基于BIM技術(shù)的機場跑道病害鑒別及防護路徑探索*

寧 玻，米清泉，劉彩虹，葉龍海，張丞博，戴 軒

（中國民航大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院，天津300300）

機場跑道作為飛機起降都要經(jīng)過的主要通道，其運行狀態(tài)關(guān)乎飛行安全?！哆\輸機場運行安全管理規(guī)定》要求每年至少進行一次跑道狀況分析，每五年對跑道進行一次綜合評價[1]。然而目前在機場跑道管理與評價過程中，信息化水平不足，道面病害與評價信息如PCN值、損傷狀態(tài)、表面狀況在道面維護過程中仍主要依靠人工記錄，無法對道面運行狀態(tài)進行直觀展示與智慧管理，也無法對跑道歷史維護數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)性記錄，與智慧機場的要求尚有差距。隨著航空業(yè)務(wù)量的快速增長，各地機場超過了原有預(yù)測，瀝青道面出現(xiàn)了不同程度的病害，現(xiàn)道面主要病害包括跑道局部區(qū)域存在石子脫落、裂縫、裂紋，輪轍、端板等現(xiàn)象[2]。平行滑行道普遍存在輪轍現(xiàn)象，局部區(qū)域也存在石子脫落、裂縫、裂紋等現(xiàn)象[3]。因此本小組決定針對目前機場道面病害評價管理信息化不足的問題，建立數(shù)字化BIM模型，形成機場道面運行維護信息的BIM模型管理技術(shù)，為智慧機場與跑道安全服務(wù)，分塊集成BIM歷史病害數(shù)據(jù)，并探索傳感器數(shù)據(jù)與BIM模型數(shù)據(jù)的傳遞模式，開發(fā)基于建筑信息模型的機場道面病害管理與維護平臺，這對于機場跑道的更安全高效運行有很重大的研究意義。

1 機場跑道病害的分類

水泥混凝土路面因其優(yōu)越的強度和耐久性而被廣泛用于機場工程。然而，機場路面會暴露在環(huán)境負荷下，如雨雪，如果維護不當(dāng)，就會出現(xiàn)病害，這些病害的存在不僅會使路面損壞，還威脅到飛機在路面上行駛時的安全。因此，必須及時發(fā)現(xiàn)并治理這些病害。在本節(jié)中，我們將機場跑道病害的類別分為了四類。

1.1 板角處的斷裂

角部病害是指出現(xiàn)在路面板塊接縫處的裂縫，主要是由于荷載應(yīng)力造成的，并穿透板塊的厚度。目前機場表面主要是矩形板，這使得在混凝土澆筑過程中插入的振動器很難固定混凝土。然而，荷載應(yīng)力集中在板角，由于荷載傳遞能力低，相鄰板角之間缺乏傳遞鋼筋，所以容易發(fā)生破壞。

1.2 接縫斷裂

接縫的斷裂主要是由于溫度引起的熱膨脹應(yīng)力。即使在斷裂后，承載能力也不會完全喪失，仍會保留部分強度。當(dāng)平行滑行道的縱向接頭主要用于中國機場的地面建設(shè)時，應(yīng)力很可能集中在縱向接頭開口的縱向部分。由于接縫的基材在溫度升高時被推出，而在溫度降低時又不能恢復(fù)到原來的位置，因此土、沙、石塊等碎片會進入接縫，影響板塊的膨脹。板塊的彈性受到損害。經(jīng)過反復(fù)的冷凍和收縮，假接縫變成了真接縫，隨著埋藏材料的老化，板的邊緣會被損壞。隨著時間的推移，許多饋電場會惡化，失去彈性，并斷裂。雜質(zhì)進入到接縫中，便會阻止正常的變形，導(dǎo)致它們在受到外力作用時破裂。特別是在寒冷的氣候條件下，機場內(nèi)路面的溫差和波動會加速埋設(shè)材料的老化。

1.3 外露骨料的剝落

一是機場路面的剝落主要是由于混凝土的高水灰比、砂漿的分泌物和泥漿的提升引起的。二是混凝土強度不夠或表面的砂漿強度不夠[2]。砂漿會降低耐磨性，當(dāng)保護層被移除時，里面的骨料就會暴露出來[2]。三是水進入路面，由于反復(fù)的季節(jié)性凍融，破壞了路面的結(jié)構(gòu)。表面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)剝落、石子裸露和其他病害。四是如果在道路建設(shè)過程中對雨水和覆蓋物的保護不足，可能會出現(xiàn)麻面現(xiàn)象。五是日常維護過程中，化學(xué)品和腐蝕性液體可能會接觸到路面，造成分層、剝落和裸露的石塊。

1.4 其他病害

除上述病害外，還要注意的是，首先，如果混凝土使用了過多的砂石，而水泥過少，路面會變得過于粗糙，混凝土中的砂石材料會分離[2]。其次，由于水泥砂漿的強度低，水泥和骨料的耐磨性差，長期使用后，路面容易出現(xiàn)出磨現(xiàn)象，導(dǎo)致路面與輪胎之間的摩擦力降低[2]。最后填縫材料的質(zhì)量問題。這是由于長期使用質(zhì)量差的填縫材料造成的質(zhì)量差、老化、脆性裂縫、擠壓等現(xiàn)象。

2 機場跑道病害的鑒別

機場跑道病害有很多種，隨之，鑒別方法也多種多樣。首先，BIM技術(shù)可以將工程建筑信息三維可視化，在BIM技術(shù)下，各個構(gòu)件的空間幾何信息會明確地顯示在程序中，對其進行模擬分析后，其分析結(jié)果也能夠通過三維空間的形式展示出來，讓我們能夠清晰地看見。所以，如果利用BIM技術(shù)來建立一個含有機場跑道空間幾何信息的可視化三維模型，并將各類信息例如日照、風(fēng)速、溫度、濕度等輸入進去。病害位置便能夠通過輸入對應(yīng)坐標(biāo)來確定并被可視化，并且病害記錄在存儲之后，還能夠?qū)罄m(xù)病害進行規(guī)律分析并研究其防護措施。因此，我們可以利用BIM技術(shù)分析鑒定病害。

（1）確定機場跑道的材料、空間幾何信息如長度、寬度、深度、方向和周圍環(huán)境等各類因素的數(shù)據(jù)，并通過軟件模擬成三維空間圖形展示出來。

（2）將出現(xiàn)的病害在程序中表達出來，變成可視化的，參數(shù)包括“長度”“寬度”“深度”等等。

（3）對出現(xiàn)的各類病害進行類型鑒別和成因分析并記錄，方便維護。

（4）根據(jù)以往出現(xiàn)的各種病害記錄，分析機場跑道病害出現(xiàn)的特點及規(guī)律，想出對應(yīng)策略和防護措施，提前預(yù)防。

除此之外，還有通過計算PCI和SCI的方法來鑒定病害。根據(jù)美國ASTMD5340標(biāo)準(zhǔn)，道面損壞狀況分為7個等級（極好：PCI≥85；很好：70≤PCI＜85；好：55≤PCI＜70；中：40≤PCI＜55；差：25≤PCI＜40；很差：25≤PCI＜10；失效：PCI＜10），國內(nèi)道面損壞調(diào)查發(fā)現(xiàn)，PCI＜40的情況基本沒有，主要原因是道面PCI值接近40之前，絕大多數(shù)機場都已經(jīng)采取了工程措施進行整修，因此，規(guī)范將損壞等級評定標(biāo)準(zhǔn)中PCI＜40時的三個損壞等級合并成為一個等級，其他評定等級標(biāo)準(zhǔn)沿用[4]。

2.1 確定機場跑道病害類型、損壞程度、損壞量和損壞位置

應(yīng)先確定跑道為水泥混凝土道面還是瀝青道面，再確定病害及病害的損壞類型、損壞程度以及損壞位置，然后再進行之后的計算。

2.2 確定每種道面的損壞密度

道面PCI和SCI的計算是在單元的基礎(chǔ)上計算出各種病害的損壞密度，單元應(yīng)該采用“虛擬單元”進行劃分。

（1）水泥混凝土道面（或上面層為水泥的復(fù)合道面）的損壞密度按照“板塊比”式子計算[5]：

（2）瀝青道面（或上面層為瀝青混凝土的復(fù)合道面）的損壞密度按照“面積比”式子計算[5]：

2.3 確定各種損壞類型的損壞折減扣分值

根據(jù)損壞類型、損壞程度與損壞密度，從相應(yīng)圖中找到對應(yīng)類型的損壞折減曲線，再從橫坐標(biāo)軸中找出對應(yīng)的損壞密度得出相應(yīng)的損壞折減扣分值（DVi）。

2.4 計算規(guī)定區(qū)域道面的損壞最大折減值

（1）由大到小排列上述得到的道面的折減扣分值，將它們組合形成一維數(shù)組{DVi（i=1～n）}。

（2）如果{DVi（i=1～n）}中DVi＞5的損壞數(shù)量小于等于1，則MaxCDV=∑DVi。

（3）否則，損壞最大折減值（MaxCDV）按照以下步驟計算[6]：

首先確定損壞類型數(shù)量m：

令m=m（整數(shù)部分）+1，將{DVi（i=1～n）}中前m個DVi取出，將這m個數(shù)排列組成一個新的一維數(shù)組{DVi（i=1～m）}，其中，最小的折減扣分值由下式修正：

根據(jù)相應(yīng)道面PCI計算折減值綜合修正曲線，按從小到大的順序?qū)DVi（i=1～m）}中DVi≥5的折減扣分值進行逐項修正，直至{DVi（i=1～m）}中大于5的DVi數(shù)量小于等于1，修正過程如下[6]：

確定{DVi（i=1～m）}中DVi＞5的折減扣分值數(shù)量q；

根據(jù){DVi（i=1～m）}計算這m個數(shù)的損壞折減扣分值總和MaxCDV0=∑DVi；

由之前算出的q和MaxCDV0，通過給出的修正曲線確定折減修正值CDVi；

將{DVi（i=1～m）}中被修正的DVi取值為5，重復(fù)前三步，直至滿足（3）中條件。

（4）由步驟（3）綜合修正后得到q個CDVi，取Max－CDV=Max（CDVi）。

2.5 計算規(guī)定區(qū)域內(nèi)道面狀況指數(shù)PCI值

2.6 計算道面結(jié)構(gòu)狀況指數(shù)SCI值

使用上述方法一步一步計算得出的PCI和SCI值便可以通過道面損壞等級評定標(biāo)準(zhǔn)來確定道面的損壞等級為多少，為之后修整道面提供準(zhǔn)確信息，但是仍有不完善的地方，需要專門安排檢測人員前往跑道出現(xiàn)病害的地方，記錄病害的各種數(shù)據(jù)并進行計算。總言之，這種方法主要依靠人工進行操作。而為了更進一步向智慧機場靠近，我們認為可以在道面板裝上傳感器，檢測各個位置的情況如位移等損害狀態(tài)，然后將數(shù)據(jù)傳輸進BIM模型中去，在模型中顯現(xiàn)出來，并計算出PCI和SCI值，為模型中每個道面板的損壞情況做出展示，這樣能更快捷、更智能地制定出維修計劃。圖1為BIM技術(shù)與道面病害管理結(jié)合路徑。

圖1 BIM技術(shù)與道面病害管理結(jié)合路徑

3 機場跑道病害的防護措施

3.1 道面裂縫

對于機場道面板塊一般的裂縫，應(yīng)根據(jù)不同裂隙的寬度、內(nèi)部材料的剝落程度采用不同的方法。對于一般開口寬度小于0.5mm，且裂隙中無剝落物的表面裂縫采用壓注灌漿法修復(fù)。對于開裂范圍較廣，且存在剝落物的裂縫可采用擴縫灌漿法及條帶罩面法，前者可用于一般局部性裂隙，后者主要用于開裂程度較深的裂隙。對于大尺度開裂（大于3mm）清理裂縫后采用特殊材料填充處理。

對于大范圍、大面積的板塊開裂及剝落，應(yīng)采取換板修復(fù)。

3.2 道面破碎

對于道面板塊破碎形成4塊及以上的碎塊，其混凝土面板的承載能力會明顯下降。為恢復(fù)道面正常使用，應(yīng)采取更換道面板修復(fù)。

對于道面邊角及淺表部分剝落破碎，應(yīng)采用與原有道面材料相同材料修補。采用剛性材料修補時，對道面板接縫處進行切縫處理，防止出現(xiàn)新的裂縫。

3.3 錯臺處理

對于道面板塊錯臺維修，其通常采用兩種方法。其一是對于永固性的混凝土錯臺，將超高部分通過打磨、切除等手段處理至標(biāo)準(zhǔn)高度。但超高應(yīng)該在40mm以內(nèi)。

其二對于暫時性錯臺。如溫度變化熱脹冷縮導(dǎo)致的錯臺，可以用瀝青混合料進行治理，也可用小粒徑的快凝水泥治理。將原本的錯臺修整為順坡。

3.4 道面沉降

由于地基的不均勻沉降，或在降水、長時間受力等外部環(huán)境因素的影響下，道面將會出現(xiàn)脫空、沉降現(xiàn)象。從而引發(fā)一系列道面病害。

對于道面板脫空，可采用脫空處注漿修補。首先加固地基，防止脫空面積的擴大；其次確定脫空位置，根據(jù)情況判斷鉆探深度，再注漿修補。待修補完成后，強度檢測達到規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)后進行相關(guān)次生病害的修復(fù)。

3.5 換板修復(fù)

對于嚴重損傷的道面板，包括但不限于上述病害，可基于BIM技術(shù)監(jiān)控跑道道面板彎曲、沉降、抗滑性能，跑道整體的平整性等相關(guān)道面性能指數(shù)，以此分析判斷跑道面板性能狀態(tài)和是否存在病害及相關(guān)病害種類。若已判斷為嚴重損害，相關(guān)道面面板修復(fù)難度過大或已無修復(fù)價值，此時可采用更換跑道面板來使其恢復(fù)正常使用。

與道面修補相似，換板修復(fù)需要控制混凝土材料配比能達到設(shè)計要求，更換完成后混凝土達到設(shè)計強度的養(yǎng)護時間也不能過長，施工流程最好符合不停航施工規(guī)范，以免影響機場正常運營。

4 結(jié)束語

機場道面是民航運輸系統(tǒng)乃至整個交通運輸系統(tǒng)中不可缺少的部分。所以國家民航局和各個機場公司對于跑道的維修與護理也非常地重視。加上BIM工程技術(shù)在國內(nèi)外有較好的發(fā)展前景和在飛行跑道建設(shè)上的匹配性高且方便，為適應(yīng)當(dāng)今信息化的大時代，對BIM工程技術(shù)平臺的開發(fā)將會使飛行跑道病害的診斷和防護邁入新的技術(shù)領(lǐng)域。BIM工程技術(shù)平臺的三維視圖模型在跑道病害的研究過程中會更加的直觀和詳細，且使得研究過程更具系統(tǒng)化。本次研究就以下跑道病害聯(lián)合BIM工程技術(shù)的幾個方面進行探究。

（1）本研究先對跑道的材料不同進行了分類，以便于提高BIM平臺中數(shù)據(jù)監(jiān)測的準(zhǔn)確性和利于BIM技術(shù)平臺針對每種不同的跑道病害采取對應(yīng)適宜的研究方案。

（2）根據(jù)BIM平臺系統(tǒng)中輸入的路面材料類型的不同，通過平臺反饋的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)分析確定機場跑道病害類型、損壞程度、損壞量以及損壞位置。之后采用道面PCI和SCI計算確定每種道面的損壞程度。

（3）依據(jù)不同的跑道損壞類型并參照BIM技術(shù)平臺上的推薦維護方案制定與之匹配的不同的病害防護措施，以使病害與治理方案最優(yōu)化。

通過本次開發(fā)利用BIM工程技術(shù)平臺對飛機跑道病害的具體系統(tǒng)研究，不僅可以從飛行跑道的建設(shè)到病害維護有一個可視化的各項實時進程數(shù)據(jù)和二維乃至三維的仿真模型供以參考，還大大地降低了跑道路面以及路基的潛在病害難以被診斷的概率，使跑道路面壽命延長。并針對各種病害有一個較為詳細的分析和與之匹配的維護方案?；陲w行跑道病害診斷和維護的BIM工程技術(shù)平臺的開發(fā)勢必會解決現(xiàn)如今跑道病害不易被發(fā)現(xiàn)和解決以及維護方案因數(shù)據(jù)不全面導(dǎo)致維護效率不高的局面。