寧 玻，米清泉，劉彩虹，葉龍海，張丞博，戴 軒

（中國民航大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院，天津300300）

機(jī)場跑道作為飛機(jī)起降都要經(jīng)過的主要通道，其運(yùn)行狀態(tài)關(guān)乎飛行安全。《運(yùn)輸機(jī)場運(yùn)行安全管理規(guī)定》要求每年至少進(jìn)行一次跑道狀況分析，每五年對跑道進(jìn)行一次綜合評(píng)價(jià)[1]。然而目前在機(jī)場跑道管理與評(píng)價(jià)過程中，信息化水平不足，道面病害與評(píng)價(jià)信息如PCN值、損傷狀態(tài)、表面狀況在道面維護(hù)過程中仍主要依靠人工記錄，無法對道面運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行直觀展示與智慧管理，也無法對跑道歷史維護(hù)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)性記錄，與智慧機(jī)場的要求尚有差距。隨著航空業(yè)務(wù)量的快速增長，各地機(jī)場超過了原有預(yù)測，瀝青道面出現(xiàn)了不同程度的病害，現(xiàn)道面主要病害包括跑道局部區(qū)域存在石子脫落、裂縫、裂紋，輪轍、端板等現(xiàn)象[2]。平行滑行道普遍存在輪轍現(xiàn)象，局部區(qū)域也存在石子脫落、裂縫、裂紋等現(xiàn)象[3]。因此本小組決定針對目前機(jī)場道面病害評(píng)價(jià)管理信息化不足的問題，建立數(shù)字化BIM模型，形成機(jī)場道面運(yùn)行維護(hù)信息的BIM模型管理技術(shù)，為智慧機(jī)場與跑道安全服務(wù)，分塊集成BIM歷史病害數(shù)據(jù)，并探索傳感器數(shù)據(jù)與BIM模型數(shù)據(jù)的傳遞模式，開發(fā)基于建筑信息模型的機(jī)場道面病害管理與維護(hù)平臺(tái)，這對于機(jī)場跑道的更安全高效運(yùn)行有很重大的研究意義。

1 機(jī)場跑道病害的分類

水泥混凝土路面因其優(yōu)越的強(qiáng)度和耐久性而被廣泛用于機(jī)場工程。然而，機(jī)場路面會(huì)暴露在環(huán)境負(fù)荷下，如雨雪，如果維護(hù)不當(dāng)，就會(huì)出現(xiàn)病害，這些病害的存在不僅會(huì)使路面損壞，還威脅到飛機(jī)在路面上行駛時(shí)的安全。因此，必須及時(shí)發(fā)現(xiàn)并治理這些病害。在本節(jié)中，我們將機(jī)場跑道病害的類別分為了四類。

1.1 板角處的斷裂

角部病害是指出現(xiàn)在路面板塊接縫處的裂縫，主要是由于荷載應(yīng)力造成的，并穿透板塊的厚度。目前機(jī)場表面主要是矩形板，這使得在混凝土澆筑過程中插入的振動(dòng)器很難固定混凝土。然而，荷載應(yīng)力集中在板角，由于荷載傳遞能力低，相鄰板角之間缺乏傳遞鋼筋，所以容易發(fā)生破壞。

1.2 接縫斷裂

接縫的斷裂主要是由于溫度引起的熱膨脹應(yīng)力。即使在斷裂后，承載能力也不會(huì)完全喪失，仍會(huì)保留部分強(qiáng)度。當(dāng)平行滑行道的縱向接頭主要用于中國機(jī)場的地面建設(shè)時(shí)，應(yīng)力很可能集中在縱向接頭開口的縱向部分。由于接縫的基材在溫度升高時(shí)被推出，而在溫度降低時(shí)又不能恢復(fù)到原來的位置，因此土、沙、石塊等碎片會(huì)進(jìn)入接縫，影響板塊的膨脹。板塊的彈性受到損害。經(jīng)過反復(fù)的冷凍和收縮，假接縫變成了真接縫，隨著埋藏材料的老化，板的邊緣會(huì)被損壞。隨著時(shí)間的推移，許多饋電場會(huì)惡化，失去彈性，并斷裂。雜質(zhì)進(jìn)入到接縫中，便會(huì)阻止正常的變形，導(dǎo)致它們在受到外力作用時(shí)破裂。特別是在寒冷的氣候條件下，機(jī)場內(nèi)路面的溫差和波動(dòng)會(huì)加速埋設(shè)材料的老化。

1.3 外露骨料的剝落

一是機(jī)場路面的剝落主要是由于混凝土的高水灰比、砂漿的分泌物和泥漿的提升引起的。二是混凝土強(qiáng)度不夠或表面的砂漿強(qiáng)度不夠[2]。砂漿會(huì)降低耐磨性，當(dāng)保護(hù)層被移除時(shí)，里面的骨料就會(huì)暴露出來[2]。三是水進(jìn)入路面，由于反復(fù)的季節(jié)性凍融，破壞了路面的結(jié)構(gòu)。表面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)剝落、石子裸露和其他病害。四是如果在道路建設(shè)過程中對雨水和覆蓋物的保護(hù)不足，可能會(huì)出現(xiàn)麻面現(xiàn)象。五是日常維護(hù)過程中，化學(xué)品和腐蝕性液體可能會(huì)接觸到路面，造成分層、剝落和裸露的石塊。

1.4 其他病害

除上述病害外，還要注意的是，首先，如果混凝土使用了過多的砂石，而水泥過少，路面會(huì)變得過于粗糙，混凝土中的砂石材料會(huì)分離[2]。其次，由于水泥砂漿的強(qiáng)度低，水泥和骨料的耐磨性差，長期使用后，路面容易出現(xiàn)出磨現(xiàn)象，導(dǎo)致路面與輪胎之間的摩擦力降低[2]。最后填縫材料的質(zhì)量問題。這是由于長期使用質(zhì)量差的填縫材料造成的質(zhì)量差、老化、脆性裂縫、擠壓等現(xiàn)象。

2 機(jī)場跑道病害的鑒別

機(jī)場跑道病害有很多種，隨之，鑒別方法也多種多樣。首先，BIM技術(shù)可以將工程建筑信息三維可視化，在BIM技術(shù)下，各個(gè)構(gòu)件的空間幾何信息會(huì)明確地顯示在程序中，對其進(jìn)行模擬分析后，其分析結(jié)果也能夠通過三維空間的形式展示出來，讓我們能夠清晰地看見。所以，如果利用BIM技術(shù)來建立一個(gè)含有機(jī)場跑道空間幾何信息的可視化三維模型，并將各類信息例如日照、風(fēng)速、溫度、濕度等輸入進(jìn)去。病害位置便能夠通過輸入對應(yīng)坐標(biāo)來確定并被可視化，并且病害記錄在存儲(chǔ)之后，還能夠?qū)罄m(xù)病害進(jìn)行規(guī)律分析并研究其防護(hù)措施。因此，我們可以利用BIM技術(shù)分析鑒定病害。

（1）確定機(jī)場跑道的材料、空間幾何信息如長度、寬度、深度、方向和周圍環(huán)境等各類因素的數(shù)據(jù)，并通過軟件模擬成三維空間圖形展示出來。

（2）將出現(xiàn)的病害在程序中表達(dá)出來，變成可視化的，參數(shù)包括“長度”“寬度”“深度”等等。

（3）對出現(xiàn)的各類病害進(jìn)行類型鑒別和成因分析并記錄，方便維護(hù)。

（4）根據(jù)以往出現(xiàn)的各種病害記錄，分析機(jī)場跑道病害出現(xiàn)的特點(diǎn)及規(guī)律，想出對應(yīng)策略和防護(hù)措施，提前預(yù)防。

除此之外，還有通過計(jì)算PCI和SCI的方法來鑒定病害。根據(jù)美國ASTMD5340標(biāo)準(zhǔn)，道面損壞狀況分為7個(gè)等級(jí)（極好：PCI≥85；很好：70≤PCI＜85；好：55≤PCI＜70；中：40≤PCI＜55；差：25≤PCI＜40；很差：25≤PCI＜10；失效：PCI＜10），國內(nèi)道面損壞調(diào)查發(fā)現(xiàn)，PCI＜40的情況基本沒有，主要原因是道面PCI值接近40之前，絕大多數(shù)機(jī)場都已經(jīng)采取了工程措施進(jìn)行整修，因此，規(guī)范將損壞等級(jí)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)中PCI＜40時(shí)的三個(gè)損壞等級(jí)合并成為一個(gè)等級(jí)，其他評(píng)定等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)沿用[4]。

2.1 確定機(jī)場跑道病害類型、損壞程度、損壞量和損壞位置

應(yīng)先確定跑道為水泥混凝土道面還是瀝青道面，再確定病害及病害的損壞類型、損壞程度以及損壞位置，然后再進(jìn)行之后的計(jì)算。

2.2 確定每種道面的損壞密度

道面PCI和SCI的計(jì)算是在單元的基礎(chǔ)上計(jì)算出各種病害的損壞密度，單元應(yīng)該采用“虛擬單元”進(jìn)行劃分。

（1）水泥混凝土道面（或上面層為水泥的復(fù)合道面）的損壞密度按照“板塊比”式子計(jì)算[5]：

（2）瀝青道面（或上面層為瀝青混凝土的復(fù)合道面）的損壞密度按照“面積比”式子計(jì)算[5]：

2.3 確定各種損壞類型的損壞折減扣分值

根據(jù)損壞類型、損壞程度與損壞密度，從相應(yīng)圖中找到對應(yīng)類型的損壞折減曲線，再從橫坐標(biāo)軸中找出對應(yīng)的損壞密度得出相應(yīng)的損壞折減扣分值（DVi）。

2.4 計(jì)算規(guī)定區(qū)域道面的損壞最大折減值

（1）由大到小排列上述得到的道面的折減扣分值，將它們組合形成一維數(shù)組{DVi（i=1～n）}。

（2）如果{DVi（i=1～n）}中DVi＞5的損壞數(shù)量小于等于1，則MaxCDV=∑DVi。

（3）否則，損壞最大折減值（MaxCDV）按照以下步驟計(jì)算[6]：

首先確定損壞類型數(shù)量m：

令m=m（整數(shù)部分）+1，將{DVi（i=1～n）}中前m個(gè)DVi取出，將這m個(gè)數(shù)排列組成一個(gè)新的一維數(shù)組{DVi（i=1～m）}，其中，最小的折減扣分值由下式修正：

根據(jù)相應(yīng)道面PCI計(jì)算折減值綜合修正曲線，按從小到大的順序?qū)DVi（i=1～m）}中DVi≥5的折減扣分值進(jìn)行逐項(xiàng)修正，直至{DVi（i=1～m）}中大于5的DVi數(shù)量小于等于1，修正過程如下[6]：

確定{DVi（i=1～m）}中DVi＞5的折減扣分值數(shù)量q；

根據(jù){DVi（i=1～m）}計(jì)算這m個(gè)數(shù)的損壞折減扣分值總和MaxCDV0=∑DVi；

由之前算出的q和MaxCDV0，通過給出的修正曲線確定折減修正值CDVi；

將{DVi（i=1～m）}中被修正的DVi取值為5，重復(fù)前三步，直至滿足（3）中條件。

（4）由步驟（3）綜合修正后得到q個(gè)CDVi，取Max－CDV=Max（CDVi）。

2.5 計(jì)算規(guī)定區(qū)域內(nèi)道面狀況指數(shù)PCI值

2.6 計(jì)算道面結(jié)構(gòu)狀況指數(shù)SCI值

使用上述方法一步一步計(jì)算得出的PCI和SCI值便可以通過道面損壞等級(jí)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)來確定道面的損壞等級(jí)為多少，為之后修整道面提供準(zhǔn)確信息，但是仍有不完善的地方，需要專門安排檢測人員前往跑道出現(xiàn)病害的地方，記錄病害的各種數(shù)據(jù)并進(jìn)行計(jì)算?？傃灾@種方法主要依靠人工進(jìn)行操作。而為了更進(jìn)一步向智慧機(jī)場靠近，我們認(rèn)為可以在道面板裝上傳感器，檢測各個(gè)位置的情況如位移等損害狀態(tài)，然后將數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)BIM模型中去，在模型中顯現(xiàn)出來，并計(jì)算出PCI和SCI值，為模型中每個(gè)道面板的損壞情況做出展示，這樣能更快捷、更智能地制定出維修計(jì)劃。圖1為BIM技術(shù)與道面病害管理結(jié)合路徑。

圖1 BIM技術(shù)與道面病害管理結(jié)合路徑

3 機(jī)場跑道病害的防護(hù)措施

3.1 道面裂縫

對于機(jī)場道面板塊一般的裂縫，應(yīng)根據(jù)不同裂隙的寬度、內(nèi)部材料的剝落程度采用不同的方法。對于一般開口寬度小于0.5mm，且裂隙中無剝落物的表面裂縫采用壓注灌漿法修復(fù)。對于開裂范圍較廣，且存在剝落物的裂縫可采用擴(kuò)縫灌漿法及條帶罩面法，前者可用于一般局部性裂隙，后者主要用于開裂程度較深的裂隙。對于大尺度開裂（大于3mm）清理裂縫后采用特殊材料填充處理。

對于大范圍、大面積的板塊開裂及剝落，應(yīng)采取換板修復(fù)。

3.2 道面破碎

對于道面板塊破碎形成4塊及以上的碎塊，其混凝土面板的承載能力會(huì)明顯下降。為恢復(fù)道面正常使用，應(yīng)采取更換道面板修復(fù)。

對于道面邊角及淺表部分剝落破碎，應(yīng)采用與原有道面材料相同材料修補(bǔ)。采用剛性材料修補(bǔ)時(shí)，對道面板接縫處進(jìn)行切縫處理，防止出現(xiàn)新的裂縫。

3.3 錯(cuò)臺(tái)處理

對于道面板塊錯(cuò)臺(tái)維修，其通常采用兩種方法。其一是對于永固性的混凝土錯(cuò)臺(tái)，將超高部分通過打磨、切除等手段處理至標(biāo)準(zhǔn)高度。但超高應(yīng)該在40mm以內(nèi)。

其二對于暫時(shí)性錯(cuò)臺(tái)。如溫度變化熱脹冷縮導(dǎo)致的錯(cuò)臺(tái)，可以用瀝青混合料進(jìn)行治理，也可用小粒徑的快凝水泥治理。將原本的錯(cuò)臺(tái)修整為順坡。

3.4 道面沉降

由于地基的不均勻沉降，或在降水、長時(shí)間受力等外部環(huán)境因素的影響下，道面將會(huì)出現(xiàn)脫空、沉降現(xiàn)象。從而引發(fā)一系列道面病害。

對于道面板脫空，可采用脫空處注漿修補(bǔ)。首先加固地基，防止脫空面積的擴(kuò)大；其次確定脫空位置，根據(jù)情況判斷鉆探深度，再注漿修補(bǔ)。待修補(bǔ)完成后，強(qiáng)度檢測達(dá)到規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)后進(jìn)行相關(guān)次生病害的修復(fù)。

3.5 換板修復(fù)

對于嚴(yán)重?fù)p傷的道面板，包括但不限于上述病害，可基于BIM技術(shù)監(jiān)控跑道道面板彎曲、沉降、抗滑性能，跑道整體的平整性等相關(guān)道面性能指數(shù)，以此分析判斷跑道面板性能狀態(tài)和是否存在病害及相關(guān)病害種類。若已判斷為嚴(yán)重?fù)p害，相關(guān)道面面板修復(fù)難度過大或已無修復(fù)價(jià)值，此時(shí)可采用更換跑道面板來使其恢復(fù)正常使用。

與道面修補(bǔ)相似，換板修復(fù)需要控制混凝土材料配比能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，更換完成后混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的養(yǎng)護(hù)時(shí)間也不能過長，施工流程最好符合不停航施工規(guī)范，以免影響機(jī)場正常運(yùn)營。

4 結(jié)束語

機(jī)場道面是民航運(yùn)輸系統(tǒng)乃至整個(gè)交通運(yùn)輸系統(tǒng)中不可缺少的部分。所以國家民航局和各個(gè)機(jī)場公司對于跑道的維修與護(hù)理也非常地重視。加上BIM工程技術(shù)在國內(nèi)外有較好的發(fā)展前景和在飛行跑道建設(shè)上的匹配性高且方便，為適應(yīng)當(dāng)今信息化的大時(shí)代，對BIM工程技術(shù)平臺(tái)的開發(fā)將會(huì)使飛行跑道病害的診斷和防護(hù)邁入新的技術(shù)領(lǐng)域。BIM工程技術(shù)平臺(tái)的三維視圖模型在跑道病害的研究過程中會(huì)更加的直觀和詳細(xì)，且使得研究過程更具系統(tǒng)化。本次研究就以下跑道病害聯(lián)合BIM工程技術(shù)的幾個(gè)方面進(jìn)行探究。

（1）本研究先對跑道的材料不同進(jìn)行了分類，以便于提高BIM平臺(tái)中數(shù)據(jù)監(jiān)測的準(zhǔn)確性和利于BIM技術(shù)平臺(tái)針對每種不同的跑道病害采取對應(yīng)適宜的研究方案。

（2）根據(jù)BIM平臺(tái)系統(tǒng)中輸入的路面材料類型的不同，通過平臺(tái)反饋的實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析確定機(jī)場跑道病害類型、損壞程度、損壞量以及損壞位置。之后采用道面PCI和SCI計(jì)算確定每種道面的損壞程度。

（3）依據(jù)不同的跑道損壞類型并參照BIM技術(shù)平臺(tái)上的推薦維護(hù)方案制定與之匹配的不同的病害防護(hù)措施，以使病害與治理方案最優(yōu)化。

通過本次開發(fā)利用BIM工程技術(shù)平臺(tái)對飛機(jī)跑道病害的具體系統(tǒng)研究，不僅可以從飛行跑道的建設(shè)到病害維護(hù)有一個(gè)可視化的各項(xiàng)實(shí)時(shí)進(jìn)程數(shù)據(jù)和二維乃至三維的仿真模型供以參考，還大大地降低了跑道路面以及路基的潛在病害難以被診斷的概率，使跑道路面壽命延長。并針對各種病害有一個(gè)較為詳細(xì)的分析和與之匹配的維護(hù)方案?；陲w行跑道病害診斷和維護(hù)的BIM工程技術(shù)平臺(tái)的開發(fā)勢必會(huì)解決現(xiàn)如今跑道病害不易被發(fā)現(xiàn)和解決以及維護(hù)方案因數(shù)據(jù)不全面導(dǎo)致維護(hù)效率不高的局面。