基于可视化编程技术的道面裂缝信息模型动态管理方法研究

蔡靖 刘昱 戴轩 李岳 王根叶

(1.中国民航大学 交通科学与工程学院，天津 300300；2.民航机场建设工程有限公司，天津 300300；3.民航机场智能建造与工业化工程技术研究中心，天津 300300）

引言

BIM 技术可应用于工程设计、建造、数字化运维管理，在机场基础设施的应用相较于其他领域起步较晚。针对病害监测，公路、铁路和桥梁等行业均开展了大量研究，如邱颖新[1]在高速铁路变形监测方面采用BIM 技术，建立变形监测BIM 模型框架流程，以完成对变形监测数据的记录、编写和查询处理。李明博[2]对Autodesk CAD 和Revit 二次开发，完成平面和空间的坐标转换，将得到的隧道病害信息与三维空间模型相结合，实现隧道病害的三维展示。李成涛[3]利用WebGL 技术开发了桥梁三维病害可视化管理软件，实现了病害三维信息及严重程度的三维可视化展示。Li 等[4]通过BIM 与传统健康桥梁检测相结合开发了一种健康桥梁监测系统，在BIM 中实现了自动传感器数据清单识别结构损伤。夏子立等[5]设计了基于BIM 的桥梁技术状况评定系统总体框架及业务模块功能，实现对桥梁服役性能的长期追踪。部分学者利用BIM 技术结合物联网对机场基础设备数字化应用进行了探索[6-8]。然而在机场飞行区道面运维方面，BIM 等数字化手段应用较为缺乏，缺乏对机场工程数据信息集成及运维阶段的管理。

可视化编程技术是通过流程图来表征编程工作的可视化，其程序与结果可以同步进行调整。基于Revit平台的可视化编程技术Dynamo 在参数化设计中有明显优势，其以可视化的方法构建自定义算法处理数据并高效生成BIM 参数化模型、批量处理模型信息、计算分析等。马明等学者[9-13]均基于可视化编程技术Dynamo 研究了三维模型的参数化设计方法，并在相关工程应用中实现创新。部分研究利用GIS、WebGL、BIM 等与可视化编程技术结合突破了单一技术壁垒，实现了BIM 模型数据化和程序化，解决了信息共享与数据可视化方面的不足[14-17]。然而针对该技术缺乏与具体应用场景融合的进一步扩展与研究。

在裂缝管理方面，李伟[18]将GIS 系统引入到路面管理中，搭建了路面病害管理体系并且初步实现了病害可视化管理。刘茂华等[19]将GIS 引入到裂缝病害数据管理中，并运用VB 以及MAPX 进行功能设计和裂缝病害数据库设计，以此提高裂缝病害信息的管理效率。张云龙等[20]基于虚拟现实技术，开发了隧道裂缝病害可视化管理系统，实现隧道内部虚拟浏览以及病害的可视化管理。肖文韬[21]利用三维激光扫描技术对隧道裂缝进行检测，并结合算法实现裂缝相关信息的提取，提出裂缝信息管理的系统架构。胡建华等[22]将地理信息系统与隧道裂缝病害数据管理进行结合，能够以地图方式锁定裂缝病害发生的位置，方便查询采集保存多样裂缝病害。

针对传统机场道面裂缝在病害数据可视化与信息共享管理的不足，解决道面管理中无法实时评价病害严重程度的问题。本文将道面裂缝作为数字化实体，开发裂缝单元BIM 模型，对其几何、物理、运维信息进行属性扩展。基于数字化模型结合可视化编程技术完成裂缝病害数据信息迭代更新及道面评价体系与模型的交互，开发道面裂缝危险预警代码块，以实现道面裂缝病害的评价预警及高效管理，并提出一种机场道面裂缝病害信息模型动态管理方法，最终应用于机场道面管理的全生命周期。

1 场道面裂缝单元的创建

1.1 裂缝单元的建立

族是BIM 模型的最小单元，裂缝单元创建的基本流程如图1 所示。首先将裂缝段作为一个最小的实体单元，由于裂缝是不断变化发展的，创建裂缝实体单元路径，设置裂缝的几何参数，为后续信息与模型联动做铺垫。其次，绘制裂缝的截面轮廓，补充完善裂缝相关的属性信息。

图1 基于BIM 的裂缝单元构造流程图

1.2 裂缝单元及道面板属性扩展

如表1 所示，分别从几何、物理、运维对裂缝进行信息扩展。几何信息包括裂缝的宽度、长度、角度，并对其单位进行统一。物理信息共有五项，其中裂缝损伤级别分为轻度、中度、重度以判断严重程度。裂缝ID 号码根据所处道面板位置及发展时间进行编码，且ID 号码在运维阶段起到追踪定位裂缝的功能。运维信息包括巡检记录、修补记录、修补日期等，其中修补信息以及巡检状况按照当日记录载入模型中。通过上述对裂缝实体单元各类信息的扩展，能够让信息与裂缝实体模型相互融合便于病害管理。

为保证道面裂缝模型的完整性，对机场道面板相应进行几何、物理、运维信息扩展如表2 所示。几何信息包括道面板宽度、长度、厚度，物理信息为道面板使用材料，重点拓展其运维信息，同时裂缝的几何、物理、运维信息主要用于支撑道面板的运维信息，包括其道面损坏类型的判定、道面评价指标PCI、SCI 的计算、以及道面板使用寿命的确定，为后续道面板与裂缝实体单元的实时评价及更新提供条件，以支撑机场道面裂缝运维的管理。

表2 道面板属性扩展表

1.3 道面板族和裂缝族的融合

基于已搭建完的道面板和裂缝实体单元，由于道面模型为整体坐标系，裂缝模型为局部坐标系，需进行坐标映射，从而实现裂缝与道面板的一一对应，便于后期对裂缝进行运维管理。如图2 所示，首先模型裂缝单元族的坐标系为局部坐标系O’X’Y’，道面板坐标系为整体坐标系OXY[23]。转换的基本条件是已知道面板坐标和裂缝实体单元坐标，且裂缝坐标应按照裂缝实体单元进行提取，以保证数据的准确性，将局部坐标系中裂缝的坐标分别对应整体坐标系进行转换。

图2 二维坐标系转换图

由于道面板和裂缝实体单元族仅涉及二维平面坐标的转换对应问题，因此需求解3 个转换参数，通过下述公式(1)即可求出3 个所需的转换参数，分别为平移参数X0、平移参数Y0、旋转角度t。式中的xc、yc为局部坐标系中的坐标，求出的x1、y1为整体坐标系的坐标，即完成了二者坐标转换以及模型融合。

2 基于可视化编程技术的裂缝信息添加与更新

裂缝信息更新代码块如图3 所示，由三个模块构成，模块Ⅰ用于裂缝病害信息的读取，因裂缝病害数据信息繁杂，直接进行信息数据的导入会致使精度较低，因此在电子表单中建立结构化的裂缝病害信息框架，保证信息输入的准确性。利用File.FromPath 节点将裂缝更新信息引入到可视化编程的环境中，链接Excel.ReadFormFile 节点读取病害信息框架。创建的过程需要注意电子表单的数据项应与自建裂缝实体单元属性信息的数据项相互匹配[24]。此部分在可视化编程的环境中建立了电子表单的输入端程序，将数据信息进行引入。

图3 裂缝信息更新代码块

模块Ⅱ为关联模型更新项，在Code Block 中按照顺序依次输入拓展后的属性信息，以此保证信息与模型一一对应。将已完成的模块Ⅰ、Ⅱ汇聚到模型信息更新模块Ⅲ，选择Select Model Element 链接需更新信息的裂缝实体单元，进行编辑或信息处理。通过Element.SetParameterByName 自动运行实现信息数据与模型的对载。

利用可视化编程技术对上述机场道面裂缝模型的信息迭代进行统一控制，如图4 所示，列举了四条交叉裂缝进行管理。通过Code Block 模块输入编程性语言并联多个裂缝信息更新代码块（裂缝I，裂缝II，裂缝Ⅲ，裂缝Ⅳ），实现多种裂缝病害其物理、几何、运维信息的同时修改及更新。且裂缝代码块中信息迭代更新类型与表1 中裂缝属性扩展信息是分别对应的，以保证运维过程中信息的一致性。随着裂缝信息变动，参数化模型自动相应衍变，完成了道面裂缝数据信息与模型的实时联动。

图4 裂缝信息更新总代码结构

3 基于BIM 技术机场道面裂缝管理

3.1 裂缝信息4D 管理方法扩展

为对裂缝发展进行4D 管理，在创建裂缝实体模型时增加“裂缝发展时间”作为时间参数属性信息，以便记录裂缝随时间的变化。并根据裂缝的破坏类型、发生位置、几何尺寸等随时间的变化，进一步分析道面裂缝的破坏趋势，及时采取修补措施。

裂缝时间可视化代码如图5 所示，其由三个模块组成，提取模型时间参数模块Ⅰ中，建立Element.GetParameterValueByName 节点提取所有模型的“裂缝发展时间”信息项目将其进行汇总，再利用逻辑判断流程识别出所需查看的具体时间序列，将其进行输出。通过List.FilterByBoolMask 节点筛选特定某天的裂缝单元模型，并在颜色区分模块Ⅱ中，利用Code Block 节点输入需要查询的裂缝时间信息，再通过连接Color.ByARGB 节点设置不同参数对筛选出的裂缝进行颜色标记，便能标识不同时间下裂缝的发展趋势。

图5 时间维度裂缝可视化代码块

将开发完的Ⅰ和Ⅱ模块传到时间可视化模块Ⅲ，其利用Element.Override.ColorView 节点将颜色区分与时间序列模块结合在一起。通过在Watch 节点可直接在可视化编程中观察到所筛选出的时间参数信息以及对应裂缝模型的编号，根据编号能在众多裂缝模型里快速查询所需查验的裂缝，实现病害的三维可视化表达。并随着道面板使用周期的不断增长，不同时间下的裂缝病害其颜色会自动随参数信息进行改变，即4D裂缝病害信息模型展示代码是模块化的，对于裂缝病害信息在时间维度有可视化直观显示。

3.2 裂缝发展动态评价

道面裂缝评价模型的建立为了确定合理的维修时机，描述道面裂缝的破损状况。因此，将道面状况指数PCI引入裂缝评价中。根据现有规范标准[25]，道面损坏状况评定共分为5 个等级，PCI≥85 为优、70≤PCI＜85 为良、55≤PCI＜70 为中、40≤PCI＜55 为次、PCI＜40 为差。通过利用PCI指标对道面状况进行打分，从而判断裂缝的严重程度，并得到道面损坏程度。

本文主要以道面裂缝为研究对象，因此只考虑裂缝相关的病害类型，按照损坏程度，把道面纵向、横向、斜向裂缝按对道面影响的小、中、大，分为轻微、中等、严重三个等级来评价其裂缝严重程度。并根据裂缝种类及不同严重程度等级的损坏密度、损坏折减值、道面板单元的损坏最大折减值进行道面PCI的计算。通过道面损坏调查记录原始数据进行处理折减得到损坏的最大折减值，最终用100 减去损坏的最大折减值即为道面板单元PCI的数值，将此部分计算流程内容在共享电子表单中创建函数算法编辑计算框架，实现自动计算PCI，再利用可视化编程技术将其引入编程内部环境，将算法与模型链接，实现三维病害模型与评价分析一体化。

基于可视化编程技术将道面评价计算流程与三维模型结合，算法代码块如图6 所示。在嵌入PCI算法模块中，根据已建立的共享电子表单PCI算法编辑流程框架，将其进行引入。利用Excel.ReadForm-File 读取共享电子表单计算公式信息，链接List 系列节点建立输入端程序。其次在Code Block 中输入道面板PCI属性信息，并选中需要计算的道面板模型，运行程序在PCI节点得到结果输出值，再汇聚到Element.SetParameterByName 节点，实现以Dynamo 为数据中转站将计算完的结果数据输入道面板三维模型中，从而实现算法与模型相结合，得到道面板裂缝PCI模型算法设计流程。

图6 道面板裂缝PCI 算法代码块

此外，利用编程性语言并联已完成的PCI计算代码块，可实现多个道面板评价单元PCI的计算。预警代码块如图7(a)所示，通过设置逻辑判断流程代码对已完成PCI计算的道面板进行分数筛选，将其按照道面损坏状况评定，对低于85 分的进行分级显示预警，结合颜色显示代码对危险板块进行高亮显示。如图7(b)所示，危险级别共分为四种，其中当70≤PCI＜85 为蓝色、55≤PCI＜70 为橙色、40≤PCI＜55 为红色、PCI＜40 为深红色。

图7 自动判断道面危险预警模块

模型分两层显示，第一层为板上裂缝发展可视化，第二层为道面评价危险高亮化，基于前者裂缝模型可对第二层道面板进行评价与分析，模型的自动分级可视化能够更加高效直观判断出道面板的破损程度，不仅实现道面病害的预警，还实现了裂缝发展的可视化。

基于上述提出了有效的道面评价模型及自动识别预警显示模块，集成了Revit、Dynamo 和程序关联性编程语言和共享电子表单计算框架，综合运用上述技术开发代码块实现PCI 算法与机场道面裂缝模型的关联，实现机场道面运维与计算分析评价的同步化。

4 实例应用

反映道面开裂的现场数据不易获得，因此选取FAA 在国家机场道面试验中心做的刚性道面足尺试验CC2 (Construction Cycle2)[26,27]作为应用案例，该试验通过进行不同起落架构型、不同加载次数、不同结构形式跑道的加速加载试验，获得了道面裂缝的动态发展过程。

选用CC2 试验中具有代表性的MRC 工况，其中M代表中等强度的土基，R代表刚性道面类型，C代表常规基层（骨料基层），该试验加载区主要分为南部和北部两个区域，其北边和南边均采用4 轮飞机进行加载试验。利用传感器在滑行路径上的道面检测由下到上的裂缝，北边加载12 675 次南边加载5 405 次后道面裂缝实测发展情况[28]，如图8(a)所示。基于MRC工况试验的裂缝情况[29]，通过利用可视化编程技术建立了与实际道面裂缝相一致的足尺试验数字化裂缝模型如图8(b)所示，模型共由20 块道面板组成，每块道面板由9 个道面单元组成，为了更好地模拟实际加载区域，并对土基、基层、垫层分别创建对应的结构层族，融合裂缝实体单元模型，同时根据试验道面加载情况对其道面裂缝进行了属性信息的扩展，将试验数据与模型结合，通过数字化机场道面模型对其试验的情况进行可视化管理。

图8 基于BIM 的MRC 工况道面裂缝结构模型

5 结论

本文以机场道面裂缝为研究对象，提出了一种基于可视化编程技术的道面裂缝信息动态可视化管理方法，并应用实例验证其方法的正确性及合理性。得到了如下结论：

（1）基于BIM 技术，创建裂缝实体单元，其能够客观地模拟真实裂缝的演变过程及破损的实际情况。完善实体单元及机场道面板的属性信息，结合可视化编程技术建立病害数据信息迭代模块，实现道面裂缝的虚实关联、信息传递及更新；研究表明可视化编程技术可以较好地实现对机场道面裂缝的集成化运维管；

（2）基于可视化编程技术提出一种承载开裂病害信息的裂缝单元，并将病害评价方法与模型结合，实现机场道面实时评价与分析，通过视图叠加完成裂缝发展与道面评价的分层可视，增强病害严重程度区分性；

（3）拓展病害时间参数，实现物理裂缝发展与数字化模型在时间维度的动态关联，实例证明其合理可行性，易于工程实际应用。