王 洋

(河北省高速公路石黃管理處，河北 石家莊 050006)

0 引言

隨著國家道路十三五的規(guī)劃建設(shè)，公路及高速公路建設(shè)逐漸進(jìn)入新一輪高潮。數(shù)字化施工作為科技進(jìn)步的成果，很少應(yīng)用于高速公路道路建設(shè)中。研究數(shù)字化施工技術(shù)應(yīng)用問題，將大力提升道路建設(shè)施工進(jìn)度，降低施工成本，提升施工質(zhì)量。

關(guān)于平地機(jī)控制系統(tǒng)與數(shù)字化施工技術(shù)研究較多。付琴等人、馬錦姝、趙劍發(fā)、戴慧麗[1-4]就數(shù)字化施工技術(shù)發(fā)展進(jìn)行研究，并結(jié)合BIM三維建模技術(shù)進(jìn)行分析其應(yīng)用前景。董海榮、宋永剛等人[5，6]主要研究3D控制技術(shù)在機(jī)械工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，如何充分有效發(fā)揮3D控制技術(shù)已然成為機(jī)械工程設(shè)計(jì)中關(guān)鍵問題，給出各自的觀點(diǎn)。王萍紅、曹擎宇、楊青豐等人[7-9]主要研究如何利用相關(guān)技術(shù)將平地機(jī)智能化，達(dá)到節(jié)時(shí)省力，重點(diǎn)設(shè)計(jì)平地機(jī)，為平地機(jī)在工程實(shí)踐應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

本文以平地機(jī)3D控制系統(tǒng)為研究載體，分析數(shù)字化施工技術(shù)應(yīng)用。首先分析平地機(jī)3D控制系統(tǒng)施工特性、應(yīng)用范圍、技術(shù)原理、機(jī)械設(shè)備、施工工藝等。然后探討選擇平地機(jī)3D控制系統(tǒng)施工技術(shù)的施工周期效益、質(zhì)量比較、經(jīng)濟(jì)效益。力求給類似路基施工提供良好借鑒，大力推廣應(yīng)用平地機(jī)3D控制系統(tǒng)數(shù)字化施工技術(shù)。

1 施工技術(shù)分析

1.1 特性分析

與傳統(tǒng)平地機(jī)施工技術(shù)相比，基于平地機(jī)3D控制系統(tǒng)的數(shù)字化施工技術(shù)精平時(shí)效高，可顯著縮短施工周期。同時(shí)可以降低人工工時(shí)投入，節(jié)約施工資金投入，施工工程準(zhǔn)確率高，降低了因施工質(zhì)量缺陷造成的返工概率。該項(xiàng)施工技術(shù)可以有效提升標(biāo)高精度，保證施工質(zhì)量。

1.2 應(yīng)用范圍

該項(xiàng)施工技術(shù)主要應(yīng)用在路基施工施工周期緊張、施工工程大、施工人員短缺的情況下，其優(yōu)勢(shì)極為明顯。

平地機(jī)3D控制系統(tǒng)的數(shù)字化施工技術(shù)在工程實(shí)踐中詳細(xì)應(yīng)用概況如圖1所示。

圖1 平地機(jī)3D控制系統(tǒng)數(shù)字化施工技術(shù)應(yīng)用示意圖

1.3 技術(shù)原理介紹

3D控制系統(tǒng)將工程數(shù)據(jù)錄入機(jī)載計(jì)算機(jī)中，控制平地機(jī)鏟刀，整合傳感器內(nèi)輸出的數(shù)據(jù)，不停歇的刷新調(diào)節(jié)改變平地機(jī)位置與方向。利用車載電腦完成機(jī)器設(shè)計(jì)位置與實(shí)際位置實(shí)時(shí)對(duì)比，獲得高度與坡度的準(zhǔn)確數(shù)值，回傳至鏟刀控制器內(nèi)，高度與坡度進(jìn)行調(diào)整。RTK檢測(cè)系統(tǒng)GPS基站收集上空GPS衛(wèi)星發(fā)出的時(shí)空信息。基站利用無線調(diào)制解調(diào)器，完成所有設(shè)備的通訊互聯(lián)。按照上述過程獲得設(shè)備與基站的準(zhǔn)確位置信息后，結(jié)合斜坡與其余傳感器數(shù)據(jù)信息，標(biāo)定平地機(jī)鏟刀最精準(zhǔn)的位置及方向角度等。

1.4 機(jī)械設(shè)備介紹

第一步完成傳統(tǒng)平地機(jī)改裝工作，將GPS移動(dòng)站與液壓系統(tǒng)安裝與鏟刀位置處，第二步安裝車載計(jì)算機(jī)與信號(hào)傳感設(shè)備于司機(jī)室，第三步將信號(hào)接收發(fā)射設(shè)備配制到司機(jī)室外，如圖2所示。

圖2 機(jī)械設(shè)備安裝位置圖

1.5 施工工藝分析

施工工藝主要分為如下4個(gè)環(huán)節(jié)：

(1)將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)錄入車載計(jì)算機(jī)內(nèi)，電腦自動(dòng)搭建三維數(shù)字模型。計(jì)算機(jī)借助傳感設(shè)備不斷對(duì)比平地機(jī)鏟刀目前位置和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，完成調(diào)節(jié)控制信號(hào)。

(2)推土機(jī)粗平與平地機(jī)精平同步進(jìn)行，節(jié)約測(cè)量放樣時(shí)長(zhǎng)，控制系統(tǒng)可直接控制路基標(biāo)高、坡度及平整度。

(3)參照車載電腦搭建的三維數(shù)字模型，綜合考慮鏟刀上GPS獲得的檢測(cè)數(shù)據(jù)信息，利用傳感設(shè)備，求出平地機(jī)真實(shí)位置、方向，并和設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比，將調(diào)整信息傳至液壓控制設(shè)備內(nèi)調(diào)整鏟刀。該機(jī)械施工時(shí)僅用2個(gè)往返，路基精平工作即可完成。

(4)施工結(jié)束后，復(fù)測(cè)其標(biāo)高，其誤差僅在20 mm內(nèi)變化。

2 效益探討

傳統(tǒng)路基精平工藝流程如下：第一步初測(cè)現(xiàn)場(chǎng)；第二步依照設(shè)計(jì)文件要求完成現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)放樣、工程機(jī)械施工、檢測(cè)放樣、再次工程機(jī)械施工、再次檢測(cè)放樣，多次重復(fù)后，最終達(dá)到設(shè)計(jì)位置。該種方法耗費(fèi)大量測(cè)量人員的工時(shí)，同時(shí)因多次的檢測(cè)放樣，極易造成長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)工程機(jī)械停工。機(jī)械司機(jī)不僅要啟動(dòng)機(jī)械設(shè)備，而且以檢測(cè)放樣后設(shè)置的樁作為基準(zhǔn)，不斷調(diào)節(jié)機(jī)械鏟刀刮平達(dá)到設(shè)計(jì)位置區(qū)域。該種施工方法需要很高的駕駛技術(shù)與施工經(jīng)驗(yàn)，增大了工程建設(shè)的風(fēng)險(xiǎn)幾率。

利用平地機(jī)3D控制系統(tǒng)，因設(shè)計(jì)資料數(shù)據(jù)可直接錄入車載電腦中，直接控制機(jī)械設(shè)備進(jìn)行施工，可準(zhǔn)確達(dá)到設(shè)計(jì)位置，完全不依靠樁，避免了檢測(cè)人員工地檢測(cè)放樣程序，提升了機(jī)械使用效率。司機(jī)僅需要認(rèn)真操作機(jī)械駕駛，利用3D控制系統(tǒng)完成鏟刀控制過程，短時(shí)間中快速達(dá)到設(shè)計(jì)位置，減少了司機(jī)的工作任務(wù)與操作技能要求。

施工該施工技術(shù)的效益主要體現(xiàn)在施工周期效益、質(zhì)量比較、經(jīng)濟(jì)效益等3個(gè)方面。具體如下：

(1)施工周期效益

在施工現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，選擇傳統(tǒng)施工技術(shù)，檢測(cè)工人檢測(cè)放樣、平地機(jī)鋪以人工整平，日均精平工作量?jī)H380 m。選擇平地機(jī)3D控制系統(tǒng)進(jìn)行施工，日均精平工作可達(dá)到960 m。

(2)質(zhì)量比較

在使用傳統(tǒng)施工工藝時(shí)，檢測(cè)人員的業(yè)務(wù)水平能力與責(zé)任心要求都極高，除此之外，天氣與照明情況很大程度上影響著其業(yè)務(wù)能力發(fā)揮，無法保證質(zhì)量與精度。選擇本文的施工技術(shù)施工可以直接將工程設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)應(yīng)用在施工中，降低了誤差，GPS基站與施工機(jī)械之間可實(shí)現(xiàn)通視，天氣與光線無法干擾檢測(cè)人員水平的發(fā)揮。

(3)經(jīng)濟(jì)效益

選擇傳統(tǒng)施工時(shí)，精平人員配備檢測(cè)工人3名，平地機(jī)2臺(tái)，輔助整平工人8名。同時(shí)在施工時(shí)各檢測(cè)人員、整平人員必須全程陪同。當(dāng)不斷進(jìn)行檢測(cè)放樣時(shí)機(jī)械處于停工狀態(tài)，造成機(jī)械設(shè)備浪費(fèi)，施工投資增大。選擇平地機(jī)3D控制系統(tǒng)，在施工環(huán)節(jié)去掉了耗時(shí)耗力的檢測(cè)放樣環(huán)節(jié)，僅在施工結(jié)束后復(fù)測(cè)即可，降低輔助整平工人投資，并且提升機(jī)械使用效率。

3 工程實(shí)踐應(yīng)用

由中國交通建設(shè)第四工程局第三工程有限公司承建的京新高速公路呼和浩特-包頭區(qū)段第4標(biāo)段8分部，全程長(zhǎng)度32 km，設(shè)有4個(gè)路基建設(shè)隊(duì)伍(平均每個(gè)路基建設(shè)隊(duì)伍施工任務(wù)為8 km)。因?yàn)槭┕r(shí)間較短，工程量很大，加上地質(zhì)條件差，路基填高大部分較低，在施工時(shí)，大約8 km的路基選擇平地機(jī)3D控制系統(tǒng)的數(shù)字化施工技術(shù)。將選擇傳統(tǒng)施工工藝技術(shù)與選擇平地機(jī)3D控制系統(tǒng)施工工藝技術(shù)的2個(gè)路基建設(shè)隊(duì)伍施工成本進(jìn)行比較分析，具體數(shù)據(jù)如表1數(shù)據(jù)所示。

表1 兩種施工技術(shù)施工成本比較表

分析表1中數(shù)據(jù)不難得出，選擇平地機(jī)3D控制系統(tǒng)數(shù)字化施工技術(shù)所用工時(shí)為傳統(tǒng)施工技術(shù)工時(shí)的50%，除此之外其人工資金投入僅占傳統(tǒng)施工技術(shù)的5.2%。

4 結(jié)語

本文以平地機(jī)3D控制系統(tǒng)為研究載體，分析數(shù)字化施工技術(shù)應(yīng)用。首先分析平地機(jī)3D控制系統(tǒng)施工特性、應(yīng)用范圍、技術(shù)原理、機(jī)械設(shè)備、施工工藝等；然后探討選擇平地機(jī)3D控制系統(tǒng)施工技術(shù)的施工周期效益、質(zhì)量比較、經(jīng)濟(jì)效益；最后結(jié)合工程實(shí)踐，驗(yàn)證了平地機(jī)3D控制系統(tǒng)施工技術(shù)可以有效降低施工工時(shí)，節(jié)約施工成本。