基于BIM技術(shù)的建筑混凝土結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計(jì)的現(xiàn)存問題與對(duì)策研究

王翔

（武漢市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，武漢430015）

1 引言

建筑領(lǐng)域不斷發(fā)展的同時(shí)，每一年的安全事故比例也在隨之增加，面對(duì)這樣嚴(yán)峻的形勢(shì)，必須應(yīng)用先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念來緩解這個(gè)局面。BIM技術(shù)的出現(xiàn)為結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計(jì)開辟了新的路徑。但在實(shí)際的應(yīng)用過程中，依然會(huì)存在一些薄弱環(huán)節(jié)，發(fā)生許多質(zhì)量問題，必須引起高度重視。

2 BIM技術(shù)在結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計(jì)中的作用

BIM技術(shù)是一種跟隨建筑生命周期的信息模型，能夠隨著建筑的發(fā)展形態(tài)不斷變化，將BIM技術(shù)應(yīng)用到建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可以讓建筑過程中的項(xiàng)目形象變得更加直觀，更利于對(duì)項(xiàng)目建設(shè)效果的掌握【1】。目前，BIM技術(shù)在建筑領(lǐng)域得到了一定程度的應(yīng)用，擁有十分可觀的發(fā)展前景。但是，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)上，BIM技術(shù)依然還有很高的上升空間，應(yīng)用程度有待提高。利用BIM技術(shù)可以讓施工人員直觀感受到施工現(xiàn)場(chǎng)中存在的隱患，對(duì)現(xiàn)存的建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)判，并在此基礎(chǔ)上采取有效措施不斷優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提升建筑整體的穩(wěn)定性以及安全性。當(dāng)前，BIM技術(shù)在結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計(jì)中的應(yīng)用范圍如圖1所示。

圖1 BIM技術(shù)的應(yīng)用范圍

3 遇到的問題

3.1 裂縫現(xiàn)象

在建筑工程中，結(jié)構(gòu)裂紋是經(jīng)常會(huì)遇到的現(xiàn)象，發(fā)生概率較高，裂縫問題一旦出現(xiàn)，很容易影響建筑的整體穩(wěn)定性，存在安全隱患，對(duì)此必須要妥善解決。最近幾年，在混凝土試驗(yàn)中已經(jīng)得到了證實(shí)，那就是在尚未受荷狀態(tài)下的混凝土，容易在結(jié)構(gòu)中發(fā)生微裂紋。產(chǎn)生裂紋的原因有很多，其表現(xiàn)形式也各種各樣，例如，黏結(jié)裂縫（容易發(fā)生在骨料和水泥面之間）、水泥裂紋、骨料裂縫等。由于裂縫形成機(jī)理的不同，所以，首先需要了解裂縫出現(xiàn)的原因以及破損程度，并在此基礎(chǔ)上采取應(yīng)對(duì)措施，提升建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。站在斷裂損傷力學(xué)的角度，相關(guān)學(xué)者對(duì)斷裂損傷有著科學(xué)的定義，從某種意義上來說，斷裂損傷可以使材料的結(jié)構(gòu)發(fā)生一定程度的變化，從而引起輕微形變，然后不斷擴(kuò)展和匯通，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)宏觀性能的劣化，不僅影響建筑的功能性，還會(huì)造成宏觀開裂和結(jié)構(gòu)破壞，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)安全性受損。通常在這樣的背景下，混凝土結(jié)構(gòu)遭受破壞的演變過程就是從微裂紋的擴(kuò)展開始，逐漸貫通才得以形成的。結(jié)合最新的混凝土微觀相關(guān)研究結(jié)果可以看出，微裂紋擴(kuò)展可以看作是材料破損的重要標(biāo)志，與此同時(shí)，微裂紋的存在屬于材料的天然物理性質(zhì)，并不是后天造成的，因此，可以得出裂縫在實(shí)際的混凝土結(jié)構(gòu)中具有很大的存在必然性，這給裂縫問題的控制帶來了不小的難度。BIM技術(shù)在處理裂縫問題上具有較大優(yōu)勢(shì)，可以借助其信息管理能力，搭建以裂縫為核心的本體，對(duì)建筑構(gòu)件和裂縫進(jìn)行劃分。結(jié)合篩選出的裂縫屬性建立數(shù)據(jù)性質(zhì)模型（用于描述實(shí)例），可以給信息的查詢以及推導(dǎo)提供便利條件，最為先進(jìn)的技術(shù)是利用SWRL語言編制系統(tǒng)規(guī)則，可以對(duì)儲(chǔ)存完成的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索，并進(jìn)行科學(xué)的推理和預(yù)判。這項(xiàng)技術(shù)在橋梁建筑中已得到了廣泛應(yīng)用。

3.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算與分析存在的問題

經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及科技的進(jìn)步推動(dòng)著建筑行業(yè)的蓬勃向上，目前建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都是借助于先進(jìn)的計(jì)算機(jī)軟件來完成，用機(jī)器代替人工可以提升建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)性以及精準(zhǔn)性，確保建筑整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及耐用性，同時(shí)還可以滿足當(dāng)前社會(huì)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的具體要求，實(shí)現(xiàn)良好的建筑功能分區(qū)。針對(duì)不同的建筑項(xiàng)目，軟件應(yīng)用效果存在著明顯的差異，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)階段，需要結(jié)合真實(shí)情況，在掌握混凝土結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行科學(xué)精準(zhǔn)計(jì)算，將計(jì)算所得數(shù)據(jù)作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的參考和主要依據(jù)，從根本上確保建筑施工質(zhì)量。

4 基于BIM技術(shù)的對(duì)策研究

4.1 將3D形式作為展示結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要方案

在初期的建筑結(jié)構(gòu)規(guī)劃階段，就可以將BIM技術(shù)應(yīng)用到其中，無論是在結(jié)構(gòu)規(guī)劃階段，還是在設(shè)計(jì)完善階段，利用BIM技術(shù)都可以進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)的質(zhì)量與效率，確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性與合理性，提升項(xiàng)目規(guī)劃的實(shí)際效果。具體來說，就是在進(jìn)行建筑項(xiàng)目規(guī)劃時(shí)，相關(guān)的設(shè)計(jì)人員，包括土木工程師以及建筑設(shè)計(jì)師在內(nèi)，應(yīng)該全程參與設(shè)計(jì)，全面掌握建筑特征，并在分析特征的基礎(chǔ)上結(jié)合相應(yīng)的藝術(shù)表現(xiàn)形式，搭配結(jié)構(gòu)力學(xué)知識(shí)，得出基于BIM的3D展示效果，更直觀地了解項(xiàng)目具體內(nèi)容，針對(duì)常見的裂縫等問題，掌握其發(fā)生機(jī)理以及具體位置，通過BIM技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用可以促進(jìn)項(xiàng)目的自我完善。

關(guān)于建筑模型的構(gòu)建需要以BIM作為核心技術(shù)，對(duì)建筑模型進(jìn)行不斷優(yōu)化，基于BIM，可以讓建模更加周密，與此同時(shí)，還需要密切關(guān)注初步設(shè)計(jì)工作，從而確保實(shí)際的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效果，加強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)建模的科學(xué)性，可以從以下3個(gè)方面入手。第一，完成BIM建筑模型的初始化加載。想要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，首先需要了解項(xiàng)目的全部設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，掌握設(shè)計(jì)流程以及步驟，注重設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)階段的精細(xì)化管理，明確建筑物基本構(gòu)成組件和建設(shè)相關(guān)要求是關(guān)鍵，例如，具體施工方案、簽訂的合同內(nèi)容、施工具體規(guī)劃等，將上述要素作為結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建的基礎(chǔ)，確保結(jié)構(gòu)建模的合理性。第二，對(duì)組件結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行有效控制，綜合考慮各方面的因素，確保組件結(jié)構(gòu)模型的搭建可以滿足建筑物功能屬性以及藝術(shù)方面的客觀要求【2】。第三，熟練使用Revit軟件，利用該軟件的可視化功能，完善圖表的可見性（見圖2）。想要達(dá)到這一目標(biāo)，可以通過設(shè)計(jì)文件導(dǎo)入的形式來實(shí)現(xiàn)，將其導(dǎo)入結(jié)構(gòu)模板中，可以讓設(shè)計(jì)效果更加直觀。

圖2 Revit軟件的操作界面

4.2 借助BIM技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)抗震性能分析，提高建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

對(duì)建筑結(jié)構(gòu)采用必要的抗震分析是提升結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的關(guān)鍵，同時(shí)抗震分析也是必不可少的一項(xiàng)內(nèi)容。在地震災(zāi)害頻發(fā)的地區(qū)，該項(xiàng)內(nèi)容更是非常關(guān)鍵。只有嚴(yán)格遵循國(guó)家的相關(guān)施工標(biāo)準(zhǔn)，才能確保建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以達(dá)到質(zhì)量和安全2方面的要求。就目前的應(yīng)用情況來看，BIM技術(shù)在分析結(jié)構(gòu)抗震性能方面優(yōu)勢(shì)較為明顯，借助Revit軟件可以實(shí)現(xiàn)集成建筑模型的構(gòu)建，完善結(jié)構(gòu)幾何以及分析模型，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理優(yōu)化，使其可以達(dá)到結(jié)構(gòu)抗震的各種基本需要。除此之外，Revit軟件還具有強(qiáng)大的建模功能，利用該軟件能夠?qū)崿F(xiàn)分析建筑結(jié)構(gòu)的自動(dòng)化以及設(shè)計(jì)尺寸計(jì)算的自動(dòng)化，既可以節(jié)省人力、物力，又可以提高計(jì)算的精確度，降低人為失誤的可能性。前文已經(jīng)提到過，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算是結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，為了進(jìn)一步確保計(jì)算結(jié)構(gòu)的精確性，設(shè)計(jì)師在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，除了要掌握計(jì)算軟件的基本特點(diǎn)之外，還要站在建筑功能性的角度對(duì)建筑設(shè)計(jì)全面了解，從施工實(shí)際情況入手，采用先進(jìn)技術(shù)手段進(jìn)行處理，確保工程建設(shè)的實(shí)際效果。

綜上可以得出，為了進(jìn)一步確保建筑結(jié)構(gòu)的安全性以及穩(wěn)定性，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)可以通過BIM技術(shù)的應(yīng)用，讓設(shè)計(jì)效果更加直觀，讓設(shè)計(jì)人員有更加清晰的判斷。在施工過程中，相關(guān)設(shè)計(jì)人員要明確建設(shè)的目標(biāo)，掌握施工的具體要求，嚴(yán)格控制混凝土結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)，確?；炷两Y(jié)構(gòu)的強(qiáng)度可以滿足實(shí)際施工要求，達(dá)到提高建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及安全性的最終目的。

5 結(jié)語

綜上所述，盡管建筑領(lǐng)域發(fā)展態(tài)勢(shì)良好，但安全事故發(fā)生的概率依然居高不下，在這樣的背景下，需要采用較為穩(wěn)妥的安全設(shè)計(jì)理念，增強(qiáng)建筑整體施工的安全性，而BIM技術(shù)的應(yīng)用，恰巧可以改善現(xiàn)狀。BIM技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的有效應(yīng)用，從某種意義上來說是具有一定實(shí)用性與創(chuàng)新性的，值得大范圍推廣。