李慧　鄭宇

摘要：隨著交通運(yùn)輸業(yè)地位的日益凸顯，我國交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，很大程度上改善了交通運(yùn)輸通行狀況。道路建設(shè)的設(shè)計(jì)是影響道路工程質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，而建筑信息模型（BIM）是優(yōu)化道路工程設(shè)計(jì)的先進(jìn)信息技術(shù)工具。在信息技術(shù)快速發(fā)展的時(shí)代，BIM技術(shù)在道路工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用越來越普遍，其能有效提高工程質(zhì)量，可以使道路工程在今后長久使用。

關(guān)鍵詞：道路工程 BIM 三維可視化 路面病害

中圖分類號：U418.6文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ?文章編號：1672-3791（2022）07（a）-0000-00

在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的背景下，建筑信息模型（Building Information Modeling，簡寫為BIM）在建筑行業(yè)取得了長足的進(jìn)步，并且已經(jīng)成為一種能夠?qū)λ┕ろ?xiàng)目進(jìn)行很好管理和科學(xué)管控的技術(shù)。在技術(shù)不斷的變化下，我國基礎(chǔ)設(shè)施的快速發(fā)展，特別是在道路、橋梁的建設(shè)中，BIM技術(shù)方面從建筑應(yīng)用漸漸地向道路工程方面發(fā)展，并且眾多相關(guān)的研究人員在道路工程中采用BIM技術(shù)，對此進(jìn)行了廣泛的探討，并獲得了更高水平。因此，完善BIM技術(shù)配合在道橋工程的相關(guān)技術(shù)更多展示體現(xiàn)在橋梁設(shè)計(jì)和道路施工兩方面，但道路路面病害BIM模型的建立使用方法的系統(tǒng)研究仍有較少的研究方面。因此，利用BIM新技術(shù)在道路養(yǎng)護(hù)維修的工作中進(jìn)行應(yīng)用大勢所趨。

1路面病害信息

1.1 路面病害類型

在我國經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展下，道路工程的使用率大大提升。路面的設(shè)計(jì)使用年限是由道路等級和車輛通行量共同決定的，高速公路和一級公里的設(shè)計(jì)年限一般為十五年，二級公路、三級公路的設(shè)計(jì)使用年限相對減少。路面出現(xiàn)病害原因，一方面，因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員對車輛的通行量預(yù)估不足及長期存在的車輛超載等現(xiàn)象造成的;另一方面，因?yàn)樵谑┕み^程中規(guī)范要求的質(zhì)量程度控制掌握不到位，導(dǎo)致了許多路面病害往往在預(yù)期壽命之前就出現(xiàn)。

路面產(chǎn)生裂縫類病害的問題是最常見的，如圖1所示，其產(chǎn)生原因有很多，一方面，由于選擇的原材料的質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，導(dǎo)致整個路面工程不達(dá)標(biāo)，開裂;另一方面，在施工過程中，施工人員不能正確操作，導(dǎo)致出現(xiàn)路面質(zhì)量問題。例如縱向裂縫和橫向裂縫，橫向裂縫表現(xiàn)為與道路中心線近似垂直的短曲線，其往往是由路面層或半剛性基層，產(chǎn)生了超過其疲勞強(qiáng)度的拉應(yīng)力所導(dǎo)致的;縱向裂縫則表現(xiàn)為與道路中心線平行的長曲線，并伴隨短而細(xì)小的支裂縫，其通常是由施工對地下的軟土處理不當(dāng)造成的。在外界因素的作用下，造成路面表面有不均勻沉降，或者在施工期間，攤鋪機(jī)分幅攤鋪時(shí)連接處的處理方法錯誤引起的裂縫病害[1]。

沉陷、車轍、不規(guī)則變形可分為變形類病害，如圖2～4。車轍病害表現(xiàn)為，在路的表面出現(xiàn)類似輪胎形狀的豎向凹陷，其產(chǎn)生的原因，一方面是在施工時(shí)原材料壓實(shí)度沒有達(dá)標(biāo)，不具有足夠的穩(wěn)定性;另一方面是在外界荷載的反復(fù)作用下，再加上部分車輛超載現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)，致使部分路面的面層產(chǎn)生了永久的變形，其一般會發(fā)生在夏季高溫時(shí)期;沉陷因路面局部開挖之后，沒有將填土分成壓實(shí)至原地面高而產(chǎn)生的部分凹陷，其產(chǎn)生原因是路基壓實(shí)度沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求、在用回填土的土質(zhì)不符合規(guī)范要求、施工機(jī)器碾壓不到位，路基原地面一下障礙物處理不完善，最終反映到路面上來。

路面松散也是一種常見的病害類型，如圖5所示，但其修復(fù)處理的難度程度比較大。路面松散破壞的發(fā)生，常常與路面所用主要材料的配合比有關(guān)，如果是瀝青路面，混凝土溫度過高，自身失去粘結(jié)力，從而導(dǎo)致瀝青混合料中的細(xì)集料剝落;在季凍區(qū)施工的路面會由早晚溫度變化大，路面會產(chǎn)生凍脹，從而引起松散，冰雪融化后，產(chǎn)生的水分會流進(jìn)混合料內(nèi)部，經(jīng)過冷凍和反復(fù)融化，造成了面層的破壞。

泛油主要是對瀝青路面造成了病害，如圖6所示。其是由于混合料調(diào)配比例不科學(xué)造成的，如果外界溫度環(huán)境相對較高，瀝青泛油的狀況就會更加突出，在路面形成一層薄薄的油層，無法準(zhǔn)確觀察到骨料的現(xiàn)狀，這樣施工完成后的瀝青路面強(qiáng)度不高，車輛過去的時(shí)候會有明顯的痕跡，這會降低道路質(zhì)量和美觀性。

1.2 路面病害信息化

針對路面存在的病害狀況來看，管理人員必須充分了解路面病害發(fā)生種種的信息，這些信息一方面是在進(jìn)行路面病害調(diào)查中收集的，另一方面是在道路運(yùn)營維護(hù)過程中產(chǎn)生的，然后再對這些信息進(jìn)行分析，可以為后續(xù)道路養(yǎng)護(hù)維護(hù)、改造提供理論支撐。采用BIM軟件來實(shí)現(xiàn)路面病害的三維可視化，一般從三方面進(jìn)行模擬。首先是使用ContextCapture技術(shù)，輸入三維坐標(biāo)信息，如病害的X方向距離、Y方向距離、Z方向的高程，其主要是定位病害空間位置;然后輸入路面病害的具體信息，如局部裂縫的長度與寬度、沉陷坑的面積大小和深度、車轍的形狀等;最后再輸入施工人員維護(hù)路面病害所需要的養(yǎng)護(hù)信息，如維修所需的時(shí)間、人員的數(shù)量以及維修的計(jì)劃等，經(jīng)過以上軟件的操作過程，就可以靜路面病害的基本信息賦予在BIM模型上[2]。在此基礎(chǔ)上，還可以建立基于BIM模型的養(yǎng)護(hù)成本的估算，對人為計(jì)算的成本的程序進(jìn)行了大大優(yōu)化。

2 BIM的可視化管理

2.1 BIM的概念

建筑信息模型（Building Information Modeling，縮寫為BIM）不是一款單獨(dú)的軟件，而是讓新時(shí)代軟件工具與解決方案融合在一起的一種計(jì)策。BIM第一款發(fā)展于1960年代的后期，由Autodest公司研發(fā)的Revit，包含建筑、道路、鐵路等自身的信息、與其相關(guān)的鏈接信息及與其相關(guān)的生命周期信息，這些信息可以很好地融合在BIM之中，建立起3D模型。設(shè)計(jì)人員通過多種方式獲取工程數(shù)據(jù)信息，然后結(jié)合工程項(xiàng)目實(shí)際情況，創(chuàng)建具有相關(guān)實(shí)際數(shù)據(jù)的模型。隨著BIM技術(shù)在建筑工程中的作用越來越明顯，其逐漸推廣并應(yīng)用于道路工程等其他領(lǐng)域。

與傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)軟件相對比，BIM技術(shù)可以創(chuàng)建建筑模型的三維圖像，主要針對有公路、橋梁、市政工程等基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)，項(xiàng)目由大量不同專業(yè)組成，分別是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、排水設(shè)計(jì)、管道設(shè)備等不同程度需要有效協(xié)作才能完成項(xiàng)目，但是在設(shè)計(jì)項(xiàng)目中存在一些誤區(qū)，致使后續(xù)對BIM技術(shù)的設(shè)計(jì)修改。不同專業(yè)的人員進(jìn)行設(shè)計(jì)遇到問題時(shí)，可以采用具有3D可視化功能編輯設(shè)計(jì)完成。此外，BIM技術(shù)還增加了數(shù)據(jù)距離定位，材料工程數(shù)量等多項(xiàng)指標(biāo)，建設(shè)計(jì)劃等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為模型。

2.2 BIM可視化的優(yōu)點(diǎn)

大多數(shù)道路建設(shè)項(xiàng)目是政府資助的基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目，而該項(xiàng)目能否獲得廣泛認(rèn)可，取決于項(xiàng)目的可行性報(bào)告。區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃狀況交通經(jīng)濟(jì)預(yù)測及建設(shè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和推薦建設(shè)計(jì)劃，會決定項(xiàng)目資金分配和最終實(shí)施計(jì)劃。政府機(jī)構(gòu)將召開負(fù)責(zé)土地管理的機(jī)構(gòu)會議。關(guān)于節(jié)約用水、環(huán)境和建筑的討論，各種替代方案的可能性并最終決定決策，但在這討論的過程中，通常會因?yàn)楦鱾€部門關(guān)注的差異所致，或溝通上的差距，計(jì)劃中有很多不確定性，需要修改的內(nèi)容很復(fù)雜。而BIM技術(shù)可以提供多因素電子，3D虛擬軟件中包含的各影響因子均可靈活調(diào)整和改變，并能實(shí)現(xiàn)可視化實(shí)時(shí)對比。

BIM軟件的三維模型的模擬功能，突破了研究人員傳統(tǒng)的思想，解決了研究人員對復(fù)雜工程的空間結(jié)構(gòu)的想象約束，通過BIM建模，可以將路面的基本情況和路面的病害信息直觀地展現(xiàn)在研究人員的面前，非常形象化地被表現(xiàn)出來。研究人員可以通過可視化的操作平臺，進(jìn)行數(shù)據(jù)搜索和信息編輯，進(jìn)一步地提高了路面病害的管理效率。BIM軟件的可視化還提供了許多優(yōu)勢，例如：輕松高效地傳輸數(shù)據(jù)和信號;能夠快速而準(zhǔn)確地定位病害的位置和相關(guān)信息;經(jīng)過BIM軟件的操作，可以使路面病害問題快速的被發(fā)現(xiàn)，在病害發(fā)生前，施工人員可以提前消除隱患;BIM軟件還可以在路面損壞檢測時(shí)，直接從路面模型上進(jìn)行數(shù)據(jù)編輯，大大提升了管理人員的工作效率[3]。

2.3 BIM技術(shù)可視化設(shè)計(jì)

Civil 3D 在路面工程應(yīng)用建模方面有著非常厲害的功能，被譽(yù)為領(lǐng)先的BIM道路設(shè)計(jì)程序，其可用于建立繁瑣、不容易想象的三維道路模型，而且還能很好地切合地形表面的現(xiàn)況，創(chuàng)造出精美的模型。

BIM設(shè)計(jì)軟件可視化還可以大大降低業(yè)主對相關(guān)專業(yè)技能的需求，并減少與專業(yè)設(shè)計(jì)師的溝通障礙。與傳統(tǒng)3D渲染軟件相比較，Revit有3D渲染效果及內(nèi)置幾何物理分析功能，還可以進(jìn)行模擬計(jì)算分析，以及對路口進(jìn)行建模。出入口匝道和橋板可以有效地使用，并且可以作為一個單獨(dú)的單元使用并單獨(dú)更新，格式更改可以通過簡單的參數(shù)設(shè)置進(jìn)行。當(dāng)?shù)缆饭こ淘O(shè)計(jì)人員更新設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，他們可以通過3D可視化模型即時(shí)改正，顯著提升設(shè)計(jì)效率。設(shè)計(jì)過程中，Revit軟件可以自動進(jìn)行碰撞沖突檢測和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計(jì)算驗(yàn)證，可以避免設(shè)計(jì)過程中可能發(fā)生的各種類型的施工危險(xiǎn)，并且可以節(jié)省項(xiàng)目的整體成本[4]。

2.4 基于BIM的路面病害可視化

BIM作為一項(xiàng)新的技術(shù)，其最大的特征是將工程建設(shè)各工種或部門所掌握的項(xiàng)目相關(guān)信息高度集成于3D數(shù)據(jù)模型內(nèi)，以此貫穿工程項(xiàng)目的全生命周期，突破傳統(tǒng)二維圖紙上的由簡單構(gòu)造線組成的圖形特征，讓項(xiàng)目展示效果更加的直觀和高效，因此我們將BIM技術(shù)與路面病害管理結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)路面病害的可視化管理，加快我國道路建設(shè)進(jìn)度[5]。

在建立路面病害的BIM模型中，首先將道路基本數(shù)據(jù)、沿線的地形地質(zhì)、水文氣象等因素輸入軟件中，接下來，把路面病害情況的相關(guān)信息加入BIM模型上，最終達(dá)成路面病害可視化的效果。當(dāng)因素發(fā)生變化時(shí)，道路模型信息也會隨之而調(diào)整，從而得到3D道路模型，研究者可直觀、準(zhǔn)確地了解道路某處病害類型和整個路面的損害狀況，并提供一種可視化平臺類管理病害問題，同時(shí)提升了路面病害可視化管理的效果[6]。

3結(jié)語

BIM技術(shù)作為一種以現(xiàn)代信息技術(shù)為基礎(chǔ)的工程類應(yīng)用軟件廣受關(guān)注，并在很多工程項(xiàng)目中發(fā)揮了重要作用。為了研究BIM技術(shù)在道路病害中的應(yīng)用，該研究闡述了路面病害的類型與BIM的可視化，在此基礎(chǔ)上，簡述了BIM技術(shù)與路面病害相結(jié)合可視化的優(yōu)點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)在道路工程養(yǎng)護(hù)管理方面對BIM技術(shù)有著明確的應(yīng)用需求。大力推廣和應(yīng)用BIM技術(shù)，有助于我國交通運(yùn)輸業(yè)的長期發(fā)展，對擴(kuò)大交通運(yùn)輸業(yè)規(guī)模，加快工程建設(shè)進(jìn)度，延長公路使用壽命，保證道路交通安全都有重要意義。

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作者簡介：李慧（1995—），女，碩士，助教，研究方向?yàn)榈缆饭こ獭?/p>

鄭宇（2000—），男，本科在讀，研究方向?yàn)榈缆窐蛄号c渡河工程。