王輝/ WANG Hui 1，馬東紅/ MA Donghong 2，王天全/ WANG Tianquan 2，陳毅/ CHEN Yi 1

　　（1.北京場道市政工程集團有限公司，北京 100621；2.拓普康索佳（上海）科貿有限公司，北京 100124）

　　摘要：為了高質量按期完成工程建設，解決傳統瀝青攤鋪施工中存在的平整度和厚度控制困難與機場跑道施工對精度控制要求嚴格兩者之間的矛盾，引入拓普康mmGPS 3D攤鋪控制系統進行邯鄲機場跑道的瀝青施工。基于數字化的手段進行BIM建模，實現對攤鋪機作業高精度、自動化的控制，通過對竣工數據的采集分析，驗證3D控制系統的性能，并與傳統施工方式進行對比分析。

　　關鍵詞：3D數字化施工；自動化控制；攤鋪技術；瀝青攤鋪；邯鄲機場；mmGPS；TOPCON；拓普康

　　0 前言

　　隨著我國交通建設事業的不斷發展，對路面施工質量和施工效率提出了更高要求。國標GBJ92-86《瀝青路面施工及驗收規范》規定瀝青路面平整度應不大于2.5mm，并隨之從歐美引進了如MOBA、拓普康等品牌的滑靴和非接觸平衡梁等2D攤鋪控制工藝，實現對攤鋪厚度和平順性的控制。但受限于自身的工藝特點，2D攤鋪系統存在受鋼絲繩架設精度及原地面影響較大，需要較多人力投入，無法同時兼顧厚度和平順性等問題。進入21世紀，歐美國家開始采用了基于3D數字化攤鋪控制工藝，可以有效解決傳統2D攤鋪方式的諸多弊端或問題。

　　1 項目及應用背景

　　邯鄲機場（HDG）作為京津冀交通一體化重點建設項目，三期改擴建工程于2018年5月正式開工建設，工程主要包括新建大型航站樓、航管樓、跑道升級和通航機庫等。

　　由北京場道市政工程集團有限公司承建的跑道升級是本次改擴建工程的核心組成部分，于2019年4月正式開工建設。工程主要包含新建滑行道瀝青道面工程，通用航空聯絡道（瀝青）工程，南北側滑行道及防吹坪接坡工程，舊道面處置灌漿加固和跑道道面、道肩瀝青混凝土蓋被工程等。工程于6月份進入最為關鍵的跑道（長2600米、寬48米）瀝青攤鋪施工階段。該工程共有兩部分組成，即9cm厚的下面層AC-20改性瀝青混凝土（攤鋪面積約128538m2）攤鋪和6cm厚的上面層SMA-13改性瀝青混凝土攤鋪。

　　《民用機場瀝青道面施工技術規范》（MH/T 5011-2019）中明確要求，瀝青道面鋪筑的每層鋪筑的厚度誤差最大不低于-3mm，高程誤差為中下面層 -3mm～+5mm，上面層±3mm。該工程為夜間不停航施工，每天施工時間只有凌晨1點到早晨7點共計6個小時的作業窗口，除去前期準備和機械設備、人員撤場及已鋪瀝青冷卻等必須花費的時間，實際每天攤鋪作業可用的時間不到5個小時，并需要在1個月內完成。工程當期恰逢雨季且為夜間施工，工程的質量要求高、時間緊、任務重，工期一旦延誤不僅會造成嚴重的經濟損失，更是給機場的安保和航班正常運行造成壓力。

　　為了高質、高效地完成跑道攤鋪，工程決定采用拓普康mmGPS 3D攤鋪控制技術，這也是國內首次6機聯鋪配套3D攤鋪控制系統，即3D數字化施工在機場不停航工程項目上的正式使用。

　　2 3D攤鋪工藝介紹

　　mmGPS 3D攤鋪控制系統是將GNSS衛星定位、域激光、機械自動化控制和3D數字化建模等諸多技術融為一體，主要由GNSS基準站、域激光發射器、mmGPS流動站和P63攤鋪機自動控制系統四部分組成（參見圖3）。在有效工作范圍內，3D攤鋪控制系統定位精度平面為1?2cm，高程為1?2mm。3D攤鋪系統實時定位的三維信息（3D）通過與數字化的設計模型(BIM)實時對比生成基于位置的高程修正信息，基于對應比例的驅動信號，通過液壓閥驅動攤鋪機牽引臂液壓油缸，使熨平板進行相應方向和數值上的實時調整，從而使攤鋪道面根據對應位置設計坡度和高程實時精準變化調整，并彌補路面波動變化，實現按設計要求攤鋪的路面平整度和厚度（加松鋪系數）。

　　采用3D攤鋪控制系統，可以有效修復原有路面的起伏，可同時兼顧路面攤鋪的平整度和厚度，確保路面的攤鋪質量，在節省人力投入的基礎上，整個瀝青攤鋪過程實現了無樁化攤鋪、過程化控制、智能化操作、數字化管理的施工控制模式。

　　mmGPS流動站是3D攤鋪控制系統的重要組成部分，也是實現攤鋪過程控制和動態質量管理的重要手段。在正式攤鋪作業前，首先采用mmGPS流動站檢查數字化設計和待鋪工作面的符合情況，完成質量控制的事前檢查。在實際鋪筑過程中用mmGPS流動站實時檢測攤鋪后的作業面是否符合設計要求，若出現超出設計容許范圍的偏差可實時動態地調整攤鋪機，以確保熨平板始終穩定且高質量按照設計數據完成攤鋪作業。鋪裝和壓實作業完成后，再使用mmGPS流動站在完成鋪筑的路面上做進一步的攤鋪質量檢查和數據采集，反向驗證松鋪系數，并為每層攤鋪的路面驗收提供數據依據和竣工成果記錄。

　　3 工程具體實施

　　3.1 數據準備

　　3D攤鋪機自動控制施工過程中用到的平面坐標信息和高程信息，需要基于三維坐標的控制點作為基準提供，系統配備的LZ-T5域激光發射器有效工作半徑為300m，為了保證瀝青攤鋪的高程控制精度，通常要求在攤鋪作業時的發射器覆蓋半徑控制在150m。在本項目的前期準備階段，為了滿足系統控制精度的要求，我們采用在跑道兩側交叉布設包含三維坐標的控制點的方式，點縱向間距為100m，控制點的橫向距離跑道邊緣為30m。本項目布設控制點的高程均采用高等級電子水準儀DL-502進行閉合水準聯測，點位布局如圖4所示。

　　控制點布設完成后，采用mmGPS流動站配套LZ-T5域激光發射器完成毫米級的原地面復測，結合使用CAD與Topcon 3D-Office數字化設計軟件的方式對施工數據進行處理，實現攤鋪作業面數據的3D數字化建模（BIM），整個過程自動化程度高，完成后的設計數據采用mmGPS流動站到現場進行復核檢查。本項目完成后的3D數字化模型參見圖5。

　　3.2 過程控制

　　3D攤鋪系統控制基礎是對接攤鋪機液壓閥的自動化控制，基于攤鋪系統實時的精準定位和改正信息控制熨平板的俯仰，從而實現攤鋪作業的自動化。本項目采用的3D攤鋪控制系統無需加裝外置液壓閥，即可實現對各廠家型號液壓型攤鋪機的兼容，采用機械控制3D-MC系統軟件對各廠家的液壓閥的具體參數進行修改即可使用，即插即用型的設計提高了系統的易用性。攤鋪機液壓參數的設置參見下圖6、圖7。

　　項目實施方案采用6臺攤鋪機，考慮到系統的單次投入成本，僅在其中4臺攤鋪機裝配使用了mmGPS 3D攤鋪控制系統。另外2臺攤鋪機基于前行3D攤鋪機已經鋪筑的工作面，采用跟隨搭接的方式完成攤鋪作業。

　　采用3D攤鋪控制系統，需要考慮如何避免攤鋪機的PZS-MC域激光接收器與LZ-T5域激光發射器間信號遮擋的問題。布設方案在跑道兩邊30m處各架設2套LZ-T5域激光發射器，激光發射器的間距為150m，在攤鋪機行駛過程中兩臺攤鋪機間距最少控制在12m左右，LZ-T5域激光發射器架設位置與攤鋪機的行駛陣列如圖9、圖10所示。

　　攤鋪實施過程中，攤鋪機起步階段與傳統方式相同，首先將熨平板墊到攤鋪設計面的高度，并基于每套攤鋪機的經驗值將標尺調整到合適位置。一般行走2?3m待攤鋪機運行狀態穩定且同時確認攤鋪面與設計面相符后開啟系統自動控制，即可實現攤鋪機的自動化作業。現場的測量人員采用mmGPS流動站需每間隔10-20m測量一次攤鋪后的表面數據與設計數據實時對比，有效實現攤鋪過程控制和動態質量管理，并在必要時在GX-60控制面板中對熨平板高程進行微調，如圖11～圖14所示。

　　工程于2020年6月2日正式啟動，在項目施工過程中，邯鄲市相關領導實地查看了3D攤鋪控制系統的應用情況，并同時強調科學安排施工工期，快速推動工程進度，確保施工質量符合行業標準，搶抓汛期來臨前的黃金施工期，盡快完成“跑道蓋被”不停航施工。項目部全體人員以施工過程中的安全、質量、工期目標為核心，精誠團結、嚴密組織、精心部署，在邯鄲機場改擴建工程指揮部及各協作單位的支持幫助下，通過精心施工，經過不懈的努力，在施工人員和3D攤鋪技術團隊的密切配合下，經過16天的奮戰，于6月19日凌晨6點30分，采用3D攤鋪系統的“跑道蓋被”不停航施工中最重要的“底面層攤鋪工程”順利合攏，為后續工作的順利開展奠定了堅實的基礎，施工作業現場圖參見圖15。

　　本項目的跑道蓋被主體工程于7月31日順利通過由民航華北地區管理局、民航河北監管局、民航專業工程華北質監站、邯鄲機場及設計、監理、施工等單位相關人員參與的行業驗收，取得標志性的勝利。mmGPS 3D攤鋪技術在本項目快速推進工程進度，確保施工質量方面發揮了不可替代的作用。是保證項目順利按時完成的關鍵因素，也是圓滿完成本次工程施工任務的堅實的技術保障，在我國機場領域不停航施工項目建設中具有重要意義。

　　4 數據對比分析

　　技術人員對攤鋪后的復測數據與設計數據進行了分析對比，內容包括高程數據及平整度數據的對比。經分析得知，mmGPS 3D攤鋪的合格率高達97.1%（-0.003～0.005mm）。誤差高于0.005m（不含）占0%，低于-0.003m占2.9%。攤鋪平整度100%合格，相比于傳統的2D攤鋪技術，3D攤鋪的質量和準確度有了質的飛躍，具體高程合格率及平整度檢測參見圖16、圖17。

　　5 2D與3D攤鋪工藝對比分析

　　傳統2D攤鋪工藝主要有掛線或架設鋁合金梁（接觸式滑靴）作為攤鋪調平基準和平衡梁（非接觸式）兩種。接觸式滑靴工藝通常用于水穩層、瀝青下面層乃至中面層的攤鋪作業，主要用于控制攤鋪的厚度。施工現場通常需要很多工作人員進行基準的架設。在攤鋪過程中無法進行實時監測，若出現質量問題，只能采用事后處理的方式進行彌補。

　　平衡梁則通常用于中、上面層的瀝青鋪筑工作，主要用于控制攤鋪的平整度。使用的前提要求底面高程與設計相符且具有較好的平整度（否則難以有效控制瀝青攤鋪厚度），在此基礎上可以更有效地控制瀝青攤鋪的平整度同時能有效兼顧精準控制攤鋪的厚度，結合前面對mmGPS 3D攤鋪控制系統的介紹和本項目的實際使用情況，將2D攤鋪和3D攤鋪的工藝對比情況列入表1供參考。

　　從上表比較可以看出，3D攤鋪控制系統在施工過程中有相比傳統施工方式的有諸多方面的明顯優勢。其中在工程質量方面，3D攤鋪系統能夠實現高標準的平整度、平順性與厚度控制作業。同時能夠實時檢測施工質量，做到攤鋪作業的全過程控制和動態質量管理。

　　在施工人員投入方面，相比傳統方式可以大幅度減少施工人員的數量，同時有效降低施工人員的勞動強度，提升工作效率，最大程度上減少人為誤差等。在施工成本的控制方面，可以實現材料的最大有效利用，減少優質材料的浪費，有效控制工程造價。

　　3D攤鋪控制系統作為一項革命性的技術，同時具有很好的易操作性，支持觸控操作及中文界面，便于國內用戶的使用和推廣，新技術的有效應用可以顯著提升企業的市場競爭能力和軟實力，必將成為未來實現國內數字化施工在攤鋪領域應用的重要技術手段。

2D攤鋪滑靴工藝

2D攤鋪平衡梁工藝

3D攤鋪完工實拍效果圖

　　6 3D系統使用注意事項

　　任何新技術的推廣和使用都應結合其自身的特點，給予必要的支撐條件。同時每項先進技術也都必有其自身的短板和局限性，為了便于mmGPS 3D攤鋪控制技術在國內施工領域更進一步的應用，現將使用3D攤鋪控制系統的前提條件和應注意的事項歸納如下，以避免因傳統觀念制約及實際操作失當影響系統的性能。

　　（1）相對凈空的條件：系統應用區域需要相對較好的凈空條件，以便于系統GNSS衛星信號的接收和定位；

　　（2）布設控制點：在施工路面兩側布設一定間距的高等級水準點及三維坐標的控制點，水準點建議間隔100m，采用二等水準高程進行加密聯測，并兼顧相鄰水準點間的通視；

　　（3）3D設計成果預檢查：為了避免設計數據誤差，確保3D建模成果的準確性，在施工前務必做好攤鋪前原地面的3D設計檢查工作；

　　（4）控制攤鋪速度：在實際3D攤鋪施工過程中，應控制好攤鋪機的速度，以避免攤鋪速度過快造成的離析等問題，同時注意各機械間的相互銜接和配合；

　　（5）準確的松鋪系數：如果攤鋪材料的松鋪系數和級配比出現變化，應及時調整攤鋪控制參數，否則會因此導致壓實后的路面與設計偏差較大的問題；

　　（6）系統精度先行驗證：試鋪實驗段階段即需使用水準儀等高精度測量儀器配合檢查已鋪路面的精度和設計偏差情況等，以驗證3D系統的精度和準確度；

　　（7）避免域激光信號的遮擋：實際攤鋪作業過程中，若出現域激光信號遮擋的情況，現場應及時采取措施，保證域激光信號接收的連續性和穩定性。

　　7 結語

　　3D數字化施工技術是測量定位、機械控制和工程施工等諸多領域的技術融合，現階段歐美等一些國家對3D數字化施工系統的應用普及率為5%?10%及以上的水平。受限于行業發展規范、專業技術人才儲備、傳統觀念固化和成本等多方面的制約，目前國內施工領域對3D攤鋪系統的應用率還不到千分之一的水平，3D攤鋪控制在國內目前僅在一些典型的項目中得到了局部推廣和應用。

　　3D數字化施工技術在國內的進一步推廣和普及應用，還有很長的路要走。在此過程中還需要國家主管部門的政策支持和有效引導，加強相關領域的人才培養和儲備等。進一步優化相關解決方案成本、加強與國內領軍專家的交流合作和加強宣傳力度等，也需要國內的相關供應商做更多方面的考量和工作等。

參考文獻

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[3] 《民用機場瀝青道面施工技術規范》（ＭＨ/Ｔ 5011-2019）.