四种模型叩启路基冷却新大门——冻土地区主动冷却路基BIM设计

多年冻土（permafrost），又称永久冻土，即持续三年或三年以上的冻结不融的土层。其表层冬冻夏融，称季节融化层。

中国的多年冻土面积约215万平方公里,占世界第三位，主要分布在青藏高原，东北大、小兴安岭和天山、阿尔泰山。特别是青藏高原，属于高寒高海拔地区，紫外线辐射强烈，日照多，气温低，自然环境十分恶劣，诱发多种冻土工程地质病害。道路建设过程中，由于多年冻土具有冻胀、热融、沉陷等工程特性，加之青藏高原空气稀薄，高原缺氧，大多数人对低氧环境的适应能力不足或失调而发生高原反应，对工程建设带来极大的困难。同时，青藏高原地处我国西南部，与其他地区长期缺乏有效交通联通，经济发展缓慢，工业基础薄弱，许多道路建设所需的建筑材料与大型机械设备缺乏，极大地增加了工程建设的成本与周期。

建筑信息模型（BIM）技术，由于具有可视化、参数化、协调性、模拟性、可承载工程全生命期信息等特点，在工程建设行业解决复杂问题的应用越来越广泛。对于技术要求高、施工场地限制多、建设难度大的工程项目，利用BIM技术有利于提高设计效率和质量，减少设计变更。本文结合多年冻土地区施工图设计阶段路基设计要求，以高海拔高寒地区高速公路建设技术试验示范工程中，共和至玉树高速试验示范段为依托，研究多年冻土地区主动冷却路基BIM设计方法和能效计算方法。

共玉高速公路起点在青海省海南藏族自治州共和县恰卜恰镇，终点在玉树藏族自治州玉树县结古镇，全长634.8公里，其中多年冻土区路段达227公里，占线路总长约36%。该路段的“高海拔高寒地区高速公路建设技术试验示范工程”分两段，第一段起点桩号K566+400，终点桩号K570+000，路段长3.60公里；第二段起点桩号K570+000，终点桩号K574+460，路段长4.46公里。均为分离式路基，路基宽度12.25m，设计速度为80km/h，其各部分组成为：行车道宽2×3.75m，硬路肩宽2×0.75m，土路肩宽2×0.5m，行车道、路缘带及硬路肩设2％横坡，土路肩4％横坡。

技术试验示范路段

本文主要针对强制弥散式通风路基、片块石+通风板路基、通风管路基、热棒+XPS保温板复合路基，和块石层+单向导热路面复合路基的BIM设计进行研究，各新型主动冷却路基处置措施概况如下：

强制弥散式通风路基

强制弥散式通风路基是通过在路基内铺设并联的高强PVC管，形成冷空气通道，采用小型抽吸式工业风机为冷空气在管道内的流动提供动力。同时通过配套相应的风力发电机、蓄电池、逆变开关、温控开关等配套设备，保证系统在低温工况下自动运行，将外界冷空气强制输入路基，发挥主动降温的效果。

片块石+通风板路基

片块石+通风板路基是指在片块石层顶部铺设长宽高为6m×1m×0.3m的通风板，在其上部布置3个直径为0.2m的通风孔，以达到降低片块石路基顶面温度，加强其内部对流换热效果。由于片块石层上部增设通风板，起到通风作用，片块石层上部温度降低，增加了片块石层顶部和底部的温差，加强其对流换热作用，结构示意图如下图所示。

强制弥散式通风路基示意图

通风管路基

通风管路基通过管道通风对外界空气的引导作用，增大了路基与外界冷空气的接触面，从而达到对冻土路基的降温作用。室内模型试验及现有野外通风管路基试验路监测资料表明：自然通风作用下，通风管道能为路基提供充足冷能，起到降低下部冻土温度的作用。

热棒+XPS保温板复合路基

热棒+XPS保温板复合路基工作原理为：冷季时，热棒处于工作状态，能够高效地将冻土中的热量带走；暖季时，热棒停止工作，但几乎不带入外界热量，XPS保温板则限制外界热量进入下部冻土。因此，热棒与XPS保温板协同工作，能够主动地消除下部冻土的吸热量，甚至变吸热为放热。

热棒+XPS保温板复合路基

模型分解

示范路段除常规路面路基工程外，主动冷却路基设施设备作为本次研究的重点，为了满足项目施工图设计阶段工程方案比选的需求，根据《公路工程信息模型应用统一标准》（JTGT 2420—2021）和《公路工程设计信息模型应用标准》（JTGT 2421—2021）的相关规定，在以上两部标准内容的基础上，补充和扩展多年冻土新型主动冷却路基处置设施设备，建立L3.0模型精细度等级的施工图，设计阶段道路BIM模型，模型分解结果如下图所示。

路基路面模型分解

模型构建

根据公路工程的特点及主动冷却路基设计需求，对Autodesk、Bentley和Dassault公司研发的系列BIM软件进行比选，选择CNCCBIM OpenRoads Designer（以下简称：OpenRoads Designer）软件作为项目BIM设计的软件，完成数字地面模型构建、路线（平、纵、横）设计、路面结构设计、路基（路基土石方、排水、支挡防护）设计和主动冷却路基设计，其设计流程如下图所示。

BIM设计流程

工作空间

工作空间（Workspace）作为设计成果标准化的基础，为了解决项目协同工作过程中各专业标准化的统一问题，在OpenRoads Designer软件中定制了统一的工作空间，使各专业BIM设计在同一工作空间下工作，其内容如下：

1.坐标系和高程系分别采用西安80坐标系，1985国家高程系。

2.长度单位采用米（m），精确到小数点后3位；角度采用弧度，精确到小数点后3位。

3.建立图层、线型、标注、符号、颜色库。

4.建立沥青、混凝土、沙砾、石料等材质库。

数字地面模型构建

数字地面模型（digital terrain models，DTM）是道路BIM设计的基础环境，一般数字地面模型采用不规则三角网模拟地形。OpenRoads Designer采用狄洛尼（Delaunay）算法，建立不规则三角网数字地面模型。该项目从地形图中抽取高程点、等高线、居民点、交通设施、河流湖泊、保护区等矢量数据，并进行检查和修正，结合工程测量数据，建立项目数字地面模型辅助道路设计。如下图所示。

数字地面模型

路线设计

路线设计是指确定路线空间位置及各部分几何尺寸的工作，可分解为路线平面设计、纵断面设计和横断面设计，三者既相互关联，又需与地形、地物、自然景观环境相协调。

OpenRoads Designer提供了交互式平纵几何线形设计工具，可采用交点法、元素法，选择直线、圆曲线和缓和曲线进行路线设计与衔接，支持平面、纵断面和三维模型联动修改，同时在三个视图中展示设计结果。该项目采用的是交点法进行平纵几何线形设计。自定义横断面模板如下图所示。

自定义横断面模板

主动冷却路基构件设计

构件是组成BIM模型的基本单元，多年冻土地区主动冷却路基构件包括PVC通风管、风机、混凝土通风管、片块石垫层、通风板、XPS保温板、热棒等。OpenRoads Designer提供了参数化的构件设计方法，参数化的构件设计有利于设计者对模型的修改、维护和管理。例如：混凝土通风管参数化设计，将通风管的长度、内径、外径、套头尺寸作为参数，建立参数与几何模型的约束关系，通过多截面拉伸创建几何模型，并可通过调整参数值修改几何模型尺寸。设计完成的通风管构件及热棒构件模型如下图所示。

通风管及热棒构件建模

路基路面设计 

完成平纵设计，并制定好横断面模板后，便可以进行路基路面设计。在OpenRoads Designer中选择路线关联标准横断面模板，使标准横断面模板沿路线中心放样，与数字地面模型裁剪生成路基路面模型，模型中路面面层、基层、底基层、垫层，以及路床、路堤、挡墙、边坡、边沟、排水沟、截水沟等，均作为独立构件存储和显示，并承载相关设计信息。

主动冷却路基构件布置

多年冻土地区主动冷却路基构件的布置分两种情况，一种为PVC通风管、风机、混凝土通风管、热棒的布置，另一种为片块石垫层、通风板、XPS保温板的布置。PVC通风管、风机、混凝土通风管、热棒的布置，首先需要以路线中心线为基准，偏移一条或多条适合布置设施设备的参考线，然后沿参考线设置起始位置和间距，依次阵列布置设施设备。片块石垫层、通风板、XPS保温板的布置需要以原横断面模板为基础，创建新横断面模板，调整原组成单元的尺寸和位置，并增加片块石垫层、通风板、XPS保温板等组成单元。

模型整合

多年冻土道路BIM模型通过对数字地面模型、路线模型、路基路面模型和主动冷却路基设施设备模型4个文件参考的方式整合而成，整合后的强制弥散式通风路基、片块石+通风板路基、通风管路基、热棒+XPS保温板复合路基和块石层+单向导热路面复合路基模型（如下图所示），满足方案展示、碰撞检测、工程量统计和施工模拟等工作的需要。

主动冷却路基整合模型

为了达到冷却多年冻土层，减缓路基融化下沉的速率，冻土冷却路基一般采用通风降温的方式，将大气环境中的冷空气引入路基内部，达到通风散热、降低多年冻土地温、提高多年冻土路基稳定性的作用。散热能力是评价主动冷却路基调控效能的关键指标，冻土工程中常采用CFD对流换热数值计算模型，采用有限体积法或者有限元法，计算主动冷却路基的热收支量，获得路基散热功率。但是计算模型往往存在与实际工程几何模型、入口边界条件以及内部换热边界不一致的问题，导致计算结果与实际观测值相差较大。为了提高数据模拟评价结果的准确性，可以通过BIM与CFD相结合的技术，在保证实际工程与数值模型相互匹配的基础上，开展主动冷却路基通风散热效能计算。

建立数值计算模型

可计算的网格数据模型是数值计算的前提，通过OpenRoads Designer软件可以获得高精度的三维模型，根据计算精确性的要求，确定网格种类、网格大小和数量。以通风管路基为例，为了满足通风管通风计算精度，将通风管的网格节点控制在50mm，整个路基的网格节点控制在100mm。最终通过OpenRoads Designer软件导出网格文件。

理论模型选择

主动冷却路基的通风管道尺寸为0.2~0.4m，高海拔地区（4000m）以上空气的运动黏度为v=2.7×10-5m2·s-1，年平均风速5.2m/s。根据雷诺数计算公式，通风管内的Re值远大于发生层流的条件，因此选择湍流计算适应性较好的k-ω传热耦合模型。

·边界条件·

·材料参数·

·初始条件·

根据附面层理论，以及现场气象站气温观测结果，针对不同下垫面（沥青路面、土质边坡以及高原草甸），分别建立温度边界条件。材料参数采用根据工程设计文件中土质信息和含水量试验结果，参照《冻土地区建筑地基基础设计规范》（JGJ 118-2011）获得土质导热系数及体积热容参数。采用现场实测地温值作为路基初始条件，现场实测温度作为空气温度初始条件。边界条件、材料参数、初始条件的设置如下图所示。

边界条件、材料参数、初始条件的设置

计算结果评价

提取一年的温度场计算结果，对路基底部边界热流进行积分运算（积分时长为一年），可获得年热收支量Q。若Q>1500MJ，则表示路基处于剧烈吸热状态，主动冷却路基调控效果不佳；若500MJ

通过分析多年冻土地区常见主动冷却路基的形式，结合BIM技术的特点，以“高海拔高寒地区高速公路建设技术试验示范工程共和至玉树高速试验示范段”为依托，建立4种多年冻土地区主动冷却路基模型，并进行冷却路基效能计算的新方法探索。可以看出，基于BIM技术的多年冻土地区常见主动冷却路基设计，可通过可视化的方式优化主动冷却路基构件布置，减少构件冲突，在设计阶段有利于提高设计效率和质量，减少设计变更。另外，主动冷却路基调控效能计算，可采用BIM与CFD相结合的方式，将BIM模型转换为CFD需要的计算网格模型，提高计算网格模型的精度，降低计算网格模型与实际工程几何模型的差异，有利于提高数据模拟评价结果的准确性。