數(shù)值試驗在智慧型道路檢測中心的創(chuàng)新應用

吳曉波，譚云鵬

（無錫市政設計研究院有限公司，江蘇 無錫 214072）

1 引言

隨著交通建設進入“十四五”時期，交通運輸部推出了綜合交通運輸發(fā)展規(guī)劃，標志著交通運輸將迎來高質量發(fā)展。傳統(tǒng)與科技相結合是“十四五”期間的發(fā)展方向。傳統(tǒng)道路檢測中心承擔道路材料的性能檢測、配合比驗證、數(shù)據(jù)處理與開具報告等業(yè)務。常規(guī)的檢測過程中，需要耗費大量的人力、物力與財力，試驗誤差與人為因素會導致工作重復以及數(shù)據(jù)失真[1]。鑒于此，為了結合科技提高道路工程常規(guī)材料檢測效率，實現(xiàn)常規(guī)檢測工作信息自動集成、減少人力、物力與財力的消耗是必要的，甚至開展常規(guī)檢測中心目前未有的業(yè)務。鑒于此，本文從現(xiàn)有數(shù)值試驗（離散單元法、有限單元法）方法的應用、建筑信息模型的應用介紹，提出智慧型道路檢測中心建立的構想。

2 離散單元法的應用

離散單元法（Discrete Element Method）最早由Cundall 教授提出，是一種用于求解大量顆粒在某些特定條件下受力狀態(tài)的數(shù)值計算方法。早期主要在巖土工程領域中使用，后來隨著計算機技術的高速發(fā)展也得到了飛速發(fā)展，其在進行數(shù)值試驗時可不受模型變形量的限制，因此，對于道路材料這種非連續(xù)而離散的性質能夠較好地處理相關力學問題并揭示相應的機理。本節(jié)以瀝青混合料為例，介紹現(xiàn)有的離散單元法相關研究。

Buttlar 教授等基于商業(yè)離散元軟件PFC 2D，提出了線彈性離散元微觀結構模型，成功模擬了瀝青混凝土的模量[2]；Abbas[3]采用黏彈性離散元模型，模擬混凝土的動態(tài)模量與蠕變行為；以You、Liu 構建了能反映集料特征、模型參數(shù)、空隙特征、溫度等對瀝青混合料模量、蠕變和細觀結構的二維和三維模型[4-7]。在國內，長安大學構建了可以真實反映瀝青混合料細觀結構特征的數(shù)值模型，該模型能對瀝青混合料的細觀結構和力學性能進行分析和預測[8，9]；裴建中等利用二維離散單元法模擬了馬歇爾試件的間接拉伸試驗過程，得到了不同加載速率下試件的力學響應，得到了顆粒間的接觸力和位移矢量以及裂縫數(shù)量，展現(xiàn)了裂縫隨時間的動態(tài)變化過程[10]；楊軍對瀝青混合料的三軸壓縮試驗進行離散元數(shù)值模擬，對瀝青混合料高溫性能的預估與實際較為契合[11]；張建同通過PFC 3D 軟件生成不規(guī)則顆粒模擬了瀝青混合料的局部三軸試驗，認為局部三軸試驗可有效模擬實際路面狀態(tài)，具有類似三軸壓縮試驗應力狀態(tài)明確的優(yōu)點，也具有類似單軸貫入試驗的圍壓，近似路面實際圍壓；應力應變基本均勻，可以通過簡單地測量變形來計算應變[12]。任皎龍通過PFC 2D 構建了瀝青混合料數(shù)值模型，并二次開發(fā)了軟件的本構模型，提出了虛擬低溫斷裂的數(shù)值試驗方法，構建的新型本構模型與實際更為相符[13]。

綜上所述，離散單元法的研究已日漸豐富，常規(guī)檢測試驗數(shù)值模擬以及對瀝青混合料的長期路用性能的預估模型已與實際相關度較高，智慧型道路檢測中心構建基于的理論與依托平臺在現(xiàn)有的研究中已得到驗證。

3 有限單元法的應用

有限單元法不僅能對復雜的模型（如車轍試驗）進行計算，而且考慮了非線性本構模型以及變形對應力的影響，結合其他方法（如極限平衡有限元法）發(fā)揮更大的優(yōu)勢。

普毅通過有限元模型計算了級配碎石基層與碎石土的厚度對應的等效回彈模量值，提出了該方法對重交通以下水泥混凝土道路的適用性[14]。譚金濤建立了水泥混凝土路面的有限元模型，在不同溫度、荷載與環(huán)境條件下對混凝土板應力進行模擬，可根據(jù)計算結果對混凝土路面的病害進行預防[15]。張慶明建立了水泥混凝土路面的有限元模型，研究了水泥混凝土設置隔離層的機理與作用[16]。陳玉豪經(jīng)對比了全厚式、半剛性基層、復合式路面結構力學性能的不同，對其進行了模擬，分別計算出形變、層底拉應力、最大抗剪強度等，論證了全厚式路面結構技術經(jīng)濟可行性[17]。楊小龍構建了水泥穩(wěn)定基層的有限元模型，研究了再生混合料的裂縫發(fā)展規(guī)律[18]。周騁基于實際工程建立了道路的有限元模型，提出了基于模擬的彎沉值確定現(xiàn)有道路與修復后道路病害的破壞范圍與破壞程度[19]。單麗巖建立了瀝青的有限元模型，在微觀角度分析了改性瀝青的損傷機理[20]。洪淵通過建立路塹邊坡有限元模型，提出了模型中邊坡失穩(wěn)的判別條件、算法與影響邊坡安全的因素[21]。

綜上所述，有限單元法在道路基層、面層中均有相應的應用，智慧型道路檢測中心在有限單元法模擬的理論與依托平臺同樣得到了驗證。

4 建筑信息模型的應用

建筑信息模型（簡稱BIM）起源于20 世紀70 年代的石油危機，隨著計算機技術的進步，三維建模、自動畫圖、參數(shù)化簇件與模擬實際施工等技術逐步完善。隨著Autodesk 收購Revit Technology，我國相繼發(fā)布了BIM 技術推廣應用的政策，表明BIM 是未來不可或缺的技術。

中國建筑科學研究院基于BIM 技術已開發(fā)出了相應的檢測評定系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以將材料特性、鋼筋分布、裂縫、構件尺寸等錄入建筑信息模型開展相關檢測，并可依據(jù)規(guī)范要求進行評定，除了部分不適于承載的位移（變形）和裂縫等需要技術人員配合完成檢測，其余均可錄入系統(tǒng)檢測評定并自動生成報告[22]。BIM 軟件Revit 與BOPM 在實踐中已應用于不同專業(yè)的管線分析、管線與建筑物（構筑物）之間的凈空間的碰撞沖突，通過三維可視化的表征能力可在結構設計、電氣設計與檢驗過程中發(fā)揮重要作用，規(guī)避一些設計不周全引發(fā)的返工、延誤與人力財力的浪費。對道路工程檢測中心的啟示不止于混凝土道路的檢測、地下管線的碰撞檢測等與BIM 技術的結合使用，檢測中心還可以基于BIM 技術開展多元化的、常規(guī)檢測未有涉及的檢測項目，如對設計的檢驗、三維可視化交底服務。

綜上所述，BIM 技術在其他專業(yè)領域的應用可以借鑒應用于道路工程，智慧型道路檢測中心應用BIM 技術的方式、依托平臺與發(fā)展方向已得到驗證。

5 智慧型道路檢測中心設計構想

5.1 設備

常規(guī)道路檢測中心以配備符合規(guī)范要求的儀器、設備為主，目前，三軸壓縮儀、自動車轍試驗儀、萬能試驗機等可實現(xiàn)電腦操作，為科研工作者帶來了極大的便利。而對于智慧型道路檢測中心實現(xiàn)數(shù)值模擬運作的要求，需要在常規(guī)儀器已有的基礎上配置能實現(xiàn)高效數(shù)值模擬的圖形工作站，對工作站的型號注重科學配置且具有前瞻性，根據(jù)軟件的迭代升級對已有圖形工作站進行硬件升級。

5.2 大數(shù)據(jù)集成

智慧型道路檢測中心在配備能滿足數(shù)值模擬檢測的圖形工作站后，需要對已有的檢測數(shù)據(jù)進行匯總至云端服務器以便工作人員檢索。對于相同材料的檢測、相同材料構成的道路結構可以直接調用。在日常檢測與模擬中形成的數(shù)據(jù)與其他智慧型道路檢測中心建立大數(shù)據(jù)庫，便于不同地域的檢測中心調用、科研工作。

5.3 報告發(fā)放

智慧型道路檢測中心對于檢測報告的發(fā)放應能實現(xiàn)自動化和智能化，可編制專用檢測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，利用Python 自動生成檢測報告與對委托用戶開放的驗證碼，從而實現(xiàn)線上委托、取報告的非接觸式智慧檢測形式。

5.4 人員

智慧型道路檢測中心是工作人員應能夠熟練操作離散元、有限元、BIM 軟件，對編程與數(shù)值模擬有一定基礎。在日常模擬工作中，能夠對已有的檢測數(shù)據(jù)精度進行完善，不斷地修正模型參數(shù)與程序語言以接近實際檢測數(shù)據(jù)。

6 智慧型道路檢測中心構建的意義

1）提供科研理論支持與完善。智慧型道路檢測中心不僅可改善檢測中心的業(yè)務結構，匯總的大數(shù)據(jù)可供高校、科研機構參考，利于推動科研工作的開展，并在科研工作中進一步修正數(shù)據(jù)的精度。

2）經(jīng)濟效益。檢測費用通常由直接成本和間接成本構成，約占工程造價的0.3%～0.7%，相同的材料應用于不同工程時將重復消耗人力、物力與財力。而智慧型道路檢測中心可減少政府對公共基礎建設的投資，提升智慧道路檢測行業(yè)的整體經(jīng)濟效益。

3）社會效益。智慧型道路檢測中心的建設需要政府發(fā)揮職能，整合各地的檢測數(shù)據(jù)至云平臺，提升檢測中心的服務能力與覆蓋范圍，創(chuàng)造更大的社會效益。

7 結語

1）對現(xiàn)有離散單元法、有限單元法的數(shù)值試驗與建筑信息模型的應用進行介紹，指出現(xiàn)有研究已日漸豐富，常規(guī)檢測試驗數(shù)值試驗與實際相關度較高，建筑信息模型應用日漸完善，智慧型道路檢測中心構建基于的理論與依托平臺在現(xiàn)有的研究中已得到驗證。

2）從智慧型道路檢測中心的設備要求、大數(shù)據(jù)集成、報告發(fā)放與人員配備提出了設計構想，總結了智慧型道路檢測中心構建的意義，對新型道路智慧試驗室的構建提供了思路。