基于可視化編程技術的道面裂縫信息模型動態管理方法研究

蔡靖 劉昱 戴軒 李岳 王根葉

(1.中國民航大學 交通科學與工程學院，天津 300300；2.民航機場建設工程有限公司，天津 300300；3.民航機場智能建造與工業化工程技術研究中心，天津 300300）

引言

BIM 技術可應用于工程設計、建造、數字化運維管理，在機場基礎設施的應用相較于其他領域起步較晚。針對病害監測，公路、鐵路和橋梁等行業均開展了大量研究，如邱穎新[1]在高速鐵路變形監測方面采用BIM 技術，建立變形監測BIM 模型框架流程，以完成對變形監測數據的記錄、編寫和查詢處理。李明博[2]對Autodesk CAD 和Revit 二次開發，完成平面和空間的坐標轉換，將得到的隧道病害信息與三維空間模型相結合，實現隧道病害的三維展示。李成濤[3]利用WebGL 技術開發了橋梁三維病害可視化管理軟件，實現了病害三維信息及嚴重程度的三維可視化展示。Li 等[4]通過BIM 與傳統健康橋梁檢測相結合開發了一種健康橋梁監測系統，在BIM 中實現了自動傳感器數據清單識別結構損傷。夏子立等[5]設計了基于BIM 的橋梁技術狀況評定系統總體框架及業務模塊功能，實現對橋梁服役性能的長期追蹤。部分學者利用BIM 技術結合物聯網對機場基礎設備數字化應用進行了探索[6-8]。然而在機場飛行區道面運維方面，BIM 等數字化手段應用較為缺乏，缺乏對機場工程數據信息集成及運維階段的管理。

可視化編程技術是通過流程圖來表征編程工作的可視化，其程序與結果可以同步進行調整?；赗evit平臺的可視化編程技術Dynamo 在參數化設計中有明顯優勢，其以可視化的方法構建自定義算法處理數據并高效生成BIM 參數化模型、批量處理模型信息、計算分析等。馬明等學者[9-13]均基于可視化編程技術Dynamo 研究了三維模型的參數化設計方法，并在相關工程應用中實現創新。部分研究利用GIS、WebGL、BIM 等與可視化編程技術結合突破了單一技術壁壘，實現了BIM 模型數據化和程序化，解決了信息共享與數據可視化方面的不足[14-17]。然而針對該技術缺乏與具體應用場景融合的進一步擴展與研究。

在裂縫管理方面，李偉[18]將GIS 系統引入到路面管理中，搭建了路面病害管理體系并且初步實現了病害可視化管理。劉茂華等[19]將GIS 引入到裂縫病害數據管理中，并運用VB 以及MAPX 進行功能設計和裂縫病害數據庫設計，以此提高裂縫病害信息的管理效率。張云龍等[20]基于虛擬現實技術，開發了隧道裂縫病害可視化管理系統，實現隧道內部虛擬瀏覽以及病害的可視化管理。肖文韜[21]利用三維激光掃描技術對隧道裂縫進行檢測，并結合算法實現裂縫相關信息的提取，提出裂縫信息管理的系統架構。胡建華等[22]將地理信息系統與隧道裂縫病害數據管理進行結合，能夠以地圖方式鎖定裂縫病害發生的位置，方便查詢采集保存多樣裂縫病害。

針對傳統機場道面裂縫在病害數據可視化與信息共享管理的不足，解決道面管理中無法實時評價病害嚴重程度的問題。本文將道面裂縫作為數字化實體，開發裂縫單元BIM 模型，對其幾何、物理、運維信息進行屬性擴展?；跀底只Ｐ徒Y合可視化編程技術完成裂縫病害數據信息迭代更新及道面評價體系與模型的交互，開發道面裂縫危險預警代碼塊，以實現道面裂縫病害的評價預警及高效管理，并提出一種機場道面裂縫病害信息模型動態管理方法，最終應用于機場道面管理的全生命周期。

1 場道面裂縫單元的創建

1.1 裂縫單元的建立

族是BIM 模型的最小單元，裂縫單元創建的基本流程如圖1 所示。首先將裂縫段作為一個最小的實體單元，由于裂縫是不斷變化發展的，創建裂縫實體單元路徑，設置裂縫的幾何參數，為后續信息與模型聯動做鋪墊。其次，繪制裂縫的截面輪廓，補充完善裂縫相關的屬性信息。

圖1 基于BIM 的裂縫單元構造流程圖

1.2 裂縫單元及道面板屬性擴展

如表1 所示，分別從幾何、物理、運維對裂縫進行信息擴展。幾何信息包括裂縫的寬度、長度、角度，并對其單位進行統一。物理信息共有五項，其中裂縫損傷級別分為輕度、中度、重度以判斷嚴重程度。裂縫ID 號碼根據所處道面板位置及發展時間進行編碼，且ID 號碼在運維階段起到追蹤定位裂縫的功能。運維信息包括巡檢記錄、修補記錄、修補日期等，其中修補信息以及巡檢狀況按照當日記錄載入模型中。通過上述對裂縫實體單元各類信息的擴展，能夠讓信息與裂縫實體模型相互融合便于病害管理。

為保證道面裂縫模型的完整性，對機場道面板相應進行幾何、物理、運維信息擴展如表2 所示。幾何信息包括道面板寬度、長度、厚度，物理信息為道面板使用材料，重點拓展其運維信息，同時裂縫的幾何、物理、運維信息主要用于支撐道面板的運維信息，包括其道面損壞類型的判定、道面評價指標PCI、SCI 的計算、以及道面板使用壽命的確定，為后續道面板與裂縫實體單元的實時評價及更新提供條件，以支撐機場道面裂縫運維的管理。

表2 道面板屬性擴展表

1.3 道面板族和裂縫族的融合

基于已搭建完的道面板和裂縫實體單元，由于道面模型為整體坐標系，裂縫模型為局部坐標系，需進行坐標映射，從而實現裂縫與道面板的一一對應，便于后期對裂縫進行運維管理。如圖2 所示，首先模型裂縫單元族的坐標系為局部坐標系O’X’Y’，道面板坐標系為整體坐標系OXY[23]。轉換的基本條件是已知道面板坐標和裂縫實體單元坐標，且裂縫坐標應按照裂縫實體單元進行提取，以保證數據的準確性，將局部坐標系中裂縫的坐標分別對應整體坐標系進行轉換。

圖2 二維坐標系轉換圖

由于道面板和裂縫實體單元族僅涉及二維平面坐標的轉換對應問題，因此需求解3 個轉換參數，通過下述公式(1)即可求出3 個所需的轉換參數，分別為平移參數X0、平移參數Y0、旋轉角度t。式中的xc、yc為局部坐標系中的坐標，求出的x1、y1為整體坐標系的坐標，即完成了二者坐標轉換以及模型融合。

2 基于可視化編程技術的裂縫信息添加與更新

裂縫信息更新代碼塊如圖3 所示，由三個模塊構成，模塊Ⅰ用于裂縫病害信息的讀取，因裂縫病害數據信息繁雜，直接進行信息數據的導入會致使精度較低，因此在電子表單中建立結構化的裂縫病害信息框架，保證信息輸入的準確性。利用File.FromPath 節點將裂縫更新信息引入到可視化編程的環境中，鏈接Excel.ReadFormFile 節點讀取病害信息框架。創建的過程需要注意電子表單的數據項應與自建裂縫實體單元屬性信息的數據項相互匹配[24]。此部分在可視化編程的環境中建立了電子表單的輸入端程序，將數據信息進行引入。

圖3 裂縫信息更新代碼塊

模塊Ⅱ為關聯模型更新項，在Code Block 中按照順序依次輸入拓展后的屬性信息，以此保證信息與模型一一對應。將已完成的模塊Ⅰ、Ⅱ匯聚到模型信息更新模塊Ⅲ，選擇Select Model Element 鏈接需更新信息的裂縫實體單元，進行編輯或信息處理。通過Element.SetParameterByName 自動運行實現信息數據與模型的對載。

利用可視化編程技術對上述機場道面裂縫模型的信息迭代進行統一控制，如圖4 所示，列舉了四條交叉裂縫進行管理。通過Code Block 模塊輸入編程性語言并聯多個裂縫信息更新代碼塊（裂縫I，裂縫II，裂縫Ⅲ，裂縫Ⅳ），實現多種裂縫病害其物理、幾何、運維信息的同時修改及更新。且裂縫代碼塊中信息迭代更新類型與表1 中裂縫屬性擴展信息是分別對應的，以保證運維過程中信息的一致性。隨著裂縫信息變動，參數化模型自動相應衍變，完成了道面裂縫數據信息與模型的實時聯動。

圖4 裂縫信息更新總代碼結構

3 基于BIM 技術機場道面裂縫管理

3.1 裂縫信息4D 管理方法擴展

為對裂縫發展進行4D 管理，在創建裂縫實體模型時增加“裂縫發展時間”作為時間參數屬性信息，以便記錄裂縫隨時間的變化。并根據裂縫的破壞類型、發生位置、幾何尺寸等隨時間的變化，進一步分析道面裂縫的破壞趨勢，及時采取修補措施。

裂縫時間可視化代碼如圖5 所示，其由三個模塊組成，提取模型時間參數模塊Ⅰ中，建立Element.GetParameterValueByName 節點提取所有模型的“裂縫發展時間”信息項目將其進行匯總，再利用邏輯判斷流程識別出所需查看的具體時間序列，將其進行輸出。通過List.FilterByBoolMask 節點篩選特定某天的裂縫單元模型，并在顏色區分模塊Ⅱ中，利用Code Block 節點輸入需要查詢的裂縫時間信息，再通過連接Color.ByARGB 節點設置不同參數對篩選出的裂縫進行顏色標記，便能標識不同時間下裂縫的發展趨勢。

圖5 時間維度裂縫可視化代碼塊

將開發完的Ⅰ和Ⅱ模塊傳到時間可視化模塊Ⅲ，其利用Element.Override.ColorView 節點將顏色區分與時間序列模塊結合在一起。通過在Watch 節點可直接在可視化編程中觀察到所篩選出的時間參數信息以及對應裂縫模型的編號，根據編號能在眾多裂縫模型里快速查詢所需查驗的裂縫，實現病害的三維可視化表達。并隨著道面板使用周期的不斷增長，不同時間下的裂縫病害其顏色會自動隨參數信息進行改變，即4D裂縫病害信息模型展示代碼是模塊化的，對于裂縫病害信息在時間維度有可視化直觀顯示。

3.2 裂縫發展動態評價

道面裂縫評價模型的建立為了確定合理的維修時機，描述道面裂縫的破損狀況。因此，將道面狀況指數PCI引入裂縫評價中。根據現有規范標準[25]，道面損壞狀況評定共分為5 個等級，PCI≥85 為優、70≤PCI＜85 為良、55≤PCI＜70 為中、40≤PCI＜55 為次、PCI＜40 為差。通過利用PCI指標對道面狀況進行打分，從而判斷裂縫的嚴重程度，并得到道面損壞程度。

本文主要以道面裂縫為研究對象，因此只考慮裂縫相關的病害類型，按照損壞程度，把道面縱向、橫向、斜向裂縫按對道面影響的小、中、大，分為輕微、中等、嚴重三個等級來評價其裂縫嚴重程度。并根據裂縫種類及不同嚴重程度等級的損壞密度、損壞折減值、道面板單元的損壞最大折減值進行道面PCI的計算。通過道面損壞調查記錄原始數據進行處理折減得到損壞的最大折減值，最終用100 減去損壞的最大折減值即為道面板單元PCI的數值，將此部分計算流程內容在共享電子表單中創建函數算法編輯計算框架，實現自動計算PCI，再利用可視化編程技術將其引入編程內部環境，將算法與模型鏈接，實現三維病害模型與評價分析一體化。

基于可視化編程技術將道面評價計算流程與三維模型結合，算法代碼塊如圖6 所示。在嵌入PCI算法模塊中，根據已建立的共享電子表單PCI算法編輯流程框架，將其進行引入。利用Excel.ReadForm-File 讀取共享電子表單計算公式信息，鏈接List 系列節點建立輸入端程序。其次在Code Block 中輸入道面板PCI屬性信息，并選中需要計算的道面板模型，運行程序在PCI節點得到結果輸出值，再匯聚到Element.SetParameterByName 節點，實現以Dynamo 為數據中轉站將計算完的結果數據輸入道面板三維模型中，從而實現算法與模型相結合，得到道面板裂縫PCI模型算法設計流程。

圖6 道面板裂縫PCI 算法代碼塊

此外，利用編程性語言并聯已完成的PCI計算代碼塊，可實現多個道面板評價單元PCI的計算。預警代碼塊如圖7(a)所示，通過設置邏輯判斷流程代碼對已完成PCI計算的道面板進行分數篩選，將其按照道面損壞狀況評定，對低于85 分的進行分級顯示預警，結合顏色顯示代碼對危險板塊進行高亮顯示。如圖7(b)所示，危險級別共分為四種，其中當70≤PCI＜85 為藍色、55≤PCI＜70 為橙色、40≤PCI＜55 為紅色、PCI＜40 為深紅色。

圖7 自動判斷道面危險預警模塊

模型分兩層顯示，第一層為板上裂縫發展可視化，第二層為道面評價危險高亮化，基于前者裂縫模型可對第二層道面板進行評價與分析，模型的自動分級可視化能夠更加高效直觀判斷出道面板的破損程度，不僅實現道面病害的預警，還實現了裂縫發展的可視化。

基于上述提出了有效的道面評價模型及自動識別預警顯示模塊，集成了Revit、Dynamo 和程序關聯性編程語言和共享電子表單計算框架，綜合運用上述技術開發代碼塊實現PCI 算法與機場道面裂縫模型的關聯，實現機場道面運維與計算分析評價的同步化。

4 實例應用

反映道面開裂的現場數據不易獲得，因此選取FAA 在國家機場道面試驗中心做的剛性道面足尺試驗CC2 (Construction Cycle2)[26,27]作為應用案例，該試驗通過進行不同起落架構型、不同加載次數、不同結構形式跑道的加速加載試驗，獲得了道面裂縫的動態發展過程。

選用CC2 試驗中具有代表性的MRC 工況，其中M代表中等強度的土基，R代表剛性道面類型，C代表常規基層（骨料基層），該試驗加載區主要分為南部和北部兩個區域，其北邊和南邊均采用4 輪飛機進行加載試驗。利用傳感器在滑行路徑上的道面檢測由下到上的裂縫，北邊加載12 675 次南邊加載5 405 次后道面裂縫實測發展情況[28]，如圖8(a)所示?；贛RC工況試驗的裂縫情況[29]，通過利用可視化編程技術建立了與實際道面裂縫相一致的足尺試驗數字化裂縫模型如圖8(b)所示，模型共由20 塊道面板組成，每塊道面板由9 個道面單元組成，為了更好地模擬實際加載區域，并對土基、基層、墊層分別創建對應的結構層族，融合裂縫實體單元模型，同時根據試驗道面加載情況對其道面裂縫進行了屬性信息的擴展，將試驗數據與模型結合，通過數字化機場道面模型對其試驗的情況進行可視化管理。

圖8 基于BIM 的MRC 工況道面裂縫結構模型

5 結論

本文以機場道面裂縫為研究對象，提出了一種基于可視化編程技術的道面裂縫信息動態可視化管理方法，并應用實例驗證其方法的正確性及合理性。得到了如下結論：

（1）基于BIM 技術，創建裂縫實體單元，其能夠客觀地模擬真實裂縫的演變過程及破損的實際情況。完善實體單元及機場道面板的屬性信息，結合可視化編程技術建立病害數據信息迭代模塊，實現道面裂縫的虛實關聯、信息傳遞及更新；研究表明可視化編程技術可以較好地實現對機場道面裂縫的集成化運維管；

（2）基于可視化編程技術提出一種承載開裂病害信息的裂縫單元，并將病害評價方法與模型結合，實現機場道面實時評價與分析，通過視圖疊加完成裂縫發展與道面評價的分層可視，增強病害嚴重程度區分性；

（3）拓展病害時間參數，實現物理裂縫發展與數字化模型在時間維度的動態關聯，實例證明其合理可行性，易于工程實際應用。