基于BIM技术的数字化路基填筑施工过程控制研究

刘呈斌，董凤翔，谢先当，刘厚强

（中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031）

随着信息技术的飞速发展，智能化技术取得了长足的进步，人类社会正逐步向智能化时代迈进，铁路行业将紧跟时代发展步伐，积极推进智能铁路的发展[1]。在提倡国家经济高质量发展的同时，基础设施建设质量必将提高到新的台阶。传统的以人为主的工程建设方式已凸现出施工效率低、施工质量差、施工管理混乱等现象，近年来以数字化、信息化、智能化为核心的建筑信息模型（BIM）技术为工程建设施工方式带来了新的思路,基于BIM的数字化施工正处在逐步推广应用过程中[2-5]。

铁路工程建设中路基施工是重要的环节，路基填筑层的施工质量直接决定铁路工程的整体质量。传统施工方式导致路基的填筑质量存在路基填筑厚度不均匀、填筑宽度不足、超厚填筑、表面凹凸不平等问题。为解决这些问题，文献[6]提出基于BIM技术的施工管理软硬件系统，论述了基于路基连续压实的BIM自动生成算法理论，为基于BIM技术的路基连续压实奠定了理论基础；西（安）成（都）线江油北站路基BIM应用，初步提出了基于BIM的路基连续压实应用方案[7-8]。大瑞铁路路基BIM应用，分析了基于BIM技术的路基连续压实实施效果[9]。目前，基于BIM技术的路基连续压实系统在实际应用中存在系统误差较大、定位不准确、压实合格率偏低等问题，系统仍需不断优化；基于BIM技术的路基坡度控制系统研究尚少，需加强对该系统的研究。

文章以BIM、智能机械施工、路基连续压实等新兴技术为基础，结合丽（江）香（格里拉）铁路数字化施工应用，建立了基于BIM技术的路基连续压实系统和坡度控制系统，并提出了基于该系统的施工流程。

1 路基填筑理论基础

1.1 路基填筑质量关键控制因素

为确保路基填筑质量、为后续大面积施工提供可靠的资料和相应的施工参数、避免盲目施工给工程带来的损失，路基填筑施工前需要选择一段有代表性的路基段进行路基工艺性试验。针对不同的填料、不同的路基填筑部位、不同的压实机具，确定合理的松铺厚度、压实遍数、含水率等施工工艺参数。因此，根据施工过程与试验目的性质，可以把路基填筑质量控制关键因素分为3类：

（1）填料因素。包括填料类型、含水率等填料性质因素的控制。填料控制通过在填料生产、运输、填筑现场的控制来稳定填料性质。

（2）填筑几何因素。包括填筑松铺厚度，表面横坡、纵坡和平整度等几何尺寸的控制。填筑几何控制通过在填料铺设过程中稳定填筑体的几何尺寸，确保后续碾压过程能实现最优的压实效果。

（3）碾压因素。包括振动碾压质量、碾压路径，碾压遍数，强、弱振分布等碾压方式的控制。碾压控制通过在碾压过程中确保压路机按实际工艺要求进行碾压，实现最优的压实效果。平地机、压路机等施工设备智能升级，所以，目前基于BIM和数字化施工技术的路基填筑施工过程主要要控制填筑几何因素与碾压因素。

1.2 传统填筑施工存在的问题

传统方式填筑施工时，路基填筑层的几何尺寸控制方式为：（1）通过测量人员现场进行打桩、放样提供参考依据；（2）现场技术员指挥施工机械提供引导信息；（3）机械操作员依据放样桩和技术员的引导进行坡度控制施工。由于施工人员经验与技术参差不齐、施工过程中对放样桩的破坏和操作员视线遮挡等因素，导致路基填筑厚度不均匀、填筑宽度不足、超厚填筑、表面凹凸不平等问题。

传统方式填筑施工时，每层施工都需核对层标高，控制下一层填筑几何尺寸在误差允许范围内为主。这样的施工方式存在累计误差，填筑时往往会出现少层的情况。

1.3 数字化施工填筑思维创新

数字化施工应用初期的西成线江油北站项目中，消除了传统方式填筑施工的不良因素。但是项目以控制单层几何尺寸为目标，由于坡度控制系统存在系统误差，所以每层都需对施工BIM模型进行调整。这样施工过程中带来了大量的数据准备工作，同时也无法避免施工层与设计层不一致问题。

通过对西成线江油北站项目的总结分析，发现坡度控制系统误差可以控制在1～2 cm的范围内，可采用控制层标高方式将累计误差分布到每层中，从而消除设计层与施工层不一致的情况。因此，在丽香铁路数字化施工应用中转变思路，控制施工BIM每层的设计标高方式，进行数字化施工。解决施工层与设计层不一致问题，保证填筑每层的几何尺寸，使路基填筑数字化施工进入可简易应用阶段。

2 数字化施工填筑几何控制

2.1 坡度控制系统

数字化施工中对路基填筑层的几何尺寸控制主要通过在推土机、平地机中加装坡度控制系统实现。坡度控制系统主要组成：

（1）2个GNSS流动站、无线电台、智能控制箱和液压控制器等设备。2个GNSS流动站与无线电台实现推土机、平地机的铲刀在三维空间中精确定位。

（2）智能控制箱通过收集、整理、分析施工中的BIM设计数据、铲刀实时工作状态与过程数据，以图形化、数字化方式展示机械设备施工状态，帮助机械操作员或施工机械快速、准确地完成坡度控制。

（3）液压控制器接收智能控制箱的指令数据，控制机械油压数据使铲刀自动进行工作。坡度控制系统基本框架，如图1所示。

图 1 坡度控制系统基本框架

通常，推土机安装引导型坡度控制系统（无液压控制器），用于填筑层铺设填料的粗平工作。机械操作员通过查看智能控制箱屏幕指示，驾驶推土机并手动控制铲刀完成坡度控制。平地机安装自动型坡度控制系统，用于填筑层铺设填料的精平工作。机械操作员设置智能控制箱自动状态并驾驶平地机前进，同时智能系统自动控制铲刀完成坡度控制。

2.2 坡度控制方式

通过丽香铁路数字化施工项目的应用，数字化施工坡度控制方式和步骤如下：

（1）确定粗平厚度差h推、精平厚度差h平、松铺系数、填筑厚度。填筑前先进行压实工艺性试验，确定推土机粗平过后填筑层表面与压路机压实后填筑层表面的厚度差作为粗平厚度差h推；确定平地机精平过后填筑层表面与压路机压实后填筑层表面的厚度差作为精平厚度差h平；确定松铺系数用于施工时准备填料；确定填筑厚度用于施工分层。

（2）设计BIM向施工BIM转换。通过填筑厚度将设计模型中按填料进行的分层细化到按施工进行的施工填筑层。

（3）坡度控制系统设置。在推土机的引导坡度控制系统中设置粗平厚度差h推，用于计算推土机实际工作模型位置。在平地机的自动坡度控制系统中设置精平厚度差h平，用于计算平地机实际工作模型位置。

（4）导入施工BIM。将施工BIM导入坡度控制系统中，机械操作员可根据施工层位置选择对应施工BIM进行施工。

（5）层施工前准备。采用松铺系数与对应层施工BIM体积（实方量）计算准备填料方量；机械操作员选择对应层的施工BIM。

（6）引导方式粗平。推土机操作员依据坡度控制系统提示信息，手动控制铲刀进行粗平。

（7）自动方式精平。平地机操作员驾驶平地机行驶，坡度控制系统自动控制铲刀进行精平。

（8）整理资料。收集整理粗平、精平施工数据与施工后的表面模型。施工过程和成果数据可放置于BIM中进行分析、展示、回溯施工，并为以后的勘察设计施工提供可靠的资料。

3 数字化施工填筑碾压控制

3.1 连续压实系统

数字化施工中对路基填筑层压实控制主要通过在压路机中加装连续压实系统实现。连续压实系统基本框架，如图2所示。连续压实系统主要由GNSS流动站、无线电台、智能控制箱、压实传感器等设备组成。GNSS流动站与无线电台实现压路机的振动碾在三维空间中精确定位；智能控制箱通过收集、整理、分析施工中的BIM设计数据、振动碾实时的过程数据、压实传感器数据，以图形化、数字化方式展示机械设备施工状态，帮助机械操作员和施工机械快速、准确地完成压实控制；压实传感器采集连续压实值数据，发送到智能控制箱中。连续压实系统控制箱工作界面，如图3所示。

3.2 碾压控制方式

传统方式填筑施工时，路基填筑层的碾压控制完全由压路机操作员决定。由于施工人员疏忽或工期紧张等因素影响，导致路基填筑会出现压实遍数不足、碾压不均匀、路基边缘漏压等突出问题。

数字化施工碾压时,连续压实系统可记录压路机行驶轨迹、填筑层的碾压效果数据。从而监督压路机操作员,使其严格遵照压实工艺施工杜绝碾压过程中人为因素影响压实质量。

通过丽香铁路数字化施工项目的应用，数字化施工碾压控制方式和步骤如下：

图 2 连续压实系统基本框架

图 3 连续压实系统控制箱工作界面

（1）确定压实遍数、强弱振分布、连续压实回归方程、连续压实目标合格值。填筑前先进行压实工艺性试验，确定压路机碾压的遍数与每遍的强弱振情况；工艺性试验的同时，进行连续压实相关性检测，确定连续压实回归方程与目标合格值。

（2）设计BIM向施工BIM转换。

（3）连续压实系统设置。在压路机的连续压实系统中设置碾压遍数，连续压实目标合格值。

（4）导入施工BIM。

（5）层施工前准备。机械操作员选择对应层的施工BIM。

（6）连续压实碾压。机械操作员以连续压实系统提供的当前位置的压实信息进行精准碾压。

（7）常规质量验收检测。根据填筑层的性质采用单点事后检测方式，进行基床系数K、地基系数K30、动态变形模量EVD等常规检测[10-11]。

（8）整理资料。收集整理碾压施工数据与施工后的表面模型，生成连续压实值报告、压实遍数报告等。施工过程和成果数据可放置于BIM中数字化施工进行分析、展示、回溯施工，并为以后的勘察设计施工提供可靠的资料。

4 数字化施工质量分析

数字化施工主要控制填筑层几何尺寸和碾压过程，通过精准、稳定的填筑层纵坡、横坡、厚度、平整度等几何参数和完整的碾压过程来提升填筑层的碾压质量。下面将结合丽香铁路数字化施工应用成果，对数字化施工实施前与后的施工质量进行对比说明。

4.1 数字化施工前填筑质量

数字化施工实施前，填筑层压实效果不佳。如图4所示，填筑层表面要求纵坡为2.5‰，实际施工完成表面纵坡分三级变化。横坡应为人字型横坡，实际施工完表面则向一侧倾斜。从而导致填筑时出现大小里程填筑厚度不均匀情况，碾压效果也因厚度发生变化。

图4 数字化施工实施前填筑质量

4.2 数字化施工后填筑质量

如图5所示数字化施工实施后，填筑层压实质量有明显改善。填筑层表面横坡、纵坡均满足设计要求，并且每层可以稳定控制坡度、厚度。从而使填筑质量有明显提升。

图 5 数字化施工实施后填筑质量

5 结束语

分析路基填筑质量关键控制因素和传统填筑施工存在的问题，提出基于BIM技术的数字化填筑施工方法，主要研究了路基填筑坡度控制系统和路基连续压实控制系统的基本框架与应用实施流程；将基于BIM的坡度控制技术和连续压实技术应用于丽香铁路路基填筑施工，对比数字化填筑施工前后路基填筑质量，结果表明，采用数字化填筑施工方法，填筑质量明显提升，达到了预期的效果。本文研究的数字化填筑施工技术有一定实用价值，为铁路路基数字化施工提供了参考。

铁路工程施工环境复杂多变，在施工过程中存在水文、地质、气候环境、机械等方面的影响，因此，还需要在更多的工程中研究试点，持续优化施工方法和控制系统，进一步完善实施流程。