基于BIM技术的土石方填筑精细化监控技术

宋自飞，赵宇飞，聂 勇，张建喜，赵慧敏

（1.广东省水利电力勘测设计研究院，广东省广州市 510635；2.中国水利水电科学研究，北京市 100038；3.北京喜创科技有限公司 100097）

0 引言

BIM（Building Information Model）最早起源于20世纪70年代，但是直到2010年才在国内得到了蓬勃发展，对目前传统的土木工程建设运行中的设计、施工、运维等不同阶段带来了强大的冲击[1]。近十年来，许多大型土木工程建筑、水利水电、铁路交通等设计院都在大力推广应用BIM技术，BIM技术也为新的立体化、模块化设计带来了重要的技术手段[2]-[5]。在这样的背景下，出现了行业设计单位联合成立的各种设计联盟，如水利水电BIM设计联盟、铁路BIM设计联盟等，并且不同的行业，不同的地区也相继推出了不同的BIM技术相关设计标准。如中国建筑科学研究院主编的《建筑信息模型应用统一标准》[6]、中国建筑标准设计研究院主编的《建筑信息模型施工应用标准》[7]等已经由住建部批准颁布实施；水利行业也正在编制《水利水电工程设计信息模型交付标准》等，这都标志着BIM技术已经从设计阶段逐步走向了的施工阶段，如果BIM技术在施工阶段能够得到广泛应用，取得重大应用进展的话，该项技术则会真正实现工程建设运行全生命周期的应用[8-10]。

在这样的背景下，本文结合水利水电、铁路交通等工程中的重大土石方填筑工程，如土石坝填筑、铁路路基填筑等方面，利用高精度卫星导航技术、物联网技术、云计算技术以及大数据技术，基于BIM与GIS模型，开展了基于BIM技术的土石方填筑施工过程精细化智能监控技术的研究与应用。目前该技术已经在国内的几处重要工程中得到了推广和应用。

1 土石方填筑精细化控制

1.1 土石方填筑施工控制流程

图1是目前土石坝的常见的施工工序，以及不同工序所对应的控制因素。通过图1可以看出，对于土石坝来说，主要的施工流程基本上都是相同的，每一个施工工序需要考虑不同的施工工序之间的衔接与干扰，争取在有限的施工场地、运料道路、施工机械条件下，通过高效的数字化、实时化以及精细化的智能管理，实现工程建设的施工高效与质量可控。在经济、安全、可靠的要求下实现大坝的填筑施工。

图1 土石方填筑施工流程图Figure 1 Construction flow chart of earthwork filling

1.2 土石方填筑主要控制重点

土石方填料的物理特性对其在碾压之后的压实特性有着很大的影响，对于细粒料来说，土石方填料的含水率是影响其压实特性的最主要的指标；而对于粗粒料来说，土石方填料的颗粒分布范围，也就是土石方填料的级配曲线是否在设计的颗粒分析级配包线内，是影响其压实特性的最重要控制指标。另外，在土石方填料进场之前，可以根据土石方填料的含水率状态进行土石方填料加水，加水量需要根据运输车所运输的土石方填料重量、土石方填料需要控制的含水率以及土石方填料进场之前含水率状态进行设定。在土石方填料碾压施工之前，土石方填料质量是否满足设计要求，这是重要的填筑施工管理前提。

土石方填料合格之后，需要按照设计的标准进行土石方填料的摊铺，在摊铺过程中，最重要的摊铺控制指标是摊铺厚度。对于不同的土石方填料，控制的摊铺厚度是不同的，而不同的土石方填料在摊铺的时候的控制摊铺厚度是通过碾压试验确定的，保证针对不同的土石方填料在最小的压实机械功作用下土石方填料得到最大的压实程度。

在碾压施工过程中，最重要的控制指标是碾压机械的碾压遍数、振动频率以及碾压速度，通过这三个机械施工的控制指标的实时监控，可以保证碾压机械能够按照试验选定的施工参数进行。

另外在土石方填料碾压施工过程中需要重点关注的是，不同土石方填料分区之间、不同土石方填料层位之间以及坝体与岸坡之间的结合部位的施工过程的监控与施工质量的监测，这几个部分是大坝坝体中相对较为薄弱的环节，这几个部位的质量控制不好，可能会引发较为严重的后果。

2 基于BIM的施工过程监控系统

主要结合水利水电工程中土石坝的建设施工管理需求，依据大坝填筑施工过程现场管理模式以及大坝填筑质量检测相关规定，利用高精度卫星导航技术、物联网、大数据、云计算等技术，建立了大坝填筑实时智能化监控系统。该系统拓扑图如下图2所示：

图2 大坝填筑施工过程实时智能化监控系统拓扑图Figure 2 Topology of the real-time intelligent monitoring system during dam filling

从图2可以看出，在大坝填筑施工过程中，经过动态的数值差分处理，施工机械实时运行坐标以及相关施工参数可以按照标准化的格式实时进入到设置的云或本地服务器中，工程施工中的各级不同的用户通过WEB端，可以实时访问系统，并且根据相关工程设定的内容进行管理职责不同，进行工程管理过程中的仓位设置、现场开仓确定、数据采集与分析、质量分析以及施工机械管理等工作，通过系统的应用，可以有效提高水利工程建设现场的协同管理水平。

大坝填筑施工过程实时智能化监控系统的主要结构图如图3所示。系统主要架构包括三个部分，硬件部分、软件部分以及数据传输与交互部分。硬件部分，主要包括安装在大坝填筑施工机械上的高精度定位接收机、工业平板电脑、压实度传感器等硬件设备。软件系统，主要是实现大坝填筑施工数据实时展示与分析的软件系统，供现场以及后方的工程建设管理人员使用，为大坝施工现场管理与快速调度提供了重要的管理手段。数据交互系统，为保证施工数据的实时传输与展示，利用自建网络系统或GPRS商用网络系统进行数据传输。另外，建立了以电台进行数据传输与校核的RTK差分网络系统，保证大坝填筑施工过程数据的精度。

图3 大坝填筑施工过程智能化监控系统组成示意图（a）监控硬件；（b）数据交互系统；（c）数据分析系统Figure 3 Composition of the intelligent monitoring system in the dam filling process

图4是某工程大坝的标准剖面图，结合水利工程的项目划分内容，大坝作为一个单位工程，按照大坝不同填料进行划分分部工程，坝体结构从上游到下游主要分为：混凝土面板、垫层料区、过渡料区、砂砾石主堆料区、爆破料次堆料区，另外在坝下还有水平排水条带。

图4 某大坝的标准剖面设计图Figure 4 Section design drawing of a dam

根据大坝剖面设计，构架了大坝坝体的BIM模型，模型中对坝体每一个分部工程都进行了单独的划分显示，如图5所示。这个模型为大坝施工过程中不同分部工程中单元工程的实时生成与质量控制提供了重要的基础。

图5 某大坝的三维BIM模型结构示意图Figure 5 Structure diagram of 3D BIM model of the dam

结合大坝填筑施工工艺及现场管理流程，将BIM模型的分解与实际施工过程结合起来，完整真实地反应大坝填筑施工过程。下面对该系统中目前主要模块以及主要实现功能能够满足大坝填筑碾压过程中的主要功能模块进行介绍。

2.1 工程基本信息整理与展示

根据工程建设中对大坝所进行的不同施工单元的划分与确定，这样就可以利用这些基本信息对大坝施工过程中采集到的相关数据进行不同区域与施工部位的整理与分析，为数据管理与质量检测分析提供了最重要的基础信息。同时可将大坝三维图形在线显示，如图6所示。

图6 大坝填筑碾压施工过程实时智能化监控系统中的大坝三维图形Figure 6 Three-dimensional graph of the dam in the real-time intelligent monitoring system during the dam rolling process

利用该模块，可以将大坝单元工程划分与实际工程中大坝填筑施工过程结合起来，实现大坝填筑碾压施工过程的实时智能化控制，为每一层坝料摊铺，也就是每一个单元工程的质量回溯管理提供重要的信息。

2.2 施工过程实时监控分析模块

该模块中，可结合能够自动生成的不同高程坝面平切图，并在该平切图上显示实时施工过程信息，以便管理方对施工过程进行控制与实时调度。图7中可以实时显示碾压机械的碾压遍数、碾压速度、机械振动频率以及实时坐标等信息，实时坐标为大坝施工坐标，为工程的施工管理提供精准的位置信息。

图7 实时智能化监控系统中碾压机械的信息Figure 7 Information of rolling machinery in the real-time intelligent monitoring system

利用该模块，可以实现对大坝碾压施工过程中施工信息进行实时监控。其中该界面右侧上方的白框内所标示的是大坝碾压施工过程控制参数，实际工程中可按照该参数对施工机械的碾压状态进行控制。

同时该模块中还设置了添加历史数据的功能，可以按照某时间节点以后的某几台车的施工信息添加进来，也可以按照某个制定区域进行历史数据的添加，有利于管理人员对现场的管理工作。

图8 实时智能化监控系统中的大坝碾压数据的剖面分析Figure 8 Profile analysis of dam rolling data in the real-time intelligent monitoring system

2.3 大坝碾压施工质量分析功能

对已经碾压结束的区域，大坝碾压施工质量检测工作可以通过施工质量分析模块进行。可以按照施工仓位（单元）、一定时间内某几台碾压机械以及某一个具体桩号范围内采集到的坝体填筑数据进行综合分析，并且可以实现某一个施工范围内的施工过程的重演。根据分析结果，可为工程质量检测提供坑位参考，保证大坝施工质量控制。

另外，为了更形象分析不同剖面中碾压层厚及不同层之间的结合情况，系统还开发任意的沿着坝轴线或者垂直坝轴线的碾压数据剖面分析功能，以便全方位地了解大坝整体碾压施工过程及数据，如图8所示。

2.4 施工报表生成功能

在实际工程中，每个部位施工区域完成之后，可由系统自动生成该施工区域的施工报表，可作为施工质量评价的重要附件，为大坝工程施工质量检验与评价提供重要参考。

3 结束语

在土石方填筑工程中，设计阶段与施工阶段的BIM模型交互与共享还存在一些问题，参考铁路交通、工民建等领域的BIM交付与审核，提出了土石方工程的设计BIM模型的交付标准与施工单位对其的审核校验的内容，有利于BIM模型真正能够在设计、施工两个阶段内实现无缝交互。

基于BIM技术，利用高精度卫星定位技术，实时动态差分技术，无线数据传输技术，大数据技术，以及图形分析技术等，实现了大坝填筑碾压施工过程的在线、实时监控，并通过便携式的数据终端，可以实时对现场施工进行实时调度与调整，为现场施工和监理提供了有效的管理控制平台，保证大坝碾压施工质量。并且在实时监控系统上形成了流程化的施工管理模式，切实提高了大坝填筑施工工效。所建立的土石方填筑施工过程实时智能化监控系统，能够有效地提高工程施工过程管理的智能化管理水平、提高施工效率，保证施工质量。

大坝填筑碾压施工监控系统在某水利工程大坝填筑施工管理中实施以来，对大坝填筑碾压施工过程进行全过程、全天候、实时、在线监控，克服了常规质量控制手段受人为因素干扰大、管理粗放等弊端，有效地保证和提高了大坝填筑施工质量。