浅谈3D自动化摊铺系统在公路工程施工的应用

刘付旭

(广西桂通工程咨询有限公司，广西 南宁 530028)

0 引言

随着社会的不断发展进步，利用先进的科学技术手段提高工程施工管理水平，特别是应用数字化施工提高工程施工质量水平和施工效率，是当今工程建设共同追求的质量和效益目标。工程数字化施工就是使用计算机、定位、自动控制以及可视化等技术将工程建设整个过程数字化、信息化、智能化、可视化，从而达到现代化施工建设的目标。数字化的施工与管理是大型建设工程现代化的需要，也是数字化时代的必然趋势。数字化施工以其所倡导的安全施工、绿色环保施工和高科技施工的理念，受到越来越多国内外建筑企业的关注和应用。

1 3D自动化摊铺机控制系统施工作业流程

1.1 前期准备阶段

1.1.1 设备准备

3D摊铺试验主要设备投入见表1。

表1 主要设备投入表

1.1.2 人员准备

3D摊铺试验人力资源使用情况见表2。

表2 3D摊铺试验人员情况表

1.2 施工准备

1.2.1 摊铺数据准备

内业数据准备工作主要是将传统的工程施工设计数据和图纸进行三维数字模型建立，即利用3D摊铺系统配套的软件将原有的工程二维设计蓝图转化成机械设备、测量设备能够自动识别的三维电子设计图。

1.2.2 施工现场准备

具体施工前正确连接3D自动化控制系统各个元部件，并且可以正常工作；下承层通过验收合格；现场各施工设备、人员按要求到场，各施工设备、仪器试运转正常。

(1)系统安装与调试

①摊铺机机械、电器、液压系统达到设备出厂使用要求；

②系统安装在足够平整的场地，附近配合辅助设备。

(2)现场测量控制点加密及控制点精度检核

①控制点精度检核符合规范要求；

②控制点加密满足施工要求。

(3)铺筑段数据设计

需要施工测量人员配合提供如下资料：

①线路设计水平定线参数，包括交点坐标、曲线要素等；

②线路设计垂直定线参数，包括变坡点里程、高程、曲线要素等；

③线路设计标准横断面图，以及曲线段超高、加宽的设计参数；

④线路设计逐桩坐标(最好是三维点坐标)；

⑤铺筑段区域至少有三个以上互相通视控制点坐标。

1.2.3 施工摊铺阶段

(1)摊铺之前与现场施工负责人沟通摊铺机行进方向，与现场测量负责人员确定铺筑段的松铺系数。

(2)全站仪架设位置选取和摊铺铺筑段原地面平整度检查，现场施工管理人员配合管理现场车辆，及时调度辅助施工人员，防止出现遮挡仪器现象的发生。

(3)系统正确配置、简化施工流程，节省施工时间和人员投入，提高工作效率。

(4)实时的摊铺测量检测，根据实时测量结果，3D自动摊铺系统会自动调整摊铺厚度、坡度和方向。

(5)全自动3D控制精确稳定，避免人为误差，精确控制每一摊铺层的摊铺标高、厚度和坡度。

1.2.4 摊铺数据采集分析存档

(1)摊铺测量数据分析

根据现场检测数据采集分析，采用3D自动化摊控制系统进行的施工和采用传统施工方法进行施工的数据精度基本上一致，无论压实后和松铺检测的实际摊铺标高与设计标高误差都在10 mm以内，并且设备运行非常稳定，3D自动化摊铺控制系统的测量、施工精度完全符合施工技术规范要求。

(2)数据存档

建立数据库，按照需要和规定要求储存测量数据，并向业务部门提供存档数据。

2 3D自动化摊铺技术应用与传统施工工艺对比

2.1 传统摊铺施工方法

传统的公路工程路面各结构层的施工方法，主要是摊铺机在进行摊铺施工时采用自动调平系统接触式滑靴和非接触式声呐这两种作业方式，即采用滑靴传感器或声呐追踪器参照测量人员架设的铝梁或者基准进行引导摊铺施工。施工时需要较多的人工进行基准导线的架设，以及道面的前期、后期测量工作，且施工过程中无法进行实时监测，只能事后调整弥补，经常会出现由于基准线设定错误而导致的返工，现场协调比较费时费力，施工过程需要耗费较多的人力、物力和财力。

2.2 传统施工方式存在的问题

2.2.1 人为因素对基准的影响

传统引导基准是采用水准仪读取水准尺高程读数计算确定的，而且基准导线在架设过程中准确度绝大多数依赖施工技术人员的工作责任心和正确的计算及操作方法，人为因素在很大程度上影响着基准引导线的架设的精度。

2.2.2 工程机械对基准的影响

由于摊铺过程中摊铺机可能会撞到基准桩或者料车不慎碾压基准线等情况的发生，都会导致架设基准的偏差进而出现摊铺施工的误差。

2.2.3 摊铺施工设计标高控制不能保障

通过平衡梁或者滑靴进行摊铺施工可以较好的控制摊铺的平顺性和平整度，但是却不能确保同时控制摊铺标高，很难对标高精准控制。

2.2.4 测量工作量大，需要大量的辅助人员

通过平衡梁或者滑靴进行摊铺施工需要大量的测量人员和测量辅助人员做好施工摊铺前期测量准备工作和摊铺过程中的测量检测工作。

2.2.5 施工作业人员工作强度高，容易疲劳，不利于施工质量和安全管控

传统的摊铺施工受外界因素影响大，往往在赶工期。为了施工进度需要进行长时间的连续施工作业，由于施工作业人员的疲劳、困乏，不可避免的会增加施工出现错误和事故的机率，容易产生工程质量和安全问题。

2.3 3D自动化摊铺系统施工的优势

2.3.1 传统施工向数字化施工的转变

传统的工程设计借助于Moss(MX Roads)、AutoCAD等软件实现了二维和三维的工程设计，然而这些设计仅仅停留在电脑或图纸显示上，无法真正应用于施工，这就产生了设计和施工的脱节，降低了设计文档的使用效率。3D自动化摊铺系统配套的软件可以很好地解决了这一难题，将工程设计与实际施工相融合，数字化施工是实现全自动化施工的转变。

2.3.2 数字化摊铺施工

无需人工架设引导基准，采用全站仪引导进行精准数字化施工作业。在确保摊铺标高的同时兼顾了摊铺面的平顺性和平整度，可以提供完整的联合施工解决方案，可以把施工的各个相关密切的联系起来。施工信息可以通过统一平台在施工方进行分发和分享，实现工作的协同，实现数字化、自动化施工作业，提高工作效率。

2.3.3 施工过程化控制

对摊铺面进行实时的三维坐标数据检测和施工质量进行反馈，精准的控制施工全过程。实现施工过程透明化，掌控施工质量。可以实时了解该路面结构施工层情况，还可以显示施工报告实时掌控施工的过程，把数字化模型放到机械控制中，确保在第一次施工中就可达到要求。

2.3.4 节省资源投入，提升安全作业水平

3D摊铺自动控制系统工作时不需要太多的施工人员和施工辅助人员，大大降低了施工人员的劳动强度，节省资源投入；施工现场整洁有序，确保人员和机械设备的安全，确保安全、减少施工事故。因为可以实时监控施工现场，了解人员、设备、机器的准确位置，可以实现施工的安全；同时因为减少了人机混合作业，避免了安全事故的发生。

2.3.5 智能化施工作业

把设计数据导入到3D摊铺自动控制系统，施工过程系统自动的进行控制，无需测量放样和找基准线，减少了人为因素对施工质量的影响，实现智能化施工作业，提高施工质量水平。

2.3.6 标准化施工作业

系统根据现场摊铺施工规范和要求，标准匹配施工作业进度。节约施工成本，无须打桩放样，无须进行人工测量，可以大大的减少工程等待的时间，提高机械使用的效率，减少重复推平，降油耗，节约物料等，实现自动化、标准化施工。

2.3.7 全天候施工作业

系统施工不受光线影响，可以24 h全天候施工作业。提高效率，缩短工期，避免返工。

2.3.8 实践应用取得的成果

广西柳州至南宁高速公路改扩建工程项目№8合同段在路面工程施工中采用了3D自动化摊铺系统进行摊铺施工作业，节省了资源投入，提高了工作效率，提升了安全施工作业和施工质量水平，取得较好的成果，见图1、图2。

图1 3D自动化摊铺系统应用施工现场图

图2 3D自动化摊铺系统施工效果图

3 结语

3D自动化摊铺系统在柳州至南宁高速公路改扩建项目路面工程施工中得到了较好的推广和应用，提升了路面工程施工管理水平和施工质量水平，节约资源投入，提高工作效率。当今机械控制系统已经非常成熟，可以提供完整的联合施工解决方案，把施工的各个相关方密切的联系起来。施工信息可以通过统一平台在施工的相关方进行分发和分享，实现工作的协同，提高工作效率。机械控制技术由于其在应用中的实际效果和便利的操作性，在工程建设领域得到了广泛应用。

数字化施工一定是工程机械行业的未来，传统的工程方式是操作人员看图纸根据自己的操作水平去使用工程机械来达到工程的效果，而未来可以转换成工程机械能够读得懂的数据，数据会控制机械操作，减少人的控制和误差。数字化施工解决方案的应用为当今工程建设技术革命带来了新的突破。

[1]JTG/T F20-2015，公路路面基层施工技术细则[S].

[2]JTG/T F40-2004，公路沥青路面施工技术规范[S].