王 正，周振東，陳書揚，張靜曉，史小麗

(1.中國路橋工程有限責任公司，北京 100010； 2.長安大學經(jīng)濟與管理學院，陜西 西安 710068；3.長安大學公路學院，陜西 西安 710068)

0 引言

高速公路作為主要基礎(chǔ)設(shè)施項目建設(shè)類型之一，規(guī)模發(fā)展迅速，到2020年底，我國高速公路總里程達16.1萬km，同2019年相比增長7.62%。

高速公路建設(shè)管理逐步采用數(shù)字化方式，但這些項目的復(fù)雜性和特殊性給數(shù)字化管理帶來一定難度[1]。

從工程建設(shè)角度來看，公路工程建設(shè)工期較長，工程建設(shè)環(huán)境較復(fù)雜，影響建設(shè)過程的因素較多[2]，且工程要求完工時間短、質(zhì)量要求高，對施工質(zhì)量、現(xiàn)場安全要求也很高。從信息數(shù)據(jù)角度來看，高速公路工程涵蓋數(shù)據(jù)量大、涉及面廣，數(shù)據(jù)采集、分析和處理速度要求高，數(shù)據(jù)商業(yè)價值高，數(shù)據(jù)類型復(fù)雜，既包括結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，也包括非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，如3D圖紙信息、建筑信息模型(BIM)動態(tài)展示信息及施工實時控制信息等。除BIM外，數(shù)字化技術(shù)也得到推廣和應(yīng)用，GIS、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)助力數(shù)字化工程發(fā)展[3-5]。

現(xiàn)有研究主要集中在高速公路數(shù)字化建設(shè)的必要性和單個建設(shè)階段的數(shù)字化中[6-8]，即未考慮全過程數(shù)字化施工技術(shù)，而用于整個施工管理過程的數(shù)字系統(tǒng)可為相關(guān)系統(tǒng)協(xié)作提供基礎(chǔ)。該系統(tǒng)使用同一個數(shù)據(jù)庫整合項目相關(guān)信息，實現(xiàn)共享、互通、傳輸，整個項目測量、設(shè)計、施工和檢驗數(shù)據(jù)都可在同一平臺上應(yīng)用。該系統(tǒng)可最大限度協(xié)同管理施工質(zhì)量，提高生產(chǎn)力、溝通效率和成本控制。此外，突破設(shè)計單位、施工單位、監(jiān)理單位在交接、變更、溝通等方面的多重分離，從而提高工程項目的施工管理水平。

由于高速公路工程的復(fù)雜特點及數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用局限性，目前施工數(shù)字化管理仍存在以下不足：①未形成以數(shù)據(jù)為核心的管理體系。當前，高速公路建設(shè)項目數(shù)字化著重于痕跡保存，大多只進行試驗臺賬簡單電子化存檔[6]，導(dǎo)致信息溯源難度大、各階段信息傳遞障礙大、問題反饋速度慢，使整體管理效率低下；②關(guān)于設(shè)計交付信息集成研究和工程項目全生命周期的信息管理研究較少[7]，目前設(shè)計信息存在數(shù)據(jù)丟失和協(xié)同共享性差等問題；③試驗檢測數(shù)據(jù)的管理較粗放，試驗檢測數(shù)據(jù)貫穿于公路工程建設(shè)全過程，但總體仍處于各方自行管理狀態(tài)，數(shù)據(jù)缺乏協(xié)同性[2]，使試驗檢測信息協(xié)同性差，增大管理難度。

因此，為彌補高速公路全過程數(shù)字化相關(guān)研究不足的問題，本研究首次將協(xié)同理論納入高速公路數(shù)字化全過程管理中，從高速公路數(shù)字化管理復(fù)雜性、開放性與非線性角度分析協(xié)同理論在高速公路全過程數(shù)字化研究中的適用性，為高速公路數(shù)字化全過程施工技術(shù)研究奠定理論基礎(chǔ)，并為解決當前高速公路施工全過程管理領(lǐng)域中存在的問題提供新的思維模式。此外，提出基于協(xié)同理論的高速公路數(shù)字化全過程施工技術(shù)具體流程，有利于改善各施工階段的信息傳遞困境，實現(xiàn)工程信息在各階段的傳遞和共享，同時也推進高速公路數(shù)字化研究進程。

從實踐角度看，本文以柬埔寨金邊—西哈努克港項目為例，引入BIM數(shù)字化施工技術(shù)，在項目管控升級、數(shù)字化和智能化、設(shè)計交付方面形成電子化設(shè)計信息數(shù)據(jù)存儲及協(xié)同共享機制。采用高精度北斗定位技術(shù)，精確控制三維設(shè)計數(shù)據(jù)、作業(yè)狀況及施工信息實時回傳，過程管理數(shù)字化控制，遇到設(shè)計變更可隨時更改。此外，試驗檢測數(shù)據(jù)相互關(guān)聯(lián)協(xié)同，保證檢測項目的準確度、精確度。真正實現(xiàn)以數(shù)據(jù)為核心的管理體系，最終提升項目管理水平。

1 文獻回顧

1.1 BIM的數(shù)字化技術(shù)

BIM技術(shù)以可視化模型為信息載體，是建設(shè)工程及其幾何與非幾何特性的數(shù)字化表達。建立在BIM技術(shù)基礎(chǔ)上的信息管理系統(tǒng)，可完成設(shè)計、施工、運營過程中大量信息的存儲、計算和應(yīng)用。依托立體模型，也可提高其他部門的管理效率。

雖然，BIM技術(shù)應(yīng)用在城市道路領(lǐng)域起步較晚，但近兩年發(fā)展迅速，行業(yè)和企業(yè)對這項技術(shù)的關(guān)注度逐漸提高，積累了很多經(jīng)驗，并逐漸應(yīng)用于建設(shè)項目。Song等[8]分析高速公路建設(shè)特點，并對數(shù)字化建設(shè)在高速公路中應(yīng)用的必要性進行闡述；Liu等[9]開發(fā)能實現(xiàn)視頻監(jiān)控自動巡檢、空間信息可視化分析、視頻編碼標準化等功能的系統(tǒng)，為視頻監(jiān)控在高速公路數(shù)字化的應(yīng)用提供依據(jù)；Zhang等[10]結(jié)合高速公路管理現(xiàn)狀，構(gòu)建高速公路數(shù)字化管理思路。

1.2 數(shù)字化施工攤鋪

瀝青混合料的攤鋪和碾壓作業(yè)質(zhì)量對路面使用性能具有重要影響，需控制攤鋪壓實過程的施工質(zhì)量，從而保證路面質(zhì)量。由于現(xiàn)場情況復(fù)雜，施工人員很難嚴格按瀝青路面施工工藝要求攤鋪、碾壓路面，現(xiàn)場監(jiān)督管理人員也可能疏忽導(dǎo)致不規(guī)范施工，以致路面質(zhì)量低劣[11]?；贐IM的高速公路全過程施工技術(shù)能有效提升攤鋪和碾壓質(zhì)量，提高施工效率。

1.3 高速公路全過程施工

有關(guān)高速公路全過程施工的研究較少，但在建筑行業(yè)已得到廣泛認可[12]。建筑行業(yè)全過程涉及項目規(guī)劃、施工和運營環(huán)節(jié)等，本文認為高速公路全過程施工涉及高速公路測量、設(shè)計、施工和檢測重要階段。

現(xiàn)有研究中，學者們主要對高速公路數(shù)字化施工的必要性及單個施工階段的數(shù)字化進行簡單論述[10-12]。但缺少對高速公路全過程數(shù)字化施工技術(shù)的相關(guān)研究，根據(jù)技術(shù)接受模型(TAM)理論，用戶經(jīng)驗的增加[13]和政府政策支持[14]將提高技術(shù)的接受度。引入施工全過程管理，可將施工時間縮短近5%，數(shù)據(jù)查詢時間減少1/2，信息交互時間減少1/3～3/5。最終，可更高效地完成信息交互和共享，降低建設(shè)成本[15]。

因此，引進全過程數(shù)字化管理手段，基于BIM開發(fā)全過程數(shù)字化管理系統(tǒng)平臺，協(xié)同高速公路工程建設(shè)過程中的測量、設(shè)計、施工及檢測工作，為企業(yè)在流程標準化、工作精細化、數(shù)據(jù)準確化等方面賦能，彌補高速公路全過程數(shù)字化相關(guān)研究空白，實現(xiàn)高速公路工程數(shù)字化全過程施工。

2 研究方法

為完善高速公路管理實踐，通過半結(jié)構(gòu)化訪談和試驗研究的方式，促進高速公路數(shù)字化全流程管理。

2.1 半結(jié)構(gòu)化訪談

定性方法適用于需探索并進行深層理解的問題。通過對相關(guān)人員進行半結(jié)構(gòu)化訪談，深入了解當前數(shù)字化全流程管理面臨的挑戰(zhàn)，并探討可能的解決方案。

1)訪談設(shè)計階段

本次半結(jié)構(gòu)化訪談共選擇22名從事公路工程建設(shè)的從業(yè)人員。為獲得有效信息，要求受訪者在高速公路項目的勘察、設(shè)計、施工和測試單位之一至少有5年工作經(jīng)驗。對受訪者進行隨機分層，以確保其樣本擁有不同職位，如管理者和非管理者，受訪者的背景信息如表1所示。

表1 受訪者的背景信息

2)訪談階段

面試過程中，根據(jù)面試大綱靈活提出面試問題并全程記錄。對錄音進行轉(zhuǎn)錄，轉(zhuǎn)錄后的文本使用NVivo12軟件進行主題分析。訪談中使用的問題如表2所示。

表2 訪談大綱

2.2 試驗研究

通過設(shè)計集成BIM和北斗定位技術(shù)的系統(tǒng)作為試驗環(huán)境，驗證信息數(shù)字化技術(shù)可解決數(shù)字化全過程高速公路建設(shè)管理的不足。為實現(xiàn)該目標，通過與一家外包公司合作，建立基于BIM的信息平臺。研究者負責BIM模型在Web頁面上的需求分析、理論框架建立、功能設(shè)計和3D表示。外包公司負責系統(tǒng)開發(fā)，包括BIM模型加載技術(shù)、不同數(shù)據(jù)格式間的信息傳遞及系統(tǒng)原型界面設(shè)計。本研究試驗部分的系統(tǒng)開發(fā)包括6個步驟?；贐IM的高速公路施工全過程數(shù)字化施工技術(shù)拓撲圖如圖1所示。

圖1 高速公路施工全過程數(shù)字化施工技術(shù)拓撲圖

1)第1步：測量階段 采用基于BIM的數(shù)字化全過程施工技術(shù)，簡化施工方法，減少加密控制點設(shè)置量，將測量所得的加密控制點數(shù)據(jù)信息通過數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上傳至數(shù)字化平臺終端，測量人員通過數(shù)字化平臺終端對比查看相應(yīng)數(shù)據(jù)，并實時更新與改進。基于控制點測量數(shù)據(jù)與數(shù)字地形分析方法，對地貌形態(tài)建模及其屬性特征進行數(shù)據(jù)表達。通過對地形形態(tài)實現(xiàn)多層次感知、多尺度表達與高保真建模，為模擬工程數(shù)字地形提供數(shù)據(jù)信息。這些數(shù)據(jù)信息通過數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上傳至數(shù)字化平臺終端，并與設(shè)計階段的數(shù)據(jù)信息相結(jié)合，從而進一步定義一體化三維空間數(shù)據(jù)模型，以實現(xiàn)軌道交通及周邊空間數(shù)據(jù)的協(xié)同管理和無縫表達。

2)第2步：設(shè)計階段 利用專業(yè)BIM軟件將二維設(shè)計圖紙轉(zhuǎn)化為施工機械能識別的三維BIM模型，建模過程中檢核設(shè)計圖紙，通過BIM模型發(fā)現(xiàn)設(shè)計問題，調(diào)整設(shè)計變更模型，將BIM模型數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上傳至數(shù)字化平臺終端，并與數(shù)字地形模擬數(shù)據(jù)相結(jié)合，實現(xiàn)宏觀與微觀的信息融合，最終反饋至各施工機械數(shù)字化系統(tǒng)中，為數(shù)字化施工作業(yè)做準備，實現(xiàn)一次建模與不同模型的實時聯(lián)動，多個結(jié)構(gòu)層施工受益，有效提升設(shè)計效率。

3)第3步：施工階段 基于北斗導(dǎo)航定位自主核心技術(shù)和數(shù)字化平臺終端，輔助高速公路工程建設(shè)與管理過程，對路面施工全過程進行事中監(jiān)測、事后追溯。系統(tǒng)將路面施工攤鋪、壓實及運輸車輛管控參數(shù)指標實時傳輸至數(shù)字化平臺進行大數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，以提供智能施工導(dǎo)航，確保作業(yè)質(zhì)量，提高施工管理水平和效率。

4)第4步：檢測階段 采用北斗高精度GIS采集終端檢測錄入建設(shè)過程中的單元工程施工質(zhì)量，按質(zhì)量管理規(guī)范，嚴格區(qū)分承包單位、監(jiān)理單位、監(jiān)督單位的檢驗請求及留樣，分別記錄檢驗時間、數(shù)據(jù)、位置等信息，并實時上傳至平臺，保證檢測數(shù)據(jù)的準確性、時效性，從而確保檢驗結(jié)果真實且有跡可循。

5)第5步 根據(jù)半結(jié)構(gòu)化訪談結(jié)果，構(gòu)建高速公路數(shù)字化建設(shè)管理系統(tǒng)，建立基于BIM的綜合性高速公路數(shù)字化全過程建設(shè)框架。該系統(tǒng)可根據(jù)數(shù)字高速公路建設(shè)管理流程設(shè)置不同的應(yīng)用模塊，還可基于WebGL、動態(tài)模型加載和北斗等技術(shù)訪問存儲在云端的數(shù)據(jù)庫和模型信息。

6)第6步 多個不同權(quán)限的利益相關(guān)者通過網(wǎng)頁訪問測試平臺，利用數(shù)字化全過程高速公路建設(shè)管理框架，實現(xiàn)更有意義的協(xié)同管理。

2.3 訪談結(jié)果分析

2名研究人員獨立編碼轉(zhuǎn)錄文本，并保證每編碼3個轉(zhuǎn)錄文本便進行討論，產(chǎn)生分歧時，由第3人參與，3名研究員討論協(xié)商決定。信息飽和后，多次閱讀并逐條分析轉(zhuǎn)錄文本,通過不斷比較抽提出主題。訪談分析結(jié)果如表3所示。訪談結(jié)果明確高速公路建設(shè)數(shù)字化全過程管理系統(tǒng)目標如下：①實現(xiàn)以數(shù)據(jù)為中心的全過程管理；②實現(xiàn)設(shè)計信息的電子存儲和協(xié)作共享；③實現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)和協(xié)同；④提高利益相關(guān)者的管理效率。

表3 訪談分析結(jié)果

2.3.1實現(xiàn)以數(shù)據(jù)為中心的全過程管理

結(jié)合半結(jié)構(gòu)化訪談結(jié)果，高速公路數(shù)字化管理主要涉及測量階段、設(shè)計階段、施工階段和檢測階段，有必要在每個階段實施數(shù)據(jù)管理。為此，使用協(xié)同理論，可明確高速公路建設(shè)全過程中各要素/子系統(tǒng)的關(guān)系和作用，促進整個系統(tǒng)從不穩(wěn)定到穩(wěn)定，從無序到有序，達到1+1>2的效果。正是通過不同階段的信息協(xié)調(diào)，才能更有效地管理高速公路數(shù)字化全過程。

2.3.2設(shè)計信息的電子存儲和協(xié)作共享機制

在設(shè)計階段，二維圖紙涉及大量圖像和計算，增加出錯概率。使用BIM軟件可構(gòu)建3D模型，將施工圖從2D升級到3D是設(shè)計階段數(shù)據(jù)管理的核心。通過轉(zhuǎn)換所有2D數(shù)據(jù)，對3D設(shè)計數(shù)據(jù)進行管理，還可處理測量數(shù)據(jù)和機械控制任務(wù)，并自動簡單分析數(shù)據(jù)。在考慮半結(jié)構(gòu)化訪談結(jié)果的基礎(chǔ)上，高速公路數(shù)字化管理全過程設(shè)計階段應(yīng)包括二維圖紙升級、授權(quán)查看和更改相關(guān)信息等功能。

2.3.3實現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)和協(xié)同

從高速公路建設(shè)實踐來看，有大量施工自檢、監(jiān)理抽查、中間交付檢查、竣工(交付)驗收等檢測數(shù)據(jù)。雖然數(shù)據(jù)涵蓋高速公路建設(shè)全過程，但由各方單獨管理，尚未鏈接在一起。結(jié)合半結(jié)構(gòu)化訪談結(jié)果，高速公路數(shù)字化管理過程中的檢測階段管理包括檢測數(shù)據(jù)電子化記錄和文件共享機制部分。

1)檢驗數(shù)據(jù)電子記錄 檢驗數(shù)據(jù)電子記錄指建設(shè)階段質(zhì)量檢驗信息的數(shù)據(jù)化記錄?；诎虢Y(jié)構(gòu)化訪談，高速公路全流程數(shù)字化管理系統(tǒng)必須能夠存儲、分析、檢查各類信息。

2)文件共享機制 目前檢測數(shù)據(jù)大部分仍由各方單獨管理，尚未相互關(guān)聯(lián)?；诎虢Y(jié)構(gòu)化訪談結(jié)果，要實現(xiàn)高速公路全流程數(shù)字化管理系統(tǒng)，平臺必須能夠?qū)崿F(xiàn)文件共享功能。

2.3.4提高利益相關(guān)者的管理效率

項目人員獲取或產(chǎn)生的信息必須進行系統(tǒng)化處理，需要可管理一系列任務(wù)的集成系統(tǒng)。根據(jù)半結(jié)構(gòu)化訪談結(jié)果，提出以下提高高速公路數(shù)字化全過程管理效率的策略：①基于BIM可視化管理，提高所有用戶的協(xié)調(diào)性，減少溝通障礙；②設(shè)計數(shù)據(jù)可在設(shè)計需要更改時隨時更改，減少時間浪費；③問題可溯源，降低信息檢索的時間成本；④攤鋪、壓實、運輸車輛采用智能化管理，降低人工成本，實現(xiàn)流程化作業(yè)。

3 基于BIM的高速公路數(shù)字化全過程技術(shù)架構(gòu)

系統(tǒng)平臺的技術(shù)框架基于Liu等[16]建立的可持續(xù)基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計框架，并融入全流程協(xié)同理念，通過半結(jié)構(gòu)化訪談，進一步了解管理者使用該系統(tǒng)的場景及真正發(fā)揮作用的場景，從而獲得數(shù)據(jù)驅(qū)動的數(shù)字化高速公路建設(shè)全過程管理基礎(chǔ)平臺框架。

高速公路數(shù)字化全過程施工技術(shù)系統(tǒng)基于3DGIS，BIM，5G網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，結(jié)合實測數(shù)據(jù)與二維設(shè)計文件建立高速公路BIM模型，建立技術(shù)架構(gòu)。綜合存儲、管理、即時反饋測量、設(shè)計、施工及檢測階段涉及的數(shù)據(jù)信息，系統(tǒng)平臺技術(shù)架構(gòu)包括過程層、數(shù)據(jù)層、傳輸層及平臺層4個邏輯層，如圖2所示。通過4個層次的協(xié)同作業(yè)，最終實現(xiàn)高速公路工程數(shù)字化全過程施工管理，改善高速公路工程各施工階段的信息傳遞困境。

圖2 技術(shù)架構(gòu)

3.1 加密控制點

高速公路施工控制包括平面控制網(wǎng)和高程控制網(wǎng)，控制點的布設(shè)和測量都有相應(yīng)原則和要求。采用基于BIM的高速公路數(shù)字化全過程施工技術(shù)，優(yōu)于施工作業(yè)模式(每10m放樣1對基準樁)，只需每隔500～600m架設(shè)1次高精度機器人型全站儀(為方便架設(shè)儀器適應(yīng)復(fù)雜工況，一般采用后方交會方式架設(shè)儀器)，考慮交會角度、彎道填挖方段影響，一般施工前每隔200m在線路兩側(cè)交錯臨時布設(shè)加密控制點(見圖3)。所得的控制點數(shù)據(jù)信息通過數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上傳至數(shù)字化平臺終端，測量人員通過數(shù)字化平臺終端對比查看相應(yīng)數(shù)據(jù)，并進行實時更新與改進。

圖3 臨時布設(shè)加密控制點(單位:m)

3.2 數(shù)字地形模擬

基于控制點測量數(shù)據(jù)與數(shù)字地形分析方法，對地貌形態(tài)建模及其屬性特征進行數(shù)據(jù)表達。通過對地形形態(tài)進行多層次感知、多尺度表達與高保真建模，提取地形因子，包括坡度、坡向、坡長、坡形、坡位等坡面地形因子和反映地理綜合特征的面積高程積分、地形濕度指數(shù)、地形動力指數(shù)等復(fù)合地形因子。不同地形因子映射地貌形態(tài)及其過程的不同側(cè)面，為模擬工程數(shù)字地形提供數(shù)據(jù)信息，通過數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上傳至數(shù)字化平臺終端，結(jié)合設(shè)計階段的數(shù)據(jù)信息，形成一體化三維空間數(shù)據(jù)模型，并為設(shè)計、施工與檢測階段奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3.3 施工圖紙升維

在設(shè)計階段，傳統(tǒng)攤鋪技術(shù)根據(jù)控制網(wǎng)和圖紙設(shè)計的構(gòu)筑物、結(jié)構(gòu)層等，經(jīng)過計算將圖上點位信息放樣到實地中以形成二維圖紙，但讀圖和計算的數(shù)量大，增加出錯概率?；贐IM的高速公路數(shù)字化全過程施工技術(shù)將二維圖紙進行BIM數(shù)據(jù)升級，形成三維BIM模型(見圖4)。施工圖紙升維所需材料有平曲線要素表、豎曲線要素表、設(shè)計每20m斷面圖、平面圖、逐樁坐標表等。施工圖紙升維是基于BIM的高速公路數(shù)字化全過程數(shù)據(jù)管理核心，負責處理所有二維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，管理三維設(shè)計數(shù)據(jù)，處理測量和機械控制任務(wù)與分析等。BIM的可視化三維信息通過數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上傳至數(shù)字化平臺終端，與數(shù)字地形模擬數(shù)據(jù)信息相結(jié)合，形成一體化三維空間數(shù)據(jù)模型，以實現(xiàn)參與方的有效協(xié)同，并為施工和檢測階段提供數(shù)據(jù)。

圖4 施工圖紙

3.4 施工機械智能控制系統(tǒng)

BIM軟件將二維圖紙升維成施工機械能夠識別的三維BIM模型后，在建模過程中檢核設(shè)計圖紙，通過BIM模型發(fā)現(xiàn)設(shè)計問題，以調(diào)整設(shè)計變更模型，并將BIM模型分發(fā)到各施工機械數(shù)字化系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中。施工機械基于BIM數(shù)字化全過程系統(tǒng)，可實時獲取作業(yè)部位的姿態(tài)和坐標，結(jié)合數(shù)字化施工控制計算機接收的BIM模型，實現(xiàn)基于BIM的數(shù)字化全過程系統(tǒng)控制施工機械自動化作業(yè)。同時，將作業(yè)過程數(shù)據(jù)實時上傳至數(shù)字化平臺，可直觀展示施工模型及作業(yè)數(shù)據(jù)。

3.4.1攤鋪機智能控制系統(tǒng)

攤鋪前檢查所有攤鋪機和手持控制器的設(shè)計，并重新進行模型自查工作，利用BIM3D行駛視圖可定線行駛，并直觀顯示和檢查精確表面地形。在正式施工階段，采用全站儀捕獲MT900坐標，經(jīng)數(shù)字電臺，最終傳輸至CB460控制箱中。CB460中存儲的數(shù)據(jù)對比修正設(shè)計階段的BIM模型和信息后，將新數(shù)據(jù)傳輸至CB440自動控制箱，此控制箱為指令控制箱，控制液壓閥與液壓油缸移動牽引大臂，進而控制熨平板的垂直移動，使填筑產(chǎn)生坡度和高程變化，彌補路面波動，使路面平整度達到設(shè)計要求。攤鋪過程中設(shè)備實時采集到的施工車輛位置、行駛速度、工作時長、作業(yè)部位等信息可自動上傳至全過程施工平臺，并檢測與查看作業(yè)信息，指導(dǎo)攤鋪流程作業(yè)。攤鋪機智能控制系統(tǒng)拓撲圖如圖5所示。

圖5 攤鋪機智能控制系統(tǒng)拓撲圖

3.4.2壓實機智能控制系統(tǒng)

壓實機智能控制系統(tǒng)依托5G定位+高精度北斗和壓實傳感器技術(shù)，通過識別BIM模型指導(dǎo)現(xiàn)場碾壓施工。壓實機智能控制系統(tǒng)可實時顯示施工現(xiàn)場，并記錄壓實機路線、速度、壓實強度等參數(shù)，指導(dǎo)施工。此外，壓實信息數(shù)據(jù)可通過5G網(wǎng)傳送至全過程數(shù)字化平臺終端，分析相關(guān)數(shù)據(jù)，指導(dǎo)科學施工。壓實機智能控制系統(tǒng)拓撲圖如圖6所示。

圖6 壓實機智能控制系統(tǒng)拓撲圖

3.4.3運輸車輛智能管控系統(tǒng)

運輸車輛智能管控系統(tǒng)利用射頻識別設(shè)備與北斗定位設(shè)備，能準確識別填料運輸車輛信息、駕駛員信息、裝料時間、裝料地點、運輸路線、運輸時間、卸料倉面等信息，實時反映運輸車輛位置，具備填料溯源和運輸監(jiān)控作用，銜接施工現(xiàn)場和料場，保證運輸車在有效時間內(nèi)到場和卸料，該位置信息可通過網(wǎng)絡(luò)或覆蓋運輸路程的自組無線局域網(wǎng)實時傳回全過程施工平臺。此外，運輸車輛智能管控系統(tǒng)可設(shè)置電子圍欄管控運輸車輛。運輸車輛智能管控系統(tǒng)拓撲圖如圖7所示。

圖7 運輸車輛智能管控系統(tǒng)拓撲圖

3.5 智能檢測系統(tǒng)

檢測系統(tǒng)是采用北斗高精度GIS采集終端，將試驗機聯(lián)網(wǎng)，檢測錄入單元工程施工質(zhì)量信息，嚴格區(qū)分各單位的檢驗請求及留樣，記錄結(jié)果、數(shù)據(jù)和位置，確保檢驗結(jié)果的真實性。智能檢測系統(tǒng)拓撲圖如圖8所示。

圖8 智能檢測系統(tǒng)拓撲圖

4 案例研究

4.1 工程概況

金港高速公路建成后是柬埔寨歷史上的首條高速公路，打通了首都經(jīng)濟圈和西哈努克港，采用雙向4車道、設(shè)計時速100km的標準建設(shè)，總投資超過20億美元，建設(shè)期4年，運營期50年。金港高速公路全長190km，其中，高速公路金邊市路段8.3km、干拉省9.1km、實居省80.8km、國公省1.92km、西哈努克省89.89km。金港高速公路采用BOT模式投建，建成后使金邊—西哈努克港的車程縮短3h以上，降低物流成本。

金港高速公路項目具有高、新、難、險、緊特點。質(zhì)量要求高，采用融合管理模式，引入聯(lián)合體監(jiān)理單位管理機制，將監(jiān)理、設(shè)計納入總經(jīng)理部管理團隊。由于所處位置高溫多雨、材料運輸遠及海外工程人員溝通難等因素，加大管控成本與難度。地質(zhì)條件復(fù)雜多變，導(dǎo)致施工質(zhì)量與安全管控風險高；高溫多雨減少有效作業(yè)天數(shù)?；诖?，引進BIM技術(shù)及數(shù)字化管理技術(shù)，建立數(shù)字化工地平臺，打造數(shù)字化工地，全面提質(zhì)增效。

4.2 施工數(shù)據(jù)系統(tǒng)

基于BIM與數(shù)字地形模擬技術(shù)，結(jié)合測量與設(shè)計數(shù)據(jù)，形成一體化三維空間數(shù)據(jù)模型，融合數(shù)字化管理系統(tǒng)，開發(fā)出以BIM三維空間模型為基礎(chǔ)架構(gòu)的數(shù)字化管理平臺，以實現(xiàn)高速公路全過程施工數(shù)據(jù)協(xié)同管理。

4.2.1攤鋪機智能控制系統(tǒng)

在攤鋪機智能控制系統(tǒng)中，北斗定位模塊和設(shè)備智能采集器采集、傳輸施工參數(shù)，將施工車輛位置與速度、工作時長、作業(yè)部位等信息傳輸至數(shù)據(jù)庫中打包發(fā)送。通過5G網(wǎng)絡(luò)將施工數(shù)據(jù)實時發(fā)送給數(shù)字化信息平臺，從而實時接收、顯示、保存攤鋪信息，通過遠程監(jiān)控管理，保證施工質(zhì)量和效率。

4.2.2壓實機智能控制系統(tǒng)

壓實機智能控制系統(tǒng)通過采集壓實機參數(shù)，如碾壓速度、壓實度、振幅等信息，利用北斗定位模塊獲得經(jīng)緯度定位，平臺終端利用經(jīng)緯度確定施工位置，并實時控制施工過程。壓實遍數(shù)(在路段信息中標記不同顏色)的依據(jù)為現(xiàn)場測得的壓實值。施工人員通過壓實機智能控制系統(tǒng)終端顯示結(jié)果進行碾壓控制。

4.2.3智能運輸管控系統(tǒng)

在數(shù)字化施工平臺中，對車輛進行智能運輸管控，可自主選擇信息傳輸間隔時間，在全過程施工平臺上對某段時間內(nèi)任一卡車的運輸路徑進行歷史軌跡回放，顯示所在位置的速度，可在電子地圖上設(shè)置圍欄區(qū)域。若運輸車輛超出圍欄區(qū)域，系統(tǒng)自動記錄并報警提示，據(jù)此可判斷運輸車輛軌跡是否正常。

4.3 工程檢測數(shù)據(jù)系統(tǒng)

工程檢測數(shù)據(jù)系統(tǒng)由實驗室統(tǒng)計、檢測報告管理及試驗機聯(lián)網(wǎng)板塊構(gòu)成，其中實驗室統(tǒng)計板塊對原始數(shù)據(jù)進行自動分析和計算，匯總檢測報告總數(shù)量及總合格率、試驗機樣品總數(shù)及合格率、試驗機樣品日數(shù)量及檢測報告日合格率等數(shù)據(jù)，也可根據(jù)需要通過實驗室和時間區(qū)段進行信息檢索。

檢測報告管理板塊中，可管理儀器設(shè)備、樣品臺賬、報告臺賬、不合格臺賬、統(tǒng)計分析、監(jiān)理報告臺賬、施工報告臺賬和監(jiān)理施工對比臺賬。以檢測儀器設(shè)備管理為例，管理檢測設(shè)備基本信息數(shù)據(jù)包括主要儀器設(shè)備的檢定或校準等信息，設(shè)備編號、設(shè)備名稱、規(guī)格型號、廠商、檢測部門、設(shè)備有效檢定日期、所屬檢驗室等。此外，可通過所屬標段、設(shè)備名稱、設(shè)備編號檢索設(shè)備信息。

試驗機聯(lián)網(wǎng)板塊分為試驗過程動態(tài)監(jiān)控和統(tǒng)計報表。其中，試驗過程動態(tài)監(jiān)控部分實現(xiàn)了混凝土、鋼筋、砂漿等材料的追蹤溯源，如可對混凝土材料所屬標段、樣品編號、工程部位及用途、強度等級，甚至不同時間的受力大小進行管理。統(tǒng)計報表組成部分為全部試驗數(shù)量、混凝土試驗數(shù)量、鋼筋試驗數(shù)量、水泥試驗數(shù)量、砂漿試驗數(shù)量、試驗結(jié)果情況日報、全部試驗報表統(tǒng)計數(shù)據(jù)和試驗機不合格統(tǒng)計的數(shù)據(jù)，可通過時間段進行檢索和導(dǎo)出。

5 討論

從實踐角度看，基于BIM的數(shù)字化全過程施工技術(shù)是對項目管控的巨大升級，包含高速公路建設(shè)的數(shù)字化和智能化，以實現(xiàn)協(xié)同控制。引入數(shù)字化前后對比，如表4所示。

表4 引入數(shù)字化前后對比

1)形成以數(shù)據(jù)為核心的管理體系 在設(shè)計交付方面，形成電子化設(shè)計信息數(shù)據(jù)存儲及協(xié)同共享機制，控制過程管理數(shù)字化，遇到設(shè)計變更可隨時更改[2]。此外，試驗檢測數(shù)據(jù)相互關(guān)聯(lián)協(xié)同，保證檢測項目的準確度、精確度，確保檢驗結(jié)果真實、可靠[17]。

2)提高效率、縮短工期的同時保障施工質(zhì)量 系統(tǒng)不受光線影響，24h不間斷施工。系統(tǒng)采用控制箱屏幕顯示施工狀況，實時施工報告，隨時掌控施工效果，避免事后檢測可能帶來的返工，在最短時間內(nèi)以最好的質(zhì)量完成項目[18]。

3)降低成本的同時綠色環(huán)保 測量過程中無須打樁、放樣，降低測量成本，且人員經(jīng)驗要求低，無須過多人員，降低人工成本[19-21]。此外，提高機械使用效率，減少租機臺數(shù)，降低機械設(shè)備租賃成本[19]，降低油料和材料消耗，同時減小對環(huán)境的影響[20]。

6 結(jié)語

本文采用全過程數(shù)字化管理手段，基于BIM技術(shù)開發(fā)全過程數(shù)字化管理系統(tǒng)平臺，協(xié)同高速公路工程建設(shè)過程中的測量、設(shè)計、施工以及檢測工作，對項目設(shè)計、過程、質(zhì)量、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、資源效率等方面協(xié)同控制，從而改善高速公路工程各施工階段的信息傳遞困境，有利于工程信息在各階段傳遞和共享，實現(xiàn)以數(shù)據(jù)為核心的管理體系，最終達到在保證質(zhì)量的前提下提升項目管理水平的目標。以金港高速公路工程為應(yīng)用實例，引入基于BIM的數(shù)字化施工技術(shù)，實現(xiàn)高速公路工程數(shù)字化全過程施工，不僅為高速公路數(shù)字化全過程施工技術(shù)研究奠定了理論基礎(chǔ)，也推進了高速公路數(shù)字化實際進程。

本文高速公路的數(shù)字化全過程施工技術(shù)定義僅涵蓋施工過程的4個重要階段，未來可適當增加其他階段，以更好地與現(xiàn)實匹配，并更加貼合施工過程管理。