基于BIM技术的机场跑道病害鉴别及防护路径探索*

宁 玻，米清泉，刘彩虹，叶龙海，张丞博，戴 轩

（中国民航大学 交通科学与工程学院，天津300300）

机场跑道作为飞机起降都要经过的主要通道，其运行状态关乎飞行安全。《运输机场运行安全管理规定》要求每年至少进行一次跑道状况分析，每五年对跑道进行一次综合评价[1]。然而目前在机场跑道管理与评价过程中，信息化水平不足，道面病害与评价信息如PCN值、损伤状态、表面状况在道面维护过程中仍主要依靠人工记录，无法对道面运行状态进行直观展示与智慧管理，也无法对跑道历史维护数据进行系统性记录，与智慧机场的要求尚有差距。随着航空业务量的快速增长，各地机场超过了原有预测，沥青道面出现了不同程度的病害，现道面主要病害包括跑道局部区域存在石子脱落、裂缝、裂纹，轮辙、端板等现象[2]。平行滑行道普遍存在轮辙现象，局部区域也存在石子脱落、裂缝、裂纹等现象[3]。因此本小组决定针对目前机场道面病害评价管理信息化不足的问题，建立数字化BIM模型，形成机场道面运行维护信息的BIM模型管理技术，为智慧机场与跑道安全服务，分块集成BIM历史病害数据，并探索传感器数据与BIM模型数据的传递模式，开发基于建筑信息模型的机场道面病害管理与维护平台，这对于机场跑道的更安全高效运行有很重大的研究意义。

1 机场跑道病害的分类

水泥混凝土路面因其优越的强度和耐久性而被广泛用于机场工程。然而，机场路面会暴露在环境负荷下，如雨雪，如果维护不当，就会出现病害，这些病害的存在不仅会使路面损坏，还威胁到飞机在路面上行驶时的安全。因此，必须及时发现并治理这些病害。在本节中，我们将机场跑道病害的类别分为了四类。

1.1 板角处的断裂

角部病害是指出现在路面板块接缝处的裂缝，主要是由于荷载应力造成的，并穿透板块的厚度。目前机场表面主要是矩形板，这使得在混凝土浇筑过程中插入的振动器很难固定混凝土。然而，荷载应力集中在板角，由于荷载传递能力低，相邻板角之间缺乏传递钢筋，所以容易发生破坏。

1.2 接缝断裂

接缝的断裂主要是由于温度引起的热膨胀应力。即使在断裂后，承载能力也不会完全丧失，仍会保留部分强度。当平行滑行道的纵向接头主要用于中国机场的地面建设时，应力很可能集中在纵向接头开口的纵向部分。由于接缝的基材在温度升高时被推出，而在温度降低时又不能恢复到原来的位置，因此土、沙、石块等碎片会进入接缝，影响板块的膨胀。板块的弹性受到损害。经过反复的冷冻和收缩，假接缝变成了真接缝，随着埋藏材料的老化，板的边缘会被损坏。随着时间的推移，许多馈电场会恶化，失去弹性，并断裂。杂质进入到接缝中，便会阻止正常的变形，导致它们在受到外力作用时破裂。特别是在寒冷的气候条件下，机场内路面的温差和波动会加速埋设材料的老化。

1.3 外露骨料的剥落

一是机场路面的剥落主要是由于混凝土的高水灰比、砂浆的分泌物和泥浆的提升引起的。二是混凝土强度不够或表面的砂浆强度不够[2]。砂浆会降低耐磨性，当保护层被移除时，里面的骨料就会暴露出来[2]。三是水进入路面，由于反复的季节性冻融，破坏了路面的结构。表面结构出现剥落、石子裸露和其他病害。四是如果在道路建设过程中对雨水和覆盖物的保护不足，可能会出现麻面现象。五是日常维护过程中，化学品和腐蚀性液体可能会接触到路面，造成分层、剥落和裸露的石块。

1.4 其他病害

除上述病害外，还要注意的是，首先，如果混凝土使用了过多的砂石，而水泥过少，路面会变得过于粗糙，混凝土中的砂石材料会分离[2]。其次，由于水泥砂浆的强度低，水泥和骨料的耐磨性差，长期使用后，路面容易出现出磨现象，导致路面与轮胎之间的摩擦力降低[2]。最后填缝材料的质量问题。这是由于长期使用质量差的填缝材料造成的质量差、老化、脆性裂缝、挤压等现象。

2 机场跑道病害的鉴别

机场跑道病害有很多种，随之，鉴别方法也多种多样。首先，BIM技术可以将工程建筑信息三维可视化，在BIM技术下，各个构件的空间几何信息会明确地显示在程序中，对其进行模拟分析后，其分析结果也能够通过三维空间的形式展示出来，让我们能够清晰地看见。所以，如果利用BIM技术来建立一个含有机场跑道空间几何信息的可视化三维模型，并将各类信息例如日照、风速、温度、湿度等输入进去。病害位置便能够通过输入对应坐标来确定并被可视化，并且病害记录在存储之后，还能够对后续病害进行规律分析并研究其防护措施。因此，我们可以利用BIM技术分析鉴定病害。

（1）确定机场跑道的材料、空间几何信息如长度、宽度、深度、方向和周围环境等各类因素的数据，并通过软件模拟成三维空间图形展示出来。

（2）将出现的病害在程序中表达出来，变成可视化的，参数包括“长度”“宽度”“深度”等等。

（3）对出现的各类病害进行类型鉴别和成因分析并记录，方便维护。

（4）根据以往出现的各种病害记录，分析机场跑道病害出现的特点及规律，想出对应策略和防护措施，提前预防。

除此之外，还有通过计算PCI和SCI的方法来鉴定病害。根据美国ASTMD5340标准，道面损坏状况分为7个等级（极好：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），国内道面损坏调查发现，PCI＜40的情况基本没有，主要原因是道面PCI值接近40之前，绝大多数机场都已经采取了工程措施进行整修，因此，规范将损坏等级评定标准中PCI＜40时的三个损坏等级合并成为一个等级，其他评定等级标准沿用[4]。

2.1 确定机场跑道病害类型、损坏程度、损坏量和损坏位置

应先确定跑道为水泥混凝土道面还是沥青道面，再确定病害及病害的损坏类型、损坏程度以及损坏位置，然后再进行之后的计算。

2.2 确定每种道面的损坏密度

道面PCI和SCI的计算是在单元的基础上计算出各种病害的损坏密度，单元应该采用“虚拟单元”进行划分。

（1）水泥混凝土道面（或上面层为水泥的复合道面）的损坏密度按照“板块比”式子计算[5]：

（2）沥青道面（或上面层为沥青混凝土的复合道面）的损坏密度按照“面积比”式子计算[5]：

2.3 确定各种损坏类型的损坏折减扣分值

根据损坏类型、损坏程度与损坏密度，从相应图中找到对应类型的损坏折减曲线，再从横坐标轴中找出对应的损坏密度得出相应的损坏折减扣分值（DVi）。

2.4 计算规定区域道面的损坏最大折减值

（1）由大到小排列上述得到的道面的折减扣分值，将它们组合形成一维数组{DVi（i=1～n）}。

（2）如果{DVi（i=1～n）}中DVi＞5的损坏数量小于等于1，则MaxCDV=∑DVi。

（3）否则，损坏最大折减值（MaxCDV）按照以下步骤计算[6]：

首先确定损坏类型数量m：

令m=m（整数部分）+1，将{DVi（i=1～n）}中前m个DVi取出，将这m个数排列组成一个新的一维数组{DVi（i=1～m）}，其中，最小的折减扣分值由下式修正：

根据相应道面PCI计算折减值综合修正曲线，按从小到大的顺序对{DVi（i=1～m）}中DVi≥5的折减扣分值进行逐项修正，直至{DVi（i=1～m）}中大于5的DVi数量小于等于1，修正过程如下[6]：

确定{DVi（i=1～m）}中DVi＞5的折减扣分值数量q；

根据{DVi（i=1～m）}计算这m个数的损坏折减扣分值总和MaxCDV0=∑DVi；

由之前算出的q和MaxCDV0，通过给出的修正曲线确定折减修正值CDVi；

将{DVi（i=1～m）}中被修正的DVi取值为5，重复前三步，直至满足（3）中条件。

（4）由步骤（3）综合修正后得到q个CDVi，取Max－CDV=Max（CDVi）。

2.5 计算规定区域内道面状况指数PCI值

2.6 计算道面结构状况指数SCI值

使用上述方法一步一步计算得出的PCI和SCI值便可以通过道面损坏等级评定标准来确定道面的损坏等级为多少，为之后修整道面提供准确信息，但是仍有不完善的地方，需要专门安排检测人员前往跑道出现病害的地方，记录病害的各种数据并进行计算。总言之，这种方法主要依靠人工进行操作。而为了更进一步向智慧机场靠近，我们认为可以在道面板装上传感器，检测各个位置的情况如位移等损害状态，然后将数据传输进BIM模型中去，在模型中显现出来，并计算出PCI和SCI值，为模型中每个道面板的损坏情况做出展示，这样能更快捷、更智能地制定出维修计划。图1为BIM技术与道面病害管理结合路径。

图1 BIM技术与道面病害管理结合路径

3 机场跑道病害的防护措施

3.1 道面裂缝

对于机场道面板块一般的裂缝，应根据不同裂隙的宽度、内部材料的剥落程度采用不同的方法。对于一般开口宽度小于0.5mm，且裂隙中无剥落物的表面裂缝采用压注灌浆法修复。对于开裂范围较广，且存在剥落物的裂缝可采用扩缝灌浆法及条带罩面法，前者可用于一般局部性裂隙，后者主要用于开裂程度较深的裂隙。对于大尺度开裂（大于3mm）清理裂缝后采用特殊材料填充处理。

对于大范围、大面积的板块开裂及剥落，应采取换板修复。

3.2 道面破碎

对于道面板块破碎形成4块及以上的碎块，其混凝土面板的承载能力会明显下降。为恢复道面正常使用，应采取更换道面板修复。

对于道面边角及浅表部分剥落破碎，应采用与原有道面材料相同材料修补。采用刚性材料修补时，对道面板接缝处进行切缝处理，防止出现新的裂缝。

3.3 错台处理

对于道面板块错台维修，其通常采用两种方法。其一是对于永固性的混凝土错台，将超高部分通过打磨、切除等手段处理至标准高度。但超高应该在40mm以内。

其二对于暂时性错台。如温度变化热胀冷缩导致的错台，可以用沥青混合料进行治理，也可用小粒径的快凝水泥治理。将原本的错台修整为顺坡。

3.4 道面沉降

由于地基的不均匀沉降，或在降水、长时间受力等外部环境因素的影响下，道面将会出现脱空、沉降现象。从而引发一系列道面病害。

对于道面板脱空，可采用脱空处注浆修补。首先加固地基，防止脱空面积的扩大；其次确定脱空位置，根据情况判断钻探深度，再注浆修补。待修补完成后，强度检测达到规范标准后进行相关次生病害的修复。

3.5 换板修复

对于严重损伤的道面板，包括但不限于上述病害，可基于BIM技术监控跑道道面板弯曲、沉降、抗滑性能，跑道整体的平整性等相关道面性能指数，以此分析判断跑道面板性能状态和是否存在病害及相关病害种类。若已判断为严重损害，相关道面面板修复难度过大或已无修复价值，此时可采用更换跑道面板来使其恢复正常使用。

与道面修补相似，换板修复需要控制混凝土材料配比能达到设计要求，更换完成后混凝土达到设计强度的养护时间也不能过长，施工流程最好符合不停航施工规范，以免影响机场正常运营。

4 结束语

机场道面是民航运输系统乃至整个交通运输系统中不可缺少的部分。所以国家民航局和各个机场公司对于跑道的维修与护理也非常地重视。加上BIM工程技术在国内外有较好的发展前景和在飞行跑道建设上的匹配性高且方便，为适应当今信息化的大时代，对BIM工程技术平台的开发将会使飞行跑道病害的诊断和防护迈入新的技术领域。BIM工程技术平台的三维视图模型在跑道病害的研究过程中会更加的直观和详细，且使得研究过程更具系统化。本次研究就以下跑道病害联合BIM工程技术的几个方面进行探究。

（1）本研究先对跑道的材料不同进行了分类，以便于提高BIM平台中数据监测的准确性和利于BIM技术平台针对每种不同的跑道病害采取对应适宜的研究方案。

（2）根据BIM平台系统中输入的路面材料类型的不同，通过平台反馈的实时监测数据分析确定机场跑道病害类型、损坏程度、损坏量以及损坏位置。之后采用道面PCI和SCI计算确定每种道面的损坏程度。

（3）依据不同的跑道损坏类型并参照BIM技术平台上的推荐维护方案制定与之匹配的不同的病害防护措施，以使病害与治理方案最优化。

通过本次开发利用BIM工程技术平台对飞机跑道病害的具体系统研究，不仅可以从飞行跑道的建设到病害维护有一个可视化的各项实时进程数据和二维乃至三维的仿真模型供以参考，还大大地降低了跑道路面以及路基的潜在病害难以被诊断的概率，使跑道路面寿命延长。并针对各种病害有一个较为详细的分析和与之匹配的维护方案。基于飞行跑道病害诊断和维护的BIM工程技术平台的开发势必会解决现如今跑道病害不易被发现和解决以及维护方案因数据不全面导致维护效率不高的局面。