基于BIM平臺的路面病害可視化管理研究

李慧　鄭宇

摘要：隨著交通運輸業(yè)地位的日益凸顯，我國交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的規(guī)模不斷擴大，很大程度上改善了交通運輸通行狀況。道路建設(shè)的設(shè)計是影響道路工程質(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)計的先進信息技術(shù)工具。在信息技術(shù)快速發(fā)展的時代，BIM技術(shù)在道路工程設(shè)計中的應(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文獻標識碼：A? ?文章編號：1672-3791（2022）07（a）-0000-00

在經(jīng)濟快速發(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)取得了長足的進步，并且已經(jīng)成為一種能夠?qū)λ┕ろ椖窟M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)護維修的工作中進行應(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)濟迅速發(fā)展下，道路工程的使用率大大提升。路面的設(shè)計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)計年限一般為十五年，二級公路、三級公路的設(shè)計使用年限相對減少。路面出現(xiàn)病害原因，一方面，因為設(shè)計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，因為在施工過程中規(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)量不達標，導(dǎo)致整個路面工程不達標，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，攤鋪機分幅攤鋪時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，一方面是在施工時原材料壓實度沒有達標，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)生在夏季高溫時期;沉陷因路面局部開挖之后，沒有將填土分成壓實至原地面高而產(chǎn)生的部分凹陷，其產(chǎn)生原因是路基壓實度沒有達到設(shè)計要求、在用回填土的土質(zhì)不符合規(guī)范要求、施工機器碾壓不到位，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，無法準確觀察到骨料的現(xiàn)狀，這樣施工完成后的瀝青路面強度不高，車輛過去的時候會有明顯的痕跡，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行路面病害調(diào)查中收集的，另一方面是在道路運營維護過程中產(chǎn)生的，然后再對這些信息進行分析，可以為后續(xù)道路養(yǎng)護維護、改造提供理論支撐。采用BIM軟件來實現(xiàn)路面病害的三維可視化，一般從三方面進行模擬。首先是使用ContextCapture技術(shù)，輸入三維坐標信息，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路面病害所需要的養(yǎng)護信息，如維修所需的時間、人員的數(shù)量以及維修的計劃等，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)護成本的估算，對人為計算的成本的程序進行了大大優(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）不是一款單獨的軟件，而是讓新時代軟件工具與解決方案融合在一起的一種計策。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)合工程項目實際情況，創(chuàng)建具有相關(guān)實際數(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)，項目由大量不同專業(yè)組成，分別是結(jié)構(gòu)設(shè)計、排水設(shè)計、管道設(shè)備等不同程度需要有效協(xié)作才能完成項目，但是在設(shè)計項目中存在一些誤區(qū)，致使后續(xù)對BIM技術(shù)的設(shè)計修改。不同專業(yè)的人員進行設(shè)計遇到問題時，可以采用具有3D可視化功能編輯設(shè)計完成。此外，BIM技術(shù)還增加了數(shù)據(jù)距離定位，材料工程數(shù)量等多項指標，建設(shè)計劃等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為模型。

2.2 BIM可視化的優(yōu)點

大多數(shù)道路建設(shè)項目是政府資助的基礎(chǔ)設(shè)施項目，而該項目能否獲得廣泛認可，取決于項目的可行性報告。區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃狀況交通經(jīng)濟預(yù)測及建設(shè)技術(shù)標準和推薦建設(shè)計劃，會決定項目資金分配和最終實施計劃。政府機構(gòu)將召開負責(zé)土地管理的機構(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，通常會因為各個部門關(guān)注的差異所致，或溝通上的差距，計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，并能實現(xiàn)可視化實時對比。

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，進行數(shù)據(jù)搜索和信息編輯，進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，直接從路面模型上進行數(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

Civil 3D 在路面工程應(yīng)用建模方面有著非常厲害的功能，被譽為領(lǐng)先的BIM道路設(shè)計程序，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，還可以進行模擬計算分析，以及對路口進行建模。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的單元使用并單獨更新，格式更改可以通過簡單的參數(shù)設(shè)置進行。當(dāng)?shù)缆饭こ淘O(shè)計人員更新設(shè)計參數(shù)時，他們可以通過3D可視化模型即時改正，顯著提升設(shè)計效率。設(shè)計過程中，Revit軟件可以自動進行碰撞沖突檢測和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計算驗證，可以避免設(shè)計過程中可能發(fā)生的各種類型的施工危險，并且可以節(jié)省項目的整體成本[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，實現(xiàn)路面病害的可視化管理，加快我國道路建設(shè)進度[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，最終達成路面病害可視化的效果。當(dāng)因素發(fā)生變化時，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，發(fā)現(xiàn)在道路工程養(yǎng)護管理方面對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)，有助于我國交通運輸業(yè)的長期發(fā)展，對擴大交通運輸業(yè)規(guī)模，加快工程建設(shè)進度，延長公路使用壽命，保證道路交通安全都有重要意義。

參考文獻

[1] 孫夢夢，BIM技術(shù)在道路工程施工階段進度管理中的研究與應(yīng)用[D].鄭州：華北水利水電大學(xué)，2019.

[2] 于俊鵬，BIM技術(shù)在道路工程施工進度管理中的應(yīng)用探析[J].安徽建筑，2021，28（4）：69-70.

[3] 石紅磊，BIM技術(shù)在高速公路改擴建鋼橋全過程管理中的應(yīng)用[J].公路，2020，65（8）：157-161.

[4] 宋華，謝艷，張浩陽，等.BIM技術(shù)在橋梁管理可視化中的應(yīng)用研究[J].公路交通技術(shù)，2020，36（5）：94-99.

[5] 戴茜，季立花.基于BIM三維技術(shù)橋梁病害信息可視化探討[J].江西公路科技，2017（4）：51-54.

[6] 鄭智能.基于BIM平臺的路面病害可視化管理[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2019.

作者簡介：李慧（1995—），女，碩士，助教，研究方向為道路工程。

鄭宇（2000—），男，本科在讀，研究方向為道路橋梁與渡河工程。