數(shù)值試驗(yàn)在智慧型道路檢測(cè)中心的創(chuàng)新應(yīng)用

吳曉波，譚云鵬

（無(wú)錫市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 無(wú)錫 214072）

1 引言

隨著交通建設(shè)進(jìn)入“十四五”時(shí)期，交通運(yùn)輸部推出了綜合交通運(yùn)輸發(fā)展規(guī)劃，標(biāo)志著交通運(yùn)輸將迎來(lái)高質(zhì)量發(fā)展。傳統(tǒng)與科技相結(jié)合是“十四五”期間的發(fā)展方向。傳統(tǒng)道路檢測(cè)中心承擔(dān)道路材料的性能檢測(cè)、配合比驗(yàn)證、數(shù)據(jù)處理與開(kāi)具報(bào)告等業(yè)務(wù)。常規(guī)的檢測(cè)過(guò)程中，需要耗費(fèi)大量的人力、物力與財(cái)力，試驗(yàn)誤差與人為因素會(huì)導(dǎo)致工作重復(fù)以及數(shù)據(jù)失真[1]。鑒于此，為了結(jié)合科技提高道路工程常規(guī)材料檢測(cè)效率，實(shí)現(xiàn)常規(guī)檢測(cè)工作信息自動(dòng)集成、減少人力、物力與財(cái)力的消耗是必要的，甚至開(kāi)展常規(guī)檢測(cè)中心目前未有的業(yè)務(wù)。鑒于此，本文從現(xiàn)有數(shù)值試驗(yàn)（離散單元法、有限單元法）方法的應(yīng)用、建筑信息模型的應(yīng)用介紹，提出智慧型道路檢測(cè)中心建立的構(gòu)想。

2 離散單元法的應(yīng)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(jì)算方法。早期主要在巖土工程領(lǐng)域中使用，后來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展也得到了飛速發(fā)展，其在進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)時(shí)可不受模型變形量的限制，因此，對(duì)于道路材料這種非連續(xù)而離散的性質(zhì)能夠較好地處理相關(guān)力學(xué)問(wèn)題并揭示相應(yīng)的機(jī)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(guān)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(jié)構(gòu)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(dòng)態(tài)模量與蠕變行為；以You、Liu 構(gòu)建了能反映集料特征、模型參數(shù)、空隙特征、溫度等對(duì)瀝青混合料模量、蠕變和細(xì)觀結(jié)構(gòu)的二維和三維模型[4-7]。在國(guó)內(nèi)，長(zhǎng)安大學(xué)構(gòu)建了可以真實(shí)反映瀝青混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征的數(shù)值模型，該模型能對(duì)瀝青混合料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)[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(yàn)過(guò)程，得到了不同加載速率下試件的力學(xué)響應(yīng)，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(shí)間的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程[10]；楊軍對(duì)瀝青混合料的三軸壓縮試驗(yàn)進(jìn)行離散元數(shù)值模擬，對(duì)瀝青混合料高溫性能的預(yù)估與實(shí)際較為契合[11]；張建同通過(guò)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(yàn)，認(rèn)為局部三軸試驗(yàn)可有效模擬實(shí)際路面狀態(tài)，具有類(lèi)似三軸壓縮試驗(yàn)應(yīng)力狀態(tài)明確的優(yōu)點(diǎn)，也具有類(lèi)似單軸貫入試驗(yàn)的圍壓，近似路面實(shí)際圍壓；應(yīng)力應(yīng)變基本均勻，可以通過(guò)簡(jiǎn)單地測(cè)量變形來(lái)計(jì)算應(yīng)變[12]。任皎龍通過(guò)PFC 2D 構(gòu)建了瀝青混合料數(shù)值模型，并二次開(kāi)發(fā)了軟件的本構(gòu)模型，提出了虛擬低溫?cái)嗔训臄?shù)值試驗(yàn)方法，構(gòu)建的新型本構(gòu)模型與實(shí)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(cè)試驗(yàn)數(shù)值模擬以及對(duì)瀝青混合料的長(zhǎng)期路用性能的預(yù)估模型已與實(shí)際相關(guān)度較高，智慧型道路檢測(cè)中心構(gòu)建基于的理論與依托平臺(tái)在現(xiàn)有的研究中已得到驗(yàn)證。

3 有限單元法的應(yīng)用

有限單元法不僅能對(duì)復(fù)雜的模型（如車(chē)轍試驗(yàn)）進(jìn)行計(jì)算，而且考慮了非線性本構(gòu)模型以及變形對(duì)應(yīng)力的影響，結(jié)合其他方法（如極限平衡有限元法）發(fā)揮更大的優(yōu)勢(shì)。

普毅通過(guò)有限元模型計(jì)算了級(jí)配碎石基層與碎石土的厚度對(duì)應(yīng)的等效回彈模量值，提出了該方法對(duì)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(duì)混凝土板應(yīng)力進(jìn)行模擬，可根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)混凝土路面的病害進(jìn)行預(yù)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(shè)置隔離層的機(jī)理與作用[16]。陳玉豪經(jīng)對(duì)比了全厚式、半剛性基層、復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的不同，對(duì)其進(jìn)行了模擬，分別計(jì)算出形變、層底拉應(yīng)力、最大抗剪強(qiáng)度等，論證了全厚式路面結(jié)構(gòu)技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性[17]。楊小龍構(gòu)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(shí)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(fù)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(jī)理[20]。洪淵通過(guò)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(yīng)的應(yīng)用，智慧型道路檢測(cè)中心在有限單元法模擬的理論與依托平臺(tái)同樣得到了驗(yàn)證。

4 建筑信息模型的應(yīng)用

建筑信息模型（簡(jiǎn)稱(chēng)BIM）起源于20 世紀(jì)70 年代的石油危機(jī)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，三維建模、自動(dòng)畫(huà)圖、參數(shù)化簇件與模擬實(shí)際施工等技術(shù)逐步完善。隨著Autodesk 收購(gòu)Revit Technology，我國(guó)相繼發(fā)布了BIM 技術(shù)推廣應(yīng)用的政策，表明BIM 是未來(lái)不可或缺的技術(shù)。

中國(guó)建筑科學(xué)研究院基于BIM 技術(shù)已開(kāi)發(fā)出了相應(yīng)的檢測(cè)評(píng)定系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以將材料特性、鋼筋分布、裂縫、構(gòu)件尺寸等錄入建筑信息模型開(kāi)展相關(guān)檢測(cè)，并可依據(jù)規(guī)范要求進(jìn)行評(píng)定，除了部分不適于承載的位移（變形）和裂縫等需要技術(shù)人員配合完成檢測(cè)，其余均可錄入系統(tǒng)檢測(cè)評(píng)定并自動(dòng)生成報(bào)告[22]。BIM 軟件Revit 與BOPM 在實(shí)踐中已應(yīng)用于不同專(zhuān)業(yè)的管線分析、管線與建筑物（構(gòu)筑物）之間的凈空間的碰撞沖突，通過(guò)三維可視化的表征能力可在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電氣設(shè)計(jì)與檢驗(yàn)過(guò)程中發(fā)揮重要作用，規(guī)避一些設(shè)計(jì)不周全引發(fā)的返工、延誤與人力財(cái)力的浪費(fèi)。對(duì)道路工程檢測(cè)中心的啟示不止于混凝土道路的檢測(cè)、地下管線的碰撞檢測(cè)等與BIM 技術(shù)的結(jié)合使用，檢測(cè)中心還可以基于BIM 技術(shù)開(kāi)展多元化的、常規(guī)檢測(cè)未有涉及的檢測(cè)項(xiàng)目，如對(duì)設(shè)計(jì)的檢驗(yàn)、三維可視化交底服務(wù)。

綜上所述，BIM 技術(shù)在其他專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用可以借鑒應(yīng)用于道路工程，智慧型道路檢測(cè)中心應(yīng)用BIM 技術(shù)的方式、依托平臺(tái)與發(fā)展方向已得到驗(yàn)證。

5 智慧型道路檢測(cè)中心設(shè)計(jì)構(gòu)想

5.1 設(shè)備

常規(guī)道路檢測(cè)中心以配備符合規(guī)范要求的儀器、設(shè)備為主，目前，三軸壓縮儀、自動(dòng)車(chē)轍試驗(yàn)儀、萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)等可實(shí)現(xiàn)電腦操作，為科研工作者帶來(lái)了極大的便利。而對(duì)于智慧型道路檢測(cè)中心實(shí)現(xiàn)數(shù)值模擬運(yùn)作的要求，需要在常規(guī)儀器已有的基礎(chǔ)上配置能實(shí)現(xiàn)高效數(shù)值模擬的圖形工作站，對(duì)工作站的型號(hào)注重科學(xué)配置且具有前瞻性，根據(jù)軟件的迭代升級(jí)對(duì)已有圖形工作站進(jìn)行硬件升級(jí)。

5.2 大數(shù)據(jù)集成

智慧型道路檢測(cè)中心在配備能滿足數(shù)值模擬檢測(cè)的圖形工作站后，需要對(duì)已有的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總至云端服務(wù)器以便工作人員檢索。對(duì)于相同材料的檢測(cè)、相同材料構(gòu)成的道路結(jié)構(gòu)可以直接調(diào)用。在日常檢測(cè)與模擬中形成的數(shù)據(jù)與其他智慧型道路檢測(cè)中心建立大數(shù)據(jù)庫(kù)，便于不同地域的檢測(cè)中心調(diào)用、科研工作。

5.3 報(bào)告發(fā)放

智慧型道路檢測(cè)中心對(duì)于檢測(cè)報(bào)告的發(fā)放應(yīng)能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化，可編制專(zhuān)用檢測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，利用Python 自動(dòng)生成檢測(cè)報(bào)告與對(duì)委托用戶開(kāi)放的驗(yàn)證碼，從而實(shí)現(xiàn)線上委托、取報(bào)告的非接觸式智慧檢測(cè)形式。

5.4 人員

智慧型道路檢測(cè)中心是工作人員應(yīng)能夠熟練操作離散元、有限元、BIM 軟件，對(duì)編程與數(shù)值模擬有一定基礎(chǔ)。在日常模擬工作中，能夠?qū)σ延械臋z測(cè)數(shù)據(jù)精度進(jìn)行完善，不斷地修正模型參數(shù)與程序語(yǔ)言以接近實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)。

6 智慧型道路檢測(cè)中心構(gòu)建的意義

1）提供科研理論支持與完善。智慧型道路檢測(cè)中心不僅可改善檢測(cè)中心的業(yè)務(wù)結(jié)構(gòu)，匯總的大數(shù)據(jù)可供高校、科研機(jī)構(gòu)參考，利于推動(dòng)科研工作的開(kāi)展，并在科研工作中進(jìn)一步修正數(shù)據(jù)的精度。

2）經(jīng)濟(jì)效益。檢測(cè)費(fèi)用通常由直接成本和間接成本構(gòu)成，約占工程造價(jià)的0.3%～0.7%，相同的材料應(yīng)用于不同工程時(shí)將重復(fù)消耗人力、物力與財(cái)力。而智慧型道路檢測(cè)中心可減少政府對(duì)公共基礎(chǔ)建設(shè)的投資，提升智慧道路檢測(cè)行業(yè)的整體經(jīng)濟(jì)效益。

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

7 結(jié)語(yǔ)

1）對(duì)現(xiàn)有離散單元法、有限單元法的數(shù)值試驗(yàn)與建筑信息模型的應(yīng)用進(jìn)行介紹，指出現(xiàn)有研究已日漸豐富，常規(guī)檢測(cè)試驗(yàn)數(shù)值試驗(yàn)與實(shí)際相關(guān)度較高，建筑信息模型應(yīng)用日漸完善，智慧型道路檢測(cè)中心構(gòu)建基于的理論與依托平臺(tái)在現(xiàn)有的研究中已得到驗(yàn)證。

2）從智慧型道路檢測(cè)中心的設(shè)備要求、大數(shù)據(jù)集成、報(bào)告發(fā)放與人員配備提出了設(shè)計(jì)構(gòu)想，總結(jié)了智慧型道路檢測(cè)中心構(gòu)建的意義，對(duì)新型道路智慧試驗(yàn)室的構(gòu)建提供了思路。