BIM技術(shù)在瀝青路面全壽命周期中的應(yīng)用

摘" 要：為保證瀝青混凝土路面的設(shè)計(jì)質(zhì)量，該文分析BIM技術(shù)的特點(diǎn)，以某高速公路工程為例，基于AUTODESK平臺(tái)的Revit軟件建立路面結(jié)構(gòu)的BIM模型，并通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口將BIM模型導(dǎo)入到MIDAS GTS軟件中開展路面結(jié)構(gòu)驗(yàn)算。隨后，分析BIM技術(shù)在瀝青路面施工過(guò)程模擬、施工信息集成、病害特征模擬等方面的應(yīng)用，研究成果可為類似瀝青路面工程設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：BIM技術(shù);瀝青路面;三維模型;結(jié)構(gòu)驗(yàn)算;施工模擬;病害分析

中圖分類號(hào)：U416.217" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2025）11-0189-04

Abstract： In order to ensure the design quality of asphalt concrete pavements， this paper analyzes the characteristics of BIM technology. Taking a highway project as an example， a BIM model of the pavement structure is established based on the Revit software of the AUTODESK platform， and the BIM model is imported into MIDAS GTS software through the data conversion interface to carry out pavement structure checking. Subsequently， the application of BIM technology in asphalt pavement construction process simulation， construction information integration， disease characteristic simulation， etc. is analyzed. The research results can provide reference for the design of similar asphalt pavement projects.

Keywords： BIM technology; asphalt pavement; 3D model; structural checking; construction simulation; disease analysis

BIM技術(shù)是一種新技術(shù)、新設(shè)計(jì)理念，其在工程領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。BIM技術(shù)不只是一個(gè)軟件，而是將項(xiàng)目所有信息整合成一個(gè)整體的數(shù)字化模型，項(xiàng)目的各參與方均可通過(guò)該模型實(shí)現(xiàn)協(xié)同高工資。但是，BIM技術(shù)并不會(huì)降低設(shè)計(jì)人員的工作量，設(shè)計(jì)人員無(wú)學(xué)習(xí)動(dòng)力。為了解決這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)單位需單獨(dú)招聘或培養(yǎng)BIM專業(yè)人才，短期投入大，且無(wú)法獲得經(jīng)濟(jì)效益，也沒有推廣動(dòng)力，使得BIM技術(shù)在工程領(lǐng)域中的使用較少。尤其是公路工程，其建設(shè)內(nèi)容復(fù)雜、周期長(zhǎng)等，BIM技術(shù)的多數(shù)研究是集中在某一建設(shè)階段。因此，進(jìn)一步分析BIM技術(shù)在瀝青路面中的應(yīng)用具有重要的意義。

1" BIM技術(shù)特點(diǎn)

BIM技術(shù)（Building Information Modeling）應(yīng)用的目的是建立公路瀝青路面的數(shù)字化模型，實(shí)現(xiàn)協(xié)同化發(fā)展，一般具有以下幾個(gè)特點(diǎn)[1]。

一是可視化。在設(shè)計(jì)階段，利用BIM技術(shù)可建立瀝青路面的三維模型，可使設(shè)計(jì)人員更直觀地看到內(nèi)部構(gòu)件，彌補(bǔ)二維平面圖紙的缺陷。同時(shí)，可向業(yè)主更直觀地展示設(shè)計(jì)方案，更好地傳達(dá)設(shè)計(jì)意圖，避免因理解錯(cuò)誤而返工。

二是協(xié)調(diào)性。瀝青路面在公路工程中并不是孤立存在的，需要和路線、路基、橋梁、涵洞及各種附屬專業(yè)的技術(shù)人員及時(shí)溝通。傳統(tǒng)的溝通方式是通過(guò)Excel、Word等文件，溝通效率低。應(yīng)用BIM技術(shù)后，各個(gè)技術(shù)人員都可提取最新的模型數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)協(xié)同化工作。

三是聯(lián)動(dòng)性。對(duì)于二維圖紙，圖紙修改的工作量大，且可能出現(xiàn)漏項(xiàng)、缺項(xiàng)。而在BIM模型中，更改一個(gè)構(gòu)件后，與之相關(guān)的其他構(gòu)件都會(huì)實(shí)時(shí)修改，大大提高了工作效率。

四是模擬性。利用BIM技術(shù)可模擬瀝青路面的施工，提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)圖紙中存在的問(wèn)題，并提前修改，以免施工時(shí)出現(xiàn)工程頻繁變更或返工，影響施工成本和進(jìn)度。

2" BIM技術(shù)應(yīng)用于瀝青路面建模和結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

研究對(duì)象為高速公路工程，其路線長(zhǎng)度為45.5 km，起訖樁號(hào)為K0+000，終點(diǎn)樁號(hào)為K45+500，設(shè)計(jì)速度為120 km/h，路基橫斷面寬為25.5 m，行車道和硬路肩采用瀝青混合料路面，路面的設(shè)計(jì)使用年限為15 a，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸載為BZZ-100（100 kN），厚度為70 cm，各個(gè)層位如下：上面層（厚4 cm的SMA-13）+中面層（厚6 cm的AC-20C）+下面層（厚8 cm的AC-25）+基層（厚36 cm的水泥穩(wěn)定碎石）+底基層（厚18 cm的水泥穩(wěn)定碎石），其中水泥穩(wěn)定碎石的彎拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值取1.2 MPa，如圖1所示。

為促進(jìn)BIM技術(shù)在公路工程中的可持續(xù)發(fā)展，依托該項(xiàng)目研究了BIM技術(shù)在瀝青路面全生命周期中的應(yīng)用要點(diǎn)。

2.1" 建模平臺(tái)

在公路工程領(lǐng)域，AUTODESK平臺(tái)和BENTLEY平臺(tái)是應(yīng)用最多的2個(gè)BIM平臺(tái)，兩者之間可從數(shù)據(jù)類型、交互能力、參數(shù)化能力和硬件要求等方面進(jìn)行對(duì)比，見表1[2]。

經(jīng)對(duì)比，AUTODESK平臺(tái)的交互能力強(qiáng)、對(duì)電腦硬件的要求低，且其在國(guó)內(nèi)的學(xué)習(xí)資料較多，便于推廣，建議公路瀝青路面的BIM平臺(tái)采用AUTODESK平臺(tái)。

2.2" 建模要點(diǎn)分析

本文利用AUTODESK平臺(tái)的Revit軟件先自定義公路瀝青路面的面層，（底）基層及邊坡、邊溝、截水溝和排水溝等族，實(shí)現(xiàn)了瀝青路面的參數(shù)化建模。

2.2.1" 自定義族

族可以對(duì)工程中不同結(jié)構(gòu)或構(gòu)件進(jìn)行區(qū)分，是瀝青路面建模的基礎(chǔ)。在Revit軟件中，系統(tǒng)族是Revit軟件預(yù)制的，主要用于房建工程中。內(nèi)建族只在當(dāng)前所創(chuàng)建的項(xiàng)目中使用，不能重復(fù)使用。因此，建議公路瀝青路面采用自定義族建模，即在族編輯器中創(chuàng)建，并通過(guò)屬性參數(shù)控制族形狀[3]。

以該公路瀝青路面的面層族為例，可先打開“公制常規(guī)模型族.rft”，采用線命令繪制斷面輪廓，再給族添加面層厚度、材料參數(shù)等屬性，生成面層模型。需注意：①族的關(guān)聯(lián)功能強(qiáng)大，修改瀝青路面模型中的某個(gè)參數(shù)時(shí)，與其相同類型的族參數(shù)也隨之改變，不需重復(fù)建模，可提高建模效率;②參照標(biāo)高和平面是瀝青路面BIM模型尺寸標(biāo)注的基準(zhǔn)，建議以地形標(biāo)高作為參照標(biāo)高，以路面中心線作為參照平面[4]。

2.2.2" 建模

各個(gè)族構(gòu)件創(chuàng)建結(jié)束后，將其加載到瀝青路面的項(xiàng)目文檔中，按路面的設(shè)計(jì)參數(shù)開展拼裝，完成路面的建模，建模成果如圖2所示。

2.3" 路面結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

結(jié)構(gòu)驗(yàn)算是公路瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，但BIM建模軟件的計(jì)算能力一般較差，計(jì)算精確度不足。為了解決這一問(wèn)題，可開發(fā)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口，將圖1模型的數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入有限元軟件MIDAS GTS中，再驗(yàn)算路面結(jié)構(gòu)受力和變形是否合理[5]。

路面模型導(dǎo)入到MIDAS GTS軟件后，施加車輛荷載。由于近年來(lái)公路沿線的車輛超載問(wèn)題十分突出，瀝青路面驗(yàn)算模型施加車輛荷載時(shí)要考慮一定比例的超載，即在標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100（100 kN）的基礎(chǔ)上，采用1.1～1.5倍標(biāo)準(zhǔn)軸載。隨后，用有限元軟件計(jì)算了在不同車輛荷載下的瀝青面層永久變形量和基層層底拉應(yīng)力，計(jì)算結(jié)果見表2和圖3。

由表2和圖3可知，車輛荷載越大，瀝青面層永久變形量和基層層底拉應(yīng)力也越大。當(dāng)車輛荷載從100 kN提高到110 kN、從110 kN提高到120 kN、從120 kN提高到130 kN、從130 kN提高到140 kN、從140 kN提高到150 kN，瀝青面層永久變形量分別提高了0.9、1.1、0.9、0.9和1.1 mm，提高幅度分別為15.3%、16.2%、10.4%、10.2%和11.3%;基層層底拉應(yīng)力分別提高了0.08、0.05、0.06、0.05 和0.05 MPa，提高幅度分別為10.0%、5.7%、6.5%、5.1%和4.8%。

根據(jù)現(xiàn)行路面設(shè)計(jì)規(guī)范，半剛性基層瀝青路面的容許永久變形量為15 mm。而該公路瀝青路面計(jì)算出的最大容許變形量為10.8 mm，滿足規(guī)范要求。同時(shí)，基層層底的最大拉應(yīng)力為1.09 MPa，小于彎拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.2 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求，說(shuō)明路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案是可行的。

3" BIM技術(shù)應(yīng)用于瀝青路面施工

一般情況下，瀝青路面的很多早期病害都與施工質(zhì)量差密切相關(guān)，有必要利用BIM技術(shù)來(lái)模擬瀝青路面的施工，提前發(fā)現(xiàn)施工問(wèn)題，提出解決對(duì)策，以更好地控制施工質(zhì)量。

3.1" 施工場(chǎng)景構(gòu)建

在利用BIM技術(shù)模擬瀝青路面施工前，要先構(gòu)建施工場(chǎng)景，比如三維道路、施工機(jī)具等，具體構(gòu)建方法闡述如下[6]。

三維道路的構(gòu)建可基于Revit軟件的二次開發(fā)工具Dynamo，即先用Dynamo工具編制一個(gè)節(jié)點(diǎn)程序，從Excel文件中讀取道路的現(xiàn)場(chǎng)地勘數(shù)據(jù)，自動(dòng)將坐標(biāo)X、Y、Z的數(shù)據(jù)分欄處理，最終建立地質(zhì)模型。為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，可設(shè)定程序的運(yùn)行條件。當(dāng)相同的X、Y、Z坐標(biāo)出現(xiàn)2次及以上，程序停止運(yùn)行;隨后，將地質(zhì)模型導(dǎo)入Revit軟件中，生成地質(zhì)曲面，并與路線模型疊合，形成三維道路模型。

另外，施工機(jī)具（施工棚、運(yùn)料車、壓路機(jī)和攤鋪機(jī)等）的構(gòu)建也要先通過(guò)Revit軟件建立相應(yīng)的族模型。隨后，以.rfa文件的格式導(dǎo)入到Navisworks軟件中，并在Navisworks軟件中根據(jù)X、Y、Z坐標(biāo)來(lái)控制施工機(jī)具在施工場(chǎng)景中的布置位置。

3.2" 施工過(guò)程模擬

在施工場(chǎng)景構(gòu)建完成后，可將其導(dǎo)進(jìn)Navisworks軟件中加入4D時(shí)間，模擬瀝青路面的攤鋪、碾壓等施工環(huán)節(jié)。模擬視頻可按下述步驟制作：①選擇模擬路段。瀝青路面模擬過(guò)程過(guò)長(zhǎng)，其工作量越大。結(jié)合相關(guān)研究成果，取長(zhǎng)100 m的瀝青路面作為模擬對(duì)象。②放置施工機(jī)械。在瀝青路面上放置若干個(gè)施工機(jī)械。③施工模擬。公路瀝青路面的施工過(guò)程模擬的關(guān)鍵是構(gòu)建施工步驟與施工時(shí)間的相關(guān)關(guān)系。此時(shí)，技術(shù)人員可利用“timeliner”功能來(lái)實(shí)現(xiàn)，并選擇合適的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，使施工機(jī)械的行駛速度滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。另外，在瀝青路面的超高路段，可加入旋轉(zhuǎn)動(dòng)畫，以模擬施工車輛在超高路段的轉(zhuǎn)彎[7]。

3.3" 施工信息集成

瀝青路面的三維BIM模型具有儲(chǔ)存信息的功能。在瀝青路面施工期間，可每1 000 m設(shè)置1個(gè)監(jiān)控點(diǎn)，將瀝青路面的基礎(chǔ)施工信息進(jìn)行集成，比如原材料物理力學(xué)參數(shù)、配合比、攤鋪機(jī)械類型、攤鋪厚度、攤鋪溫度、壓實(shí)溫度、壓實(shí)遍數(shù)、壓實(shí)厚度和壓實(shí)機(jī)械類型等[8]。此時(shí)，具有打開BIM模型權(quán)限的技術(shù)人員和管理人員均可讀取模型信息，以實(shí)現(xiàn)對(duì)瀝青路面施工的遠(yuǎn)程管理。

4" BIM技術(shù)應(yīng)用于病害養(yǎng)護(hù)

在公路通車運(yùn)營(yíng)期間，瀝青路面會(huì)受到車輛荷載的反復(fù)作用和降雨、凍融等不利因素的影響，產(chǎn)生裂縫、沉陷、坑槽等病害。利用BIM技術(shù)可構(gòu)建病害模型，通過(guò)調(diào)整病害參數(shù)來(lái)分析病害的發(fā)展趨勢(shì)，為養(yǎng)護(hù)決策提供一定的參考。

4.1" 病害模擬

瀝青路面的橫向、縱向裂縫模型在構(gòu)建時(shí)要先將路面區(qū)域尺寸輸入Dynamo程序框中構(gòu)建路面模型，再將裂縫樣式迭代函數(shù)輸入Dynamo程序框中構(gòu)建裂縫模型。隨后，將路面模型與裂縫模型進(jìn)行合并得到路面裂縫病害模型，如圖4（a）所示。

坑槽、沉陷等病害可用驅(qū)動(dòng)圓半徑來(lái)確定范圍，再通過(guò)深度數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)整破損程度。該模型構(gòu)件后也需要與路面BIM模型融合，使病害在路面模型中顯示出來(lái)，如圖4（b）所示。

4.2" 病害信息集成

技術(shù)人員可利用三維GIS軟件將路面BIM模型、病害類型、地理信息等集成為一個(gè)整體，再結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)GPS數(shù)據(jù)或經(jīng)緯度數(shù)據(jù)將各類模型匹配至相應(yīng)的場(chǎng)景中[9]。模型在場(chǎng)景中集成后，具有權(quán)限的技術(shù)人員可從道路病害數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)取瀝青路面任一路段的病害信息，并在場(chǎng)景中詳細(xì)顯示，為瀝青路面病害管養(yǎng)提供一定的參考。

5" 結(jié)論

本文以某公路瀝青路面為研究對(duì)象，主要研究BIM技術(shù)在建模、結(jié)構(gòu)驗(yàn)算、施工和病害養(yǎng)護(hù)等方面的具體應(yīng)用，得到了以下4項(xiàng)研究結(jié)論。

1）將BIM技術(shù)用于公路瀝青混合料路面中可實(shí)現(xiàn)可視化，并實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)性、聯(lián)動(dòng)性工作。

2）瀝青路面建模宜采用AUTODESK平臺(tái)的Revit軟件，先自定義族，再拼裝。建模完成后，可利用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口將BIM模型導(dǎo)入有限元軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算。

3）利用Dynamo工具構(gòu)件路面施工場(chǎng)景后，可導(dǎo)入Navisworks軟件中，利用“timeliner”功能來(lái)模擬瀝青路面的攤鋪、碾壓等施工過(guò)程。

4）BIM技術(shù)可建立瀝青路面的病害模型，并將其集成在三維GIS軟件上，為瀝青路面養(yǎng)護(hù)提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 徐康茹.BIM技術(shù)在瀝青路面病害建模及養(yǎng)護(hù)決策中的應(yīng)用技術(shù)研究[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2024.

[2] 張璐.基于BIM技術(shù)的市政道路設(shè)計(jì)研究[D].鄭州：華北水利水電大學(xué)，2023.

[3] 雒澤華，韓濤，張陽(yáng)，等.基于BIM的路面參數(shù)化設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)同步分析[J].施工技術(shù)（中英文），2023，52（5）：20-25.

[4] 高旭.基于BIM技術(shù)的路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)決策方法研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2019.

[5] 熊宇宏.基于BIM平臺(tái)的路面施工可視化管理研究[J].工程技術(shù)研究，2022，7（13）：163-165.

[6] 張光耀.基于BIM的路面綜合評(píng)價(jià)技術(shù)研究[D].南京：東南大學(xué)，2019.

[7] 白玉琴.基于BIM的舊瀝青路面調(diào)拱技術(shù)研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2022.

[8] 李賢統(tǒng).基于BIM的瀝青路面病害參數(shù)化建模與輔助養(yǎng)護(hù)決策研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2020.

[9] 劉可欣，徐旻，李旭，等.BIM技術(shù)在瀝青路面施工模擬中的應(yīng)用研究[J].中外公路，2022，42（3）：43-47.