王辉/ WANG Hui 1，马东红/ MA Donghong 2，王天全/ WANG Tianquan 2，陈毅/ CHEN Yi 1

　　（1.北京场道市政工程集团有限公司，北京 100621；2.拓普康索佳（上海）科贸有限公司，北京 100124）

　　摘要：为了高质量按期完成工程建设，解决传统沥青摊铺施工中存在的平整度和厚度控制困难与机场跑道施工对精度控制要求严格两者之间的矛盾，引入拓普康mmGPS 3D摊铺控制系统进行邯郸机场跑道的沥青施工。基于数字化的手段进行BIM建模，实现对摊铺机作业高精度、自动化的控制，通过对竣工数据的采集分析，验证3D控制系统的性能，并与传统施工方式进行对比分析。

　　关键词：3D数字化施工；自动化控制；摊铺技术；沥青摊铺；邯郸机场；mmGPS；TOPCON；拓普康

　　0 前言

　　随着我国交通建设事业的不断发展，对路面施工质量和施工效率提出了更高要求。国标GBJ92-86《沥青路面施工及验收规范》规定沥青路面平整度应不大于2.5mm，并随之从欧美引进了如MOBA、拓普康等品牌的滑靴和非接触平衡梁等2D摊铺控制工艺，实现对摊铺厚度和平顺性的控制。但受限于自身的工艺特点，2D摊铺系统存在受钢丝绳架设精度及原地面影响较大，需要较多人力投入，无法同时兼顾厚度和平顺性等问题。进入21世纪，欧美国家开始采用了基于3D数字化摊铺控制工艺，可以有效解决传统2D摊铺方式的诸多弊端或问题。

　　1 项目及应用背景

　　邯郸机场（HDG）作为京津冀交通一体化重点建设项目，三期改扩建工程于2018年5月正式开工建设，工程主要包括新建大型航站楼、航管楼、跑道升级和通航机库等。

　　由北京场道市政工程集团有限公司承建的跑道升级是本次改扩建工程的核心组成部分，于2019年4月正式开工建设。工程主要包含新建滑行道沥青道面工程，通用航空联络道（沥青）工程，南北侧滑行道及防吹坪接坡工程，旧道面处置灌浆加固和跑道道面、道肩沥青混凝土盖被工程等。工程于6月份进入最为关键的跑道（长2600米、宽48米）沥青摊铺施工阶段。该工程共有两部分组成，即9cm厚的下面层AC-20改性沥青混凝土（摊铺面积约128538m2）摊铺和6cm厚的上面层SMA-13改性沥青混凝土摊铺。

　　《民用机场沥青道面施工技术规范》（MH/T 5011-2019）中明确要求，沥青道面铺筑的每层铺筑的厚度误差最大不低于-3mm，高程误差为中下面层 -3mm～+5mm，上面层±3mm。该工程为夜间不停航施工，每天施工时间只有凌晨1点到早晨7点共计6个小时的作业窗口，除去前期准备和机械设备、人员撤场及已铺沥青冷却等必须花费的时间，实际每天摊铺作业可用的时间不到5个小时，并需要在1个月内完成。工程当期恰逢雨季且为夜间施工，工程的质量要求高、时间紧、任务重，工期一旦延误不仅会造成严重的经济损失，更是给机场的安保和航班正常运行造成压力。

　　为了高质、高效地完成跑道摊铺，工程决定采用拓普康mmGPS 3D摊铺控制技术，这也是国内首次6机联铺配套3D摊铺控制系统，即3D数字化施工在机场不停航工程项目上的正式使用。

　　2 3D摊铺工艺介绍

　　mmGPS 3D摊铺控制系统是将GNSS卫星定位、域激光、机械自动化控制和3D数字化建模等诸多技术融为一体，主要由GNSS基准站、域激光发射器、mmGPS流动站和P63摊铺机自动控制系统四部分组成（参见图3）。在有效工作范围内，3D摊铺控制系统定位精度平面为1〜2cm，高程为1〜2mm。3D摊铺系统实时定位的三维信息（3D）通过与数字化的设计模型(BIM)实时对比生成基于位置的高程修正信息，基于对应比例的驱动信号，通过液压阀驱动摊铺机牵引臂液压油缸，使熨平板进行相应方向和数值上的实时调整，从而使摊铺道面根据对应位置设计坡度和高程实时精准变化调整，并弥补路面波动变化，实现按设计要求摊铺的路面平整度和厚度（加松铺系数）。

　　采用3D摊铺控制系统，可以有效修复原有路面的起伏，可同时兼顾路面摊铺的平整度和厚度，确保路面的摊铺质量，在节省人力投入的基础上，整个沥青摊铺过程实现了无桩化摊铺、过程化控制、智能化操作、数字化管理的施工控制模式。

　　mmGPS流动站是3D摊铺控制系统的重要组成部分，也是实现摊铺过程控制和动态质量管理的重要手段。在正式摊铺作业前，首先采用mmGPS流动站检查数字化设计和待铺工作面的符合情况，完成质量控制的事前检查。在实际铺筑过程中用mmGPS流动站实时检测摊铺后的作业面是否符合设计要求，若出现超出设计容许范围的偏差可实时动态地调整摊铺机，以确保熨平板始终稳定且高质量按照设计数据完成摊铺作业。铺装和压实作业完成后，再使用mmGPS流动站在完成铺筑的路面上做进一步的摊铺质量检查和数据采集，反向验证松铺系数，并为每层摊铺的路面验收提供数据依据和竣工成果记录。

　　3 工程具体实施

　　3.1 数据准备

　　3D摊铺机自动控制施工过程中用到的平面坐标信息和高程信息，需要基于三维坐标的控制点作为基准提供，系统配备的LZ-T5域激光发射器有效工作半径为300m，为了保证沥青摊铺的高程控制精度，通常要求在摊铺作业时的发射器覆盖半径控制在150m。在本项目的前期准备阶段，为了满足系统控制精度的要求，我们采用在跑道两侧交叉布设包含三维坐标的控制点的方式，点纵向间距为100m，控制点的横向距离跑道边缘为30m。本项目布设控制点的高程均采用高等级电子水准仪DL-502进行闭合水准联测，点位布局如图4所示。

　　控制点布设完成后，采用mmGPS流动站配套LZ-T5域激光发射器完成毫米级的原地面复测，结合使用CAD与Topcon 3D-Office数字化设计软件的方式对施工数据进行处理，实现摊铺作业面数据的3D数字化建模（BIM），整个过程自动化程度高，完成后的设计数据采用mmGPS流动站到现场进行复核检查。本项目完成后的3D数字化模型参见图5。

　　3.2 过程控制

　　3D摊铺系统控制基础是对接摊铺机液压阀的自动化控制，基于摊铺系统实时的精准定位和改正信息控制熨平板的俯仰，从而实现摊铺作业的自动化。本项目采用的3D摊铺控制系统无需加装外置液压阀，即可实现对各厂家型号液压型摊铺机的兼容，采用机械控制3D-MC系统软件对各厂家的液压阀的具体参数进行修改即可使用，即插即用型的设计提高了系统的易用性。摊铺机液压参数的设置参见下图6、图7。

　　项目实施方案采用6台摊铺机，考虑到系统的单次投入成本，仅在其中4台摊铺机装配使用了mmGPS 3D摊铺控制系统。另外2台摊铺机基于前行3D摊铺机已经铺筑的工作面，采用跟随搭接的方式完成摊铺作业。

　　采用3D摊铺控制系统，需要考虑如何避免摊铺机的PZS-MC域激光接收器与LZ-T5域激光发射器间信号遮挡的问题。布设方案在跑道两边30m处各架设2套LZ-T5域激光发射器，激光发射器的间距为150m，在摊铺机行驶过程中两台摊铺机间距最少控制在12m左右，LZ-T5域激光发射器架设位置与摊铺机的行驶阵列如图9、图10所示。

　　摊铺实施过程中，摊铺机起步阶段与传统方式相同，首先将熨平板垫到摊铺设计面的高度，并基于每套摊铺机的经验值将标尺调整到合适位置。一般行走2〜3m待摊铺机运行状态稳定且同时确认摊铺面与设计面相符后开启系统自动控制，即可实现摊铺机的自动化作业。现场的测量人员采用mmGPS流动站需每间隔10-20m测量一次摊铺后的表面数据与设计数据实时对比，有效实现摊铺过程控制和动态质量管理，并在必要时在GX-60控制面板中对熨平板高程进行微调，如图11～图14所示。

　　工程于2020年6月2日正式启动，在项目施工过程中，邯郸市相关领导实地查看了3D摊铺控制系统的应用情况，并同时强调科学安排施工工期，快速推动工程进度，确保施工质量符合行业标准，抢抓汛期来临前的黄金施工期，尽快完成“跑道盖被”不停航施工。项目部全体人员以施工过程中的安全、质量、工期目标为核心，精诚团结、严密组织、精心部署，在邯郸机场改扩建工程指挥部及各协作单位的支持帮助下，通过精心施工，经过不懈的努力，在施工人员和3D摊铺技术团队的密切配合下，经过16天的奋战，于6月19日凌晨6点30分，采用3D摊铺系统的“跑道盖被”不停航施工中最重要的“底面层摊铺工程”顺利合拢，为后续工作的顺利开展奠定了坚实的基础，施工作业现场图参见图15。

　　本项目的跑道盖被主体工程于7月31日顺利通过由民航华北地区管理局、民航河北监管局、民航专业工程华北质监站、邯郸机场及设计、监理、施工等单位相关人员参与的行业验收，取得标志性的胜利。mmGPS 3D摊铺技术在本项目快速推进工程进度，确保施工质量方面发挥了不可替代的作用。是保证项目顺利按时完成的关键因素，也是圆满完成本次工程施工任务的坚实的技术保障，在我国机场领域不停航施工项目建设中具有重要意义。

　　4 数据对比分析

　　技术人员对摊铺后的复测数据与设计数据进行了分析对比，内容包括高程数据及平整度数据的对比。经分析得知，mmGPS 3D摊铺的合格率高达97.1%（-0.003～0.005mm）。误差高于0.005m（不含）占0%，低于-0.003m占2.9%。摊铺平整度100%合格，相比于传统的2D摊铺技术，3D摊铺的质量和准确度有了质的飞跃，具体高程合格率及平整度检测参见图16、图17。

　　5 2D与3D摊铺工艺对比分析

　　传统2D摊铺工艺主要有挂线或架设铝合金梁（接触式滑靴）作为摊铺调平基准和平衡梁（非接触式）两种。接触式滑靴工艺通常用于水稳层、沥青下面层乃至中面层的摊铺作业，主要用于控制摊铺的厚度。施工现场通常需要很多工作人员进行基准的架设。在摊铺过程中无法进行实时监测，若出现质量问题，只能采用事后处理的方式进行弥补。

　　平衡梁则通常用于中、上面层的沥青铺筑工作，主要用于控制摊铺的平整度。使用的前提要求底面高程与设计相符且具有较好的平整度（否则难以有效控制沥青摊铺厚度），在此基础上可以更有效地控制沥青摊铺的平整度同时能有效兼顾精准控制摊铺的厚度，结合前面对mmGPS 3D摊铺控制系统的介绍和本项目的实际使用情况，将2D摊铺和3D摊铺的工艺对比情况列入表1供参考。

　　从上表比较可以看出，3D摊铺控制系统在施工过程中有相比传统施工方式的有诸多方面的明显优势。其中在工程质量方面，3D摊铺系统能够实现高标准的平整度、平顺性与厚度控制作业。同时能够实时检测施工质量，做到摊铺作业的全过程控制和动态质量管理。

　　在施工人员投入方面，相比传统方式可以大幅度减少施工人员的数量，同时有效降低施工人员的劳动强度，提升工作效率，最大程度上减少人为误差等。在施工成本的控制方面，可以实现材料的最大有效利用，减少优质材料的浪费，有效控制工程造价。

　　3D摊铺控制系统作为一项革命性的技术，同时具有很好的易操作性，支持触控操作及中文界面，便于国内用户的使用和推广，新技术的有效应用可以显著提升企业的市场竞争能力和软实力，必将成为未来实现国内数字化施工在摊铺领域应用的重要技术手段。

2D摊铺滑靴工艺

2D摊铺平衡梁工艺

3D摊铺完工实拍效果图

　　6 3D系统使用注意事项

　　任何新技术的推广和使用都应结合其自身的特点，给予必要的支撑条件。同时每项先进技术也都必有其自身的短板和局限性，为了便于mmGPS 3D摊铺控制技术在国内施工领域更进一步的应用，现将使用3D摊铺控制系统的前提条件和应注意的事项归纳如下，以避免因传统观念制约及实际操作失当影响系统的性能。

　　（1）相对净空的条件：系统应用区域需要相对较好的净空条件，以便于系统GNSS卫星信号的接收和定位；

　　（2）布设控制点：在施工路面两侧布设一定间距的高等级水准点及三维坐标的控制点，水准点建议间隔100m，采用二等水准高程进行加密联测，并兼顾相邻水准点间的通视；

　　（3）3D设计成果预检查：为了避免设计数据误差，确保3D建模成果的准确性，在施工前务必做好摊铺前原地面的3D设计检查工作；

　　（4）控制摊铺速度：在实际3D摊铺施工过程中，应控制好摊铺机的速度，以避免摊铺速度过快造成的离析等问题，同时注意各机械间的相互衔接和配合；

　　（5）准确的松铺系数：如果摊铺材料的松铺系数和级配比出现变化，应及时调整摊铺控制参数，否则会因此导致压实后的路面与设计偏差较大的问题；

　　（6）系统精度先行验证：试铺实验段阶段即需使用水准仪等高精度测量仪器配合检查已铺路面的精度和设计偏差情况等，以验证3D系统的精度和准确度；

　　（7）避免域激光信号的遮挡：实际摊铺作业过程中，若出现域激光信号遮挡的情况，现场应及时采取措施，保证域激光信号接收的连续性和稳定性。

　　7 结语

　　3D数字化施工技术是测量定位、机械控制和工程施工等诸多领域的技术融合，现阶段欧美等一些国家对3D数字化施工系统的应用普及率为5%〜10%及以上的水平。受限于行业发展规范、专业技术人才储备、传统观念固化和成本等多方面的制约，目前国内施工领域对3D摊铺系统的应用率还不到千分之一的水平，3D摊铺控制在国内目前仅在一些典型的项目中得到了局部推广和应用。

　　3D数字化施工技术在国内的进一步推广和普及应用，还有很长的路要走。在此过程中还需要国家主管部门的政策支持和有效引导，加强相关领域的人才培养和储备等。进一步优化相关解决方案成本、加强与国内领军专家的交流合作和加强宣传力度等，也需要国内的相关供应商做更多方面的考量和工作等。

参考文献

[1] 赵国普. 沥青混凝土摊铺机的发展[J]. 建设机械技术与管理, 2001,014 (002):33-36.

[2] 祖民星. 沥青混凝土路面3D智能摊铺应用研究[J]. 西部交通科技, 2018,000 (011):9-12.

[3] 《民用机场沥青道面施工技术规范》（ＭＨ/Ｔ 5011-2019）.