續(xù)壓實(shí)檢測與控制技術(shù)通過測量振動壓路機(jī)振動輪振動信號，綜合利用動力學(xué)分析、信號處理和信息融合技術(shù)，全面考慮各種影響因素，分析計(jì)算能夠全面反映路基壓實(shí)質(zhì)量的振動壓實(shí)值，集成嵌入式技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及北斗定位技術(shù)，形成連續(xù)壓實(shí)監(jiān)測設(shè)備。在連續(xù)壓實(shí)過程中，可通過車載連續(xù)監(jiān)測設(shè)備LCD大屏幕實(shí)時了解路基壓實(shí)質(zhì)量情況，如反映壓實(shí)質(zhì)量的振動壓實(shí)值、精確的空間坐標(biāo)、高程、碾壓遍數(shù)、碾壓區(qū)域、碾壓時間及振動壓路機(jī)的工藝參數(shù)（行駛速度、振幅、工作頻率等），并基于上述信息實(shí)現(xiàn)路基壓實(shí)程度控制、壓實(shí)均勻性控制、壓實(shí)穩(wěn)定性控制及壓實(shí)工藝參數(shù)的監(jiān)控，還可優(yōu)化施工過程，避免造成過壓和欠壓，進(jìn)而提高施工效率，節(jié)約成本。數(shù)字化施工與傳統(tǒng)施工特點(diǎn)比較見表1。

本次應(yīng)用研究依據(jù)Q/CR 9210—2015《鐵路路基填筑工程連續(xù)壓實(shí)控制技術(shù)規(guī)程》，并充分考慮具體情況，設(shè)定分級合理的目標(biāo)，具體如下：

（1）與傳統(tǒng)檢測方法相結(jié)合，為傳統(tǒng)方法提供決策輔助；

（2）實(shí)時顯示壓實(shí)質(zhì)量信息，如振動壓實(shí)值、精確的空間坐標(biāo)、高程、碾壓遍數(shù)、碾壓區(qū)域、碾壓時間及振動壓路機(jī)工藝參數(shù)（行駛速度、振幅、工作頻率等）；

（3）指示薄弱區(qū)域的空間及時間信息；

（4）優(yōu)化測點(diǎn)的選擇，如選擇在薄弱區(qū)域設(shè)置或減少測點(diǎn)；

（5）現(xiàn)場實(shí)時指示壓實(shí)質(zhì)量，輔助機(jī)手自檢；

表1 數(shù)字化施工與傳統(tǒng)施工特點(diǎn)比較

（6）確認(rèn)連續(xù)壓實(shí)施工工藝，進(jìn)行多個循環(huán)的工藝驗(yàn)證。

數(shù)字化施工分層碾壓連續(xù)壓實(shí)結(jié)果見圖6。

圖6 數(shù)字化施工分層碾壓連續(xù)壓實(shí)結(jié)果

圖7 數(shù)字化施工分階梯施工設(shè)計(jì)

3.4 路塹邊坡坡率控制

本項(xiàng)研究的主要目的是通過現(xiàn)場無線網(wǎng)絡(luò)、施工機(jī)械上的空間定位系統(tǒng)，實(shí)時反饋開挖過程中的坡面幾何變化，并不斷與現(xiàn)場校驗(yàn)的施工模型（見圖7）進(jìn)行比較，動態(tài)引導(dǎo)機(jī)械操作人員的下一步操作，消除了傳統(tǒng)施工中邊施工邊放樣測量的交叉過程（有安全隱患），避免邊坡的超挖或欠挖現(xiàn)象出現(xiàn)（見圖8），既保證了施工質(zhì)量（薄弱區(qū)域數(shù)字化顯示見圖9），又排除了安全隱患，也加快了施工進(jìn)度。

項(xiàng)目關(guān)鍵技術(shù)：收集安裝在挖斗上的空間定位傳感設(shè)備，分析挖斗的空間運(yùn)行軌跡，再實(shí)時擬合成坡面。每個挖斗的空間定位可采用多個數(shù)據(jù)傳感器精確定位。與傳統(tǒng)施工工藝比較，機(jī)械的走位應(yīng)強(qiáng)調(diào)路塹挖方采用橫向臺階分層開挖，深挖路塹采用“橫向分層、縱向分段，階梯掘進(jìn)”的方式施工；合理安排運(yùn)土通道與掘進(jìn)工作面的位置及施工次序，做到運(yùn)土、排水、挖掘、防護(hù)互不干擾，確保開挖順利進(jìn)行。

與傳統(tǒng)施工流程的比較見圖10。

圖8 數(shù)字化施工現(xiàn)場邊坡施工結(jié)果

圖9 薄弱區(qū)域數(shù)字化顯示結(jié)果

圖10 數(shù)字化施工流程與傳統(tǒng)施工流程的比較

3.5 復(fù)合地基施工模型的深化應(yīng)用

復(fù)合地基模型應(yīng)用研究主要是將數(shù)字化、信息化技術(shù)手段和BIM模型結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對復(fù)合地基施工的全過程控制及質(zhì)量監(jiān)管，實(shí)現(xiàn)“隱蔽工程”的過程透明、真實(shí)，質(zhì)量成果的可靠、可視化，以及施工過程可追溯等。

復(fù)合地基施工模型為預(yù)制方樁及水泥攪拌樁，模型數(shù)據(jù)主要由兩部分組成：處理范圍數(shù)據(jù)和樁位數(shù)據(jù)。處理范圍數(shù)據(jù)為地基處理范圍體的上、下頂面及側(cè)面坐標(biāo)數(shù)據(jù)，樁位數(shù)據(jù)為具體各樁位的樁頂三維坐標(biāo)和樁底高程坐標(biāo)，可輸出為文本格式。復(fù)合地基施工模型見圖11。

試點(diǎn)項(xiàng)目研究從BIM模型中將樁基設(shè)計(jì)模型直接導(dǎo)入施工機(jī)械的方法，用以實(shí)現(xiàn)“設(shè)計(jì)指導(dǎo)施工”的無縫對接；研究樁基施工過程的全面記錄、控制及可視化追溯的應(yīng)用；研究樁基關(guān)鍵質(zhì)量參數(shù)的量化控制，包括成樁位置、成樁深度、成樁時間、樁傾斜度、留振時間、每次拔管高度、反插次數(shù)、反插深度、電機(jī)電流值、持力層控制、填料量、充盈系數(shù)、混凝土噴射流量及速度等。

圖11 復(fù)合地基施工模型

4 路基數(shù)字化工地應(yīng)用前景

試點(diǎn)項(xiàng)目的實(shí)踐表明，路基數(shù)字化工地可將信息化技術(shù)方法與BIM模型結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對所有關(guān)鍵工程的全過程控制及質(zhì)量監(jiān)管，尤其對復(fù)合地基處理等“隱蔽工程”，施工過程可追溯。同時，大大提高質(zhì)量成果，實(shí)現(xiàn)施工過程及成果資料的可視化。

困擾當(dāng)前高鐵路基建設(shè)的兩大難題是路基的剛度及沉降問題。剛度大小及均勻性反映路基的變形大小及線路的平順；沉降主要在于控制復(fù)合地基處理質(zhì)量和填方體的壓實(shí)質(zhì)量。這兩大難題的關(guān)鍵在于施工過程控制。研究表明，數(shù)字化工地是解決這兩大難題的最佳方案，代表未來的發(fā)展方向，具有重要的推廣應(yīng)用價(jià)值。

5 結(jié)束語

應(yīng)用研究表明，數(shù)字化工地必然成為未來施工的發(fā)展方向。目前，BIM模型理論上應(yīng)集成項(xiàng)目各階段產(chǎn)生的各種相關(guān)信息，包含設(shè)計(jì)幾何與非幾何信息、工程進(jìn)度安排、施工安全、施工過程數(shù)據(jù)及質(zhì)量管理等信息。但在實(shí)際項(xiàng)目設(shè)計(jì)和施工過程中，各種信息往往相互之間存在差異。在工程項(xiàng)目操作中，各環(huán)節(jié)節(jié)點(diǎn)的具體管理人員無法全面把控工程信息，此情況下要實(shí)現(xiàn)BIM效益最大化，需要統(tǒng)一的協(xié)同工作平臺。當(dāng)前階段，工程項(xiàng)目各階段信息模型是基于各方私有服務(wù)器開展工作的，這些信息需及時上傳到該項(xiàng)目的協(xié)同工作平臺，實(shí)現(xiàn)各方信息的及時共享，工程項(xiàng)目的各方參與者才能全面掌握項(xiàng)目運(yùn)轉(zhuǎn)的實(shí)際情況，及時調(diào)整各自計(jì)劃安排，使各自的參與效率更高。