BIM技術在瀝青路面全壽命周期中的應用

摘" 要：為保證瀝青混凝土路面的設計質(zhì)量，該文分析BIM技術的特點，以某高速公路工程為例，基于AUTODESK平臺的Revit軟件建立路面結(jié)構的BIM模型，并通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口將BIM模型導入到MIDAS GTS軟件中開展路面結(jié)構驗算。隨后，分析BIM技術在瀝青路面施工過程模擬、施工信息集成、病害特征模擬等方面的應用，研究成果可為類似瀝青路面工程設計提供參考。

關鍵詞：BIM技術;瀝青路面;三維模型;結(jié)構驗算;施工模擬;病害分析

中圖分類號：U416.217" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：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技術是一種新技術、新設計理念，其在工程領域的應用日益廣泛。BIM技術不只是一個軟件，而是將項目所有信息整合成一個整體的數(shù)字化模型，項目的各參與方均可通過該模型實現(xiàn)協(xié)同高工資。但是，BIM技術并不會降低設計人員的工作量，設計人員無學習動力。為了解決這一問題，設計單位需單獨招聘或培養(yǎng)BIM專業(yè)人才，短期投入大，且無法獲得經(jīng)濟效益，也沒有推廣動力，使得BIM技術在工程領域中的使用較少。尤其是公路工程，其建設內(nèi)容復雜、周期長等，BIM技術的多數(shù)研究是集中在某一建設階段。因此，進一步分析BIM技術在瀝青路面中的應用具有重要的意義。

1" BIM技術特點

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

一是可視化。在設計階段，利用BIM技術可建立瀝青路面的三維模型，可使設計人員更直觀地看到內(nèi)部構件，彌補二維平面圖紙的缺陷。同時，可向業(yè)主更直觀地展示設計方案，更好地傳達設計意圖，避免因理解錯誤而返工。

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)的技術人員及時溝通。傳統(tǒng)的溝通方式是通過Excel、Word等文件，溝通效率低。應用BIM技術后，各個技術人員都可提取最新的模型數(shù)據(jù)，實現(xiàn)協(xié)同化工作。

三是聯(lián)動性。對于二維圖紙，圖紙修改的工作量大，且可能出現(xiàn)漏項、缺項。而在BIM模型中，更改一個構件后，與之相關的其他構件都會實時修改，大大提高了工作效率。

四是模擬性。利用BIM技術可模擬瀝青路面的施工，提前發(fā)現(xiàn)設計圖紙中存在的問題，并提前修改，以免施工時出現(xiàn)工程頻繁變更或返工，影響施工成本和進度。

2" BIM技術應用于瀝青路面建模和結(jié)構驗算

研究對象為高速公路工程，其路線長度為45.5 km，起訖樁號為K0+000，終點樁號為K45+500，設計速度為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，路面的設計使用年限為15 a，設計標準軸載為BZZ-100（100 kN），厚度為70 cm，各個層位如下：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)定碎石的彎拉強度設計值取1.2 MPa，如圖1所示。

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

2.1" 建模平臺

在公路工程領域，AUTODESK平臺和BENTLEY平臺是應用最多的2個BIM平臺，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行對比，見表1[2]。

經(jīng)對比，AUTODESK平臺的交互能力強、對電腦硬件的要求低，且其在國內(nèi)的學習資料較多，便于推廣，建議公路瀝青路面的BIM平臺采用AUTODESK平臺。

2.2" 建模要點分析

本文利用AUTODESK平臺的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

族可以對工程中不同結(jié)構或構件進行區(qū)分，是瀝青路面建模的基礎。在Revit軟件中，系統(tǒng)族是Revit軟件預制的，主要用于房建工程中。內(nèi)建族只在當前所創(chuàng)建的項目中使用，不能重復使用。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族的關聯(lián)功能強大，修改瀝青路面模型中的某個參數(shù)時，與其相同類型的族參數(shù)也隨之改變，不需重復建模，可提高建模效率;②參照標高和平面是瀝青路面BIM模型尺寸標注的基準，建議以地形標高作為參照標高，以路面中心線作為參照平面[4]。

2.2.2" 建模

各個族構件創(chuàng)建結(jié)束后，將其加載到瀝青路面的項目文檔中，按路面的設計參數(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)構驗算

結(jié)構驗算是公路瀝青路面結(jié)構設計的關鍵，但BIM建模軟件的計算能力一般較差，計算精確度不足。為了解決這一問題，可開發(fā)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口，將圖1模型的數(shù)據(jù)直接導入有限元軟件MIDAS GTS中，再驗算路面結(jié)構受力和變形是否合理[5]。

路面模型導入到MIDAS GTS軟件后，施加車輛荷載。由于近年來公路沿線的車輛超載問題十分突出，瀝青路面驗算模型施加車輛荷載時要考慮一定比例的超載，即在標準軸載BZZ-100（100 kN）的基礎上，采用1.1～1.5倍標準軸載。隨后，用有限元軟件計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力，計算結(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力也越大。當車輛荷載從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)行路面設計規(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算出的最大容許變形量為10.8 mm，滿足規(guī)范要求。同時，基層層底的最大拉應力為1.09 MPa，小于彎拉強度設計值1.2 MPa，滿足設計要求，說明路面結(jié)構設計方案是可行的。

3" BIM技術應用于瀝青路面施工

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，有必要利用BIM技術來模擬瀝青路面的施工，提前發(fā)現(xiàn)施工問題，提出解決對策，以更好地控制施工質(zhì)量。

3.1" 施工場景構建

在利用BIM技術模擬瀝青路面施工前，要先構建施工場景，比如三維道路、施工機具等，具體構建方法闡述如下[6]。

三維道路的構建可基于Revit軟件的二次開發(fā)工具Dynamo，即先用Dynamo工具編制一個節(jié)點程序，從Excel文件中讀取道路的現(xiàn)場地勘數(shù)據(jù)，自動將坐標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)的準確性，可設定程序的運行條件。當相同的X、Y、Z坐標出現(xiàn)2次及以上，程序停止運行;隨后，將地質(zhì)模型導入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，施工機具（施工棚、運料車、壓路機和攤鋪機等）的構建也要先通過Revit軟件建立相應的族模型。隨后，以.rfa文件的格式導入到Navisworks軟件中，并在Navisworks軟件中根據(jù)X、Y、Z坐標來控制施工機具在施工場景中的布置位置。

3.2" 施工過程模擬

在施工場景構建完成后，可將其導進Navisworks軟件中加入4D時間，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。瀝青路面模擬過程過長，其工作量越大。結(jié)合相關研究成果，取長100 m的瀝青路面作為模擬對象。②放置施工機械。在瀝青路面上放置若干個施工機械。③施工模擬。公路瀝青路面的施工過程模擬的關鍵是構建施工步驟與施工時間的相關關系。此時，技術人員可利用“timeliner”功能來實現(xiàn)，并選擇合適的時間節(jié)點，使施工機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模型具有儲存信息的功能。在瀝青路面施工期間，可每1 000 m設置1個監(jiān)控點，將瀝青路面的基礎施工信息進行集成，比如原材料物理力學參數(shù)、配合比、攤鋪機械類型、攤鋪厚度、攤鋪溫度、壓實溫度、壓實遍數(shù)、壓實厚度和壓實機械類型等[8]。此時，具有打開BIM模型權限的技術人員和管理人員均可讀取模型信息，以實現(xiàn)對瀝青路面施工的遠程管理。

4" BIM技術應用于病害養(yǎng)護

在公路通車運營期間，瀝青路面會受到車輛荷載的反復作用和降雨、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技術可構建病害模型，通過調(diào)整病害參數(shù)來分析病害的發(fā)展趨勢，為養(yǎng)護決策提供一定的參考。

4.1" 病害模擬

瀝青路面的橫向、縱向裂縫模型在構建時要先將路面區(qū)域尺寸輸入Dynamo程序框中構建路面模型，再將裂縫樣式迭代函數(shù)輸入Dynamo程序框中構建裂縫模型。隨后，將路面模型與裂縫模型進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)動圓半徑來確定范圍，再通過深度數(shù)據(jù)來調(diào)整破損程度。該模型構件后也需要與路面BIM模型融合，使病害在路面模型中顯示出來，如圖4（b）所示。

4.2" 病害信息集成

技術人員可利用三維GIS軟件將路面BIM模型、病害類型、地理信息等集成為一個整體，再結(jié)合現(xiàn)場GPS數(shù)據(jù)或經(jīng)緯度數(shù)據(jù)將各類模型匹配至相應的場景中[9]。模型在場景中集成后，具有權限的技術人員可從道路病害數(shù)據(jù)庫中調(diào)取瀝青路面任一路段的病害信息，并在場景中詳細顯示，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象，主要研究BIM技術在建模、結(jié)構驗算、施工和病害養(yǎng)護等方面的具體應用，得到了以下4項研究結(jié)論。

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

2）瀝青路面建模宜采用AUTODESK平臺的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模型導入有限元軟件進行結(jié)構驗算。

3）利用Dynamo工具構件路面施工場景后，可導入Navisworks軟件中，利用“timeliner”功能來模擬瀝青路面的攤鋪、碾壓等施工過程。

4）BIM技術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)護提供依據(jù)。

參考文獻：

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

[2] 張璐.基于BIM技術的市政道路設計研究[D].鄭州：華北水利水電大學，2023.

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

[4] 高旭.基于BIM技術的路面預防性養(yǎng)護決策方法研究[D].西安：長安大學，2019.

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

[6] 張光耀.基于BIM的路面綜合評價技術研究[D].南京：東南大學，2019.

[7] 白玉琴.基于BIM的舊瀝青路面調(diào)拱技術研究[D].西安：西安科技大學，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)護決策研究[D].北京：北京交通大學，2020.

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