基于BIM 技術(shù)的鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性研究

河南省交通科學技術(shù)研究院有限公司/李曉洋

引言

鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性對于建筑工程的整體質(zhì)量水平有著直接性的影響，橋梁建筑是為社會提供便利出行的關(guān)鍵建筑體系，近幾年隨著國家基礎設施建設的日益完善，橋梁建筑規(guī)模明顯擴張，這一過程中提出了更高的建筑設計要求，不能只注重橋梁結(jié)構(gòu)的強度，更要重視其耐久性，保障鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的全壽命周期。同時，建筑信息模型軟件也在實踐中不斷完善，為建筑設計、建筑施工與建筑管理等提供有力支持，通過BIM 技術(shù)對橋梁結(jié)構(gòu)耐久性進行研究，更全面把握影響耐久性的因素，而制定針對性防控對策。

一、BIM技術(shù)及其建模方法

BIM 技術(shù)指的是建筑信息模型技術(shù)，其技術(shù)應用本質(zhì)是在計算機語言基礎上對建筑工程實體進行建模，以信息化、數(shù)字化形式直觀呈現(xiàn)建筑工程的所有屬性信息，并反映建筑工程的工序、施工過程以及各個建筑結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，為建筑工程的全面分析和梳理提供參考，也方便工程信息的應用處理。此外，BIM 技術(shù)也能夠?qū)崿F(xiàn)對建筑工程信息的完整儲存，以及與其他施工主體的信息共享。

BIM 技術(shù)的建模過程需要綜合應用多種技術(shù)，如計算機軟件、建筑工程信息系統(tǒng)等，同時也會集成多項技術(shù)功能，包括對建筑工程的建模，對相應數(shù)據(jù)庫的設立，對軟件系統(tǒng)的開發(fā)等，在這些技術(shù)與功能的協(xié)同支持下完成對建筑結(jié)構(gòu)屬性信息、屬性關(guān)系的轉(zhuǎn)換和控制，為建筑工程管理者和信息使用者提供技術(shù)上的便利，滿足其多種應用處理需求，且可以保障建筑工程信息管理的效率性與靈活性。BIM技術(shù)建模方法為先明確所建模目標對象，將建模對象的幾何信息進行測定收集，并獲取相應的結(jié)構(gòu)屬性參數(shù)，全部存放到建模對象中，構(gòu)建與建筑實體相一致的結(jié)構(gòu)模型，然后通過函數(shù)設定將各個結(jié)構(gòu)部分完成連接，反映其對應的實際功能行為，這樣就可以根據(jù)所建模型來分析建筑結(jié)構(gòu)的實際施工情況和受力關(guān)系情況，由此還能夠發(fā)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)設計中存在的問題并通過調(diào)整參數(shù)使其達到建造標準要求，提升建筑結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是當前建筑施工中應用最廣泛的結(jié)構(gòu)類型，在結(jié)構(gòu)強度方面已經(jīng)有了諸多技術(shù)的支持，而對于結(jié)構(gòu)耐久性的關(guān)注還相對較少。對于鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)而言，若忽視其耐久性則會直接對結(jié)構(gòu)的使用壽命產(chǎn)生影響，也威脅橋梁結(jié)構(gòu)的安全質(zhì)量。因此，在鋼筋混凝土結(jié)橋梁結(jié)構(gòu)建造過程中應進一步加強對耐久性的重視，通過對BIM 技術(shù)的應用進行結(jié)構(gòu)的耐久性評價，從內(nèi)外部因素綜合考慮，評估測定橋梁結(jié)構(gòu)是否需要維護加固，并掌握其耐久性等級，作為優(yōu)化結(jié)構(gòu)設計、調(diào)整結(jié)構(gòu)施工等建造環(huán)節(jié)的依據(jù)，為鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的高質(zhì)量建造提供保障。

二、鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性影響因素LOD 分層

LOD用于劃分BIM 模型深度，按照工程階段通常將LOD 模型深度等級劃分為五層，即LOD100、LOD200、LOD300、LOD400、LOD500，不同層次表示不同施工階段的標準信息要求不同，等級越高則信息越多。耐久性的影響因素分析貫穿于橋梁結(jié)構(gòu)建造的全過程，包括設計環(huán)節(jié)、施工環(huán)節(jié)以及后續(xù)維護等階段，對于影響因子的判斷則需根據(jù)不同階段的信息要求為依據(jù)，因而對各個影響因素的LOD 分層進行研究，將研究信息存入相應的耐久性模型中，方便結(jié)構(gòu)耐久性評測。

（一）材料層次

影響材料層次的因素較多，如凍融破壞、碳化作用、硫酸鹽侵蝕、水滲透以及體積變形開裂等都是需要分析探究的關(guān)鍵點。凍融破壞是因氣溫梯度差異過大而直接破壞鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的強度，以其初始LOD100 參數(shù)為基礎，從破壞機理、水狀態(tài)、指數(shù)方面實施分層，LOD200 為破壞機理分層，LOD300 為重復凍融多次后耐久性指數(shù)分層。碳化作用是混凝土中的堿性水化物接觸空氣中的二氧化碳后所造成的結(jié)構(gòu)組織變化，從碳化機理、深度模型與指標實施分層，LOD100 為初始參數(shù)分層，LOD200 為碳化深度模型分層，LOD300 為碳化評價指標分層。硫酸鹽侵蝕指的是混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)中被外部環(huán)境中的硫酸鹽侵入，產(chǎn)生了化學反應，而其反應產(chǎn)物具有膨脹性，隨著不斷擴張而造成結(jié)構(gòu)破壞。從侵蝕劣化機理、評價指標方面實施分層，LOD100為硫酸鹽侵蝕相關(guān)參數(shù)，LOD200 為侵蝕劣化模型分層，LOD300 為硫酸鹽侵蝕評價指標分層。

（二）構(gòu)件層次

構(gòu)件層次研究的重點在于結(jié)構(gòu)構(gòu)件力學性能分析，混凝土銹脹開裂根據(jù)材料開裂損傷程度和開裂銹蝕率實施分層，LOD100為混凝土銹脹開裂相關(guān)參數(shù)，LOD200 為混凝土銹脹開裂模型分層，LOD300 為混凝土銹蝕開裂臨界銹蝕率分層。鋼筋銹蝕與混凝土粘結(jié)性能根據(jù)鋼筋與混凝土粘結(jié)力的變化、應力變形實施分層，LOD100 為鋼筋和混凝土的相關(guān)銹蝕參數(shù)，LOD200 為銹蝕鋼筋和混凝土粘結(jié)滑移本構(gòu)模型分層，LOD300 為銹蝕粘結(jié)滑移影響指標分層。構(gòu)件承載力在力學理論上根據(jù)鋼筋直徑、鋼筋銹蝕率等進行分層，LOD100 構(gòu)件承載力相關(guān)參數(shù)，LOD200 為銹蝕構(gòu)件裂縫、形狀變化分層，LOD300為鋼筋銹蝕率變化分層。

（三）結(jié)構(gòu)層次

結(jié)構(gòu)層次根據(jù)兩個角度進行分層，包括耐久性設計與已使用混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評價及其壽命周期測定，其LOD100 為相關(guān)參數(shù)，LOD300 為結(jié)合結(jié)構(gòu)建造所處環(huán)境明確設計壽命分層，LOD400為結(jié)合相關(guān)計算與構(gòu)造措施設計耐久性分層，LOD500為耐久性評估分層，包含檢測結(jié)果、檢測損傷信息、數(shù)理統(tǒng)計、可靠性理論幾個方面。將LOD 分層輸入橋梁結(jié)構(gòu)管理信息模型中，依照其數(shù)字化轉(zhuǎn)換結(jié)果和對比情況掌握鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性影響因素與實際情況。

（四）環(huán)境層次

環(huán)境因地域不同而存在一定差異，對于環(huán)境層次的分析則需考慮到其地域特征，通常而言濕度是環(huán)境層次的關(guān)鍵作用元素，因而LOD 分層從大氣環(huán)境、工業(yè)環(huán)境、海洋環(huán)境等方面研究。大氣環(huán)境以一般大氣環(huán)境為準，當鋼筋混凝土的表層發(fā)生碳化之后，大氣環(huán)境中所含有的水分與氧氣對其發(fā)生侵蝕作用，導致鋼筋生銹。工業(yè)環(huán)境中一般會排放大量的二氧化碳、氯離子以及廢水等，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)也存在侵蝕影響。而海洋環(huán)境則主要是臨近海洋的位置含有較多氯化鈉與氯離子，且PH值近中性，容易對橋梁結(jié)構(gòu)形成腐蝕，且與海洋距離不同也會影響侵蝕的程度，威脅鋼筋混凝橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性。

三、強化鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的對策

（一）確保鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)保護層的厚度

強化鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性要求保證鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)保護層的厚度，以此提高其內(nèi)外部的密實度，有效避免水分以及氧氣的侵入，防止引起鋼筋銹蝕情況，而達到提升耐久性的目的。根據(jù)橋梁建筑施工需要盡最大可能增加其保護層的厚度，考慮到橋梁功能的正常使用，據(jù)實際情況而定進行厚度的調(diào)整，減少腐蝕物質(zhì)的大量侵入。

（二）合理選擇標準規(guī)格性能混凝土

強化鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性要求合理選擇標準規(guī)格與性能的混凝土，確保鋼筋混凝土的強度和使用質(zhì)量，也保證其混凝土的密實度。根據(jù)橋梁工程建筑施工需要購入合規(guī)的混凝土，妥善存放并規(guī)劃管理。在混凝土配比過程中按照既定比例合理配置，注意保持較小的水灰比，讓混凝土依舊發(fā)揮強度性能的基礎上也可以具有較強的水密性，在較高pH 值的維持下能夠有效避免鹽分的滲透，降低環(huán)境對結(jié)構(gòu)的不良影響，延長其全壽命周期。

（三）注意防范鋼筋混凝土發(fā)生龜裂

近海洋環(huán)境下，離子物質(zhì)含量較高，加上濕潤度較高，其擴散滲透力度強，能夠直接由已經(jīng)發(fā)生龜裂情況的鋼筋混凝土位置侵入內(nèi)部結(jié)構(gòu)，短時間造成嚴重侵蝕，因而需調(diào)整鋼筋直徑大小的選擇，控制混凝土內(nèi)部收縮力，增加保護層的厚度，防止龜裂現(xiàn)象發(fā)生。

四、結(jié)語

綜上所述，鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性是影響橋梁建造質(zhì)量的關(guān)鍵因素，在橋梁工程建造中需重視耐久性的加固和維護。而在強化橋梁結(jié)構(gòu)耐久性之前應準確完整把握其影響因素，利用BIM 技術(shù)構(gòu)建結(jié)構(gòu)模型，借助數(shù)字化技術(shù)和功能分析評測材料、構(gòu)件、結(jié)構(gòu)和環(huán)境等影響因子，直觀且精準的發(fā)現(xiàn)可能存在的結(jié)構(gòu)風險，從而采取有效措施加以應對，切實提升鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的安全性與可靠性，保障橋梁結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量，有力推動建筑工程的現(xiàn)代化發(fā)展。