BIM技術(shù)在水工混凝土鋼筋結(jié)構(gòu)開發(fā)中的應(yīng)用

馬晉陽,焦宏濤,惠英妮

(陜西凝遠(yuǎn)新材料科技股份有限公司,陜西 咸陽 712034)

0 引 言

水工混凝土鋼筋結(jié)構(gòu)開發(fā)是一種基于混凝土和鋼筋的組合結(jié)構(gòu),它具有良好的強(qiáng)度和耐久性,適用于水利水電工程等領(lǐng)域[1]。目前,水工混凝土鋼筋結(jié)構(gòu)開發(fā)主要集中在材料、技術(shù)、設(shè)計(jì)和施工等方面,而結(jié)構(gòu)開發(fā)的關(guān)鍵在于如何確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、安全性和可靠性。目前,水工混凝土鋼筋結(jié)構(gòu)面臨的主要問題有材料老化和破壞、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、耐久性、安全維護(hù)等[2-3]。

隨著現(xiàn)代建筑技術(shù)的不斷發(fā)展,建筑信息模型(Building Information Model,BIM)技術(shù)在建筑行業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛。BIM技術(shù)通過對(duì)建筑工程的三維數(shù)字模型進(jìn)行模擬和優(yōu)化,可以有效提高建筑工程的質(zhì)量和效率。在水工混凝土鋼筋結(jié)構(gòu)開發(fā)中,BIM技術(shù)的應(yīng)用可以幫助設(shè)計(jì)、施工人員更好地理解水工混凝土鋼筋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工要求,提高工程質(zhì)量和效率[4-5]。因此,研究BIM技術(shù)在水工混凝土鋼筋結(jié)構(gòu)開發(fā)中的應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文基于水工混凝土鋼筋目前存在的難檢測(cè)和維護(hù)等問題,構(gòu)建基于BIM技術(shù)的水工混凝土鋼筋結(jié)構(gòu)檢測(cè)模型,以期為水工混凝土鋼筋結(jié)構(gòu)的開發(fā)提供參考與借鑒。

1 基于BIM技術(shù)的水工混凝土鋼筋結(jié)構(gòu)開發(fā)模型構(gòu)建

1.1 基于BIM技術(shù)的水工混凝土鋼筋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與開發(fā)

建筑信息模型有助于更好地進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)和施工管理。BIM技術(shù)利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件,對(duì)建筑工程進(jìn)行三維建模、模擬和優(yōu)化,從而提高建筑工程的效率、質(zhì)量和安全性[6]。BIM技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛,可以用于建筑設(shè)計(jì)、施工方案制定、設(shè)備選型、能源利用等多個(gè)方面。

在水工混凝土鋼筋結(jié)構(gòu)開發(fā)方面,BIM技術(shù)有助于更好地進(jìn)行水工混凝土鋼筋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和開發(fā)。首先,BIM技術(shù)可以對(duì)水工混凝土鋼筋結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模,模擬水工混凝土鋼筋結(jié)構(gòu)的布局、強(qiáng)度、穩(wěn)定性等方面的要求,以便更好地進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化[7]。通過對(duì)水工混凝土鋼筋結(jié)構(gòu)的模擬,可以更準(zhǔn)確地了解結(jié)構(gòu)的受力情況,為結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供更加科學(xué)的依據(jù)。其次,BIM技術(shù)有助于進(jìn)行鋼筋構(gòu)件的預(yù)制和組裝,從而更快速、更準(zhǔn)確地完成鋼筋構(gòu)件的制作和安裝工作。這不僅可以提高鋼筋構(gòu)件的制作效率,還可以降低鋼筋構(gòu)件的制造成本。此外,BIM技術(shù)還可以進(jìn)行水工混凝土鋼筋結(jié)構(gòu)的碰撞檢測(cè),從而發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)中可能存在的碰撞問題,及時(shí)進(jìn)行調(diào)整和修改,確保結(jié)構(gòu)的安全[8]。BIM的概念圖見圖1。

圖1 BIM的概念圖

圖2 BIM反向設(shè)計(jì)翻模到BIM正向設(shè)計(jì)

BIM技術(shù)包括正向設(shè)計(jì)和反向設(shè)計(jì)。在正向設(shè)計(jì)中,BIM技術(shù)有助于更好地理解建筑的實(shí)際需求和功能,從而更加高效、高質(zhì)量地完成設(shè)計(jì)任務(wù),為設(shè)計(jì)提供更加科學(xué)的依據(jù)。此外,正向設(shè)計(jì)還有助于更好地協(xié)調(diào)各部門的工作,更好地進(jìn)行專業(yè)分工,提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量?？偟膩碚f,BIM技術(shù)的正向設(shè)計(jì)有助于更好地理解建筑的實(shí)際需求和功能,為設(shè)計(jì)提供更加科學(xué)、準(zhǔn)確、專業(yè)和高效的依據(jù)。因此,在BIM技術(shù)中正向設(shè)計(jì)是一種非常重要的技術(shù)手段。

反向設(shè)計(jì)是指從已有的建筑信息模型中提取有用的信息,并將其應(yīng)用到新的建筑設(shè)計(jì)中,以實(shí)現(xiàn)新的建筑設(shè)計(jì)。在BIM技術(shù)中,反向設(shè)計(jì)有助于更好地理解建筑的實(shí)際需求和功能,從而更好地進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過反向設(shè)計(jì),可以獲取建筑的詳細(xì)信息,如建筑面積、空間布局、結(jié)構(gòu)分布等。反向設(shè)計(jì)還有助于了解建筑的運(yùn)行狀況和維護(hù)要求,從而更好地進(jìn)行維護(hù)和管理,獲得更準(zhǔn)確、更全面的建筑信息。此外,反向設(shè)計(jì)還有助于更好地協(xié)調(diào)各部門的工作,提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量[9-11]。總的來說,BIM技術(shù)的反向設(shè)計(jì)有助于更好地理解建筑的需求和功能,從而更加高效、高質(zhì)量地完成工作。

BIM的最終目標(biāo)就是為了讓BIM能夠更好地進(jìn)行正向設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的BIM方法是由不同專業(yè)的設(shè)計(jì)人員進(jìn)行二維平面圖的繪制,然后由專門的BIM小組對(duì)其進(jìn)行三維建模,并對(duì)其進(jìn)行碰撞檢測(cè)、日照分析、能耗模擬、火災(zāi)模擬、人員疏散分析,并將分析結(jié)果反饋給設(shè)計(jì)人員[12-13]。而BIM正向設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)人員在一開始就以BIM的3D模型為基礎(chǔ),這樣可以減少協(xié)調(diào)的次數(shù),提高工作效率。

1.2 基于BIM技術(shù)的水工混凝土鋼筋結(jié)構(gòu)檢測(cè)模型構(gòu)建

隨著城市化進(jìn)程的加快和水利水電工程的大規(guī)模建設(shè),水工混凝土鋼筋結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為建筑行業(yè)中的重要組成部分。然而,水工混凝土鋼筋結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中存在著一些問題,如結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、施工質(zhì)量不高等[14-15]。為了解決這些問題,研究提出一種基于BIM技術(shù)的水工混凝土鋼筋結(jié)構(gòu)檢測(cè)模型。

首先基于BIM技術(shù),對(duì)水工混凝土鋼筋結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模,通過模擬結(jié)構(gòu)的受力情況,了解結(jié)構(gòu)的實(shí)際需求。在設(shè)計(jì)階段,可以通過三維建模來評(píng)估水工混凝土鋼筋結(jié)構(gòu)的可行性和可靠性,避免出現(xiàn)不必要的設(shè)計(jì)缺陷。在施工階段,可以通過三維建模來評(píng)估水工混凝土鋼筋結(jié)構(gòu)的施工進(jìn)度和質(zhì)量,更好地協(xié)調(diào)施工資源,避免工程事故。此外,基于BIM技術(shù)的水工混凝土鋼筋結(jié)構(gòu)優(yōu)化,還有助于更好地理解和應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)的問題,提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率。

將BIM技術(shù)與水工混凝土鋼筋結(jié)構(gòu)檢測(cè)相結(jié)合,構(gòu)建基于BIM技術(shù)的水工混凝土鋼筋結(jié)構(gòu)檢測(cè)方法,可有效提高檢測(cè)效率。模型能夠?qū)摻顧z測(cè)點(diǎn)信息(位置、類型、數(shù)量、尺寸等)集成至BIM模型中,利用模型對(duì)水工混凝土鋼筋結(jié)構(gòu)的混凝土碳化深度和鋼筋銹蝕程度等進(jìn)行檢測(cè),分析水工混凝土鋼筋的碳化深度和銹蝕程度;對(duì)鋼筋保護(hù)層厚度進(jìn)行檢測(cè)。其中,鋼筋碳化是指混凝土中的氫氧化鈣向鋼筋表面擴(kuò)散,并與鋼筋表面的鈣離子結(jié)合,形成碳酸鈣,從而降低了鋼筋的抗銹蝕能力,影響了混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性[16-17]。見圖3。

圖3 混凝土鋼筋腐蝕檢測(cè)技術(shù)流程

《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(CECS 220-2007)將腐蝕速率下限設(shè)定為5%。當(dāng)鋼筋銹蝕率達(dá)到5%時(shí),構(gòu)件已經(jīng)嚴(yán)重銹損,此時(shí)鋼筋的力學(xué)性能變化速率有一個(gè)拐點(diǎn),鋼筋的名義極限強(qiáng)度和名義屈服強(qiáng)度迅速降低,而彈模下降的速率則趨于平穩(wěn)。因此,該模型的下限也被確定為5%,相應(yīng)的關(guān)系式如下:

(1)

式中:f(y,c)為腐蝕屈服強(qiáng)度;fy0為未腐蝕屈服強(qiáng)度;f(u,c)為腐蝕極限強(qiáng)度;fu0為未腐蝕極限強(qiáng)度;δ(s,c)為腐蝕伸長率;δs0為未腐蝕伸長率;ε(y,c)為腐蝕極限應(yīng)變力;εy0為未腐蝕應(yīng)變力;E(u,c)為腐蝕彈性量;Eu0為未腐蝕彈性量;ρ為腐蝕范圍。

鋼筋腐蝕后,腐蝕產(chǎn)物會(huì)在混凝土中生成新的黏結(jié)界面,而這種黏結(jié)界面的力學(xué)性質(zhì)與混凝土強(qiáng)度、保護(hù)層厚度和腐蝕鋼筋的厚度密切相關(guān)。在腐蝕初期,雖然腐蝕產(chǎn)物會(huì)破壞鋼筋和混凝土間的化學(xué)結(jié)合,但輕微的腐蝕膨脹會(huì)增加二者的機(jī)械咬合力,并且腐蝕產(chǎn)物和混凝土間的摩擦系數(shù)會(huì)增加,此時(shí)鋼筋和混凝土間的黏結(jié)強(qiáng)度會(huì)有所提高。而當(dāng)銹蝕逐漸加深之后,增加的銹脹力將會(huì)破壞混凝土的保護(hù)層,這時(shí)鋼筋和混凝土之間的機(jī)械咬合力將會(huì)下降,而逐漸被稀釋的銹蝕產(chǎn)物與混凝土之間的摩擦系數(shù)也隨之降低,導(dǎo)致黏結(jié)強(qiáng)度隨著銹蝕率的增加而不斷下降。在此基礎(chǔ)上,研究腐蝕產(chǎn)物厚度、保護(hù)層厚度及抗張強(qiáng)度對(duì)黏結(jié)滑移的關(guān)系,公式如下:

τcu=βuτcu=K1K2K3τou

(2)

式中:τcu為極限黏合強(qiáng)度;βu為折減系數(shù);τou為原始極限黏合強(qiáng)度;K1為腐蝕物厚度參數(shù);K2為保護(hù)層厚度的影響參數(shù);K3為混凝土抗拉強(qiáng)度影響參數(shù)。

2 基于BIM技術(shù)的水工混凝土鋼筋結(jié)構(gòu)開發(fā)模型的仿真分析

為了檢測(cè)水工混凝土鋼筋結(jié)構(gòu),研究采用仿真實(shí)驗(yàn),以模型為基礎(chǔ),對(duì)鋼筋的腐蝕、模擬地震作用反應(yīng)力和模擬風(fēng)載作用反應(yīng)力進(jìn)行檢測(cè),以驗(yàn)證模型的仿真效果。研究利用GTJ-XSY型鋼筋腐蝕檢測(cè)儀,間隔0.3m,以全覆蓋形式,對(duì)部分可疑腐蝕區(qū)的距離為0.2m。在整個(gè)區(qū)域,共采集1 000個(gè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),并以-200～100mV為主,結(jié)果見圖4。

圖4 半電池電位測(cè)試值分布

由圖4可知,在整個(gè)測(cè)試區(qū)域內(nèi),電位值發(fā)生變化主要在-200～100mV。共檢測(cè)到923個(gè)電位大于-200mV,占檢測(cè)數(shù)量的92.30%,且鋼筋發(fā)生腐蝕的概率小于8.37%;檢測(cè)到28個(gè)電位在-200～-300mV之間,占檢測(cè)數(shù)量的2.80%,無法判斷此時(shí)鋼筋的腐蝕性狀;檢測(cè)到49個(gè)電位小于-300mV,占檢測(cè)數(shù)量的4.90%,此時(shí)鋼筋發(fā)生腐蝕的概率大于91.36%。表明在仿真實(shí)驗(yàn)中,模型對(duì)鋼筋的分布和腐蝕情況有較高的預(yù)測(cè)能力。

為了驗(yàn)證混凝土鋼筋的抗地震能力,研究模擬地震的作用反應(yīng)力進(jìn)行實(shí)驗(yàn),結(jié)果見圖5。

圖5 模擬地震作用反應(yīng)力

由圖5(a)可知,隨著模擬地震作用反應(yīng)力的測(cè)試次數(shù)增加,混凝土鋼筋承受的橫向反應(yīng)力也在增加。承受的最大橫向反應(yīng)力63.85kN,承受的橫向反應(yīng)力平均值56.92kN。由圖5(b)可知,模擬地震作用反應(yīng)力對(duì)混凝土鋼筋承受的縱向反應(yīng)力也隨著測(cè)試次數(shù)的增加呈上升趨勢(shì)。混凝土鋼筋承受的縱向反應(yīng)力最大值47.83kN,承受的縱向反應(yīng)力平均值39.87kN。由圖5(a)、圖5(b)對(duì)比可知,混凝土鋼筋在模擬地震作用反應(yīng)力中,橫向承受的反應(yīng)力高于縱向承受的反應(yīng)力,表明模型對(duì)混凝土鋼筋作用力的預(yù)測(cè)能力。

圖6為混凝土鋼筋在模擬地震作用情況下的剪力受力。

圖6 模擬地震作用剪力

由圖6(a)可知,隨著模擬地震的測(cè)試次數(shù)增加,混凝土鋼筋的橫向剪力在明顯增加。其中,橫向剪力最大值69.82kN,橫向剪力平均值58.16kN。由圖6(b)可知,混凝土鋼筋的縱向剪力也隨模擬地震次數(shù)的增加而增大,縱向剪力最大值40.05kN,縱向剪力平均值29.89kN。由圖6(a)、圖6(b)對(duì)比可知,混凝土鋼筋在模擬地震作用剪力中,橫向剪力高于縱向剪力,表明模型對(duì)混凝土鋼筋剪力的預(yù)測(cè)能力。而且混凝土鋼筋的剪力越大,其抗震能力越強(qiáng)。

為了驗(yàn)證混凝土鋼筋的風(fēng)載反應(yīng)力承受程度,研究模擬風(fēng)載的作用反應(yīng)力進(jìn)行實(shí)驗(yàn),結(jié)果見圖7。

圖7 模擬風(fēng)載反應(yīng)力

由圖7(a)可知,隨著風(fēng)載反應(yīng)力測(cè)試次數(shù)增加,混凝土鋼筋的橫向反應(yīng)力在明顯增加。其中,橫向反應(yīng)力最大值32.81kN,橫向反應(yīng)力的平均值21.09kN。由圖7(b)可知,混凝土鋼筋的縱向反應(yīng)力也隨模擬風(fēng)載反應(yīng)力的次數(shù)增加而增大,縱向反應(yīng)力最大值50.36kN,縱向反應(yīng)力平均值41.25kN。由圖7(a)、圖7(b)對(duì)比可知,混凝土鋼筋在模擬風(fēng)載作用反應(yīng)力中,橫向反應(yīng)力低于縱向反應(yīng)力。這是因?yàn)榭v向會(huì)承受更多的風(fēng)載力,驗(yàn)證了模型對(duì)混凝土鋼筋的風(fēng)載作用反應(yīng)力的預(yù)測(cè)能力。

圖8為混凝土鋼筋在模擬風(fēng)載反應(yīng)力作用情況下的剪力受力。

圖8 模擬風(fēng)載剪力

由圖8(a)可知,隨著風(fēng)載反應(yīng)力測(cè)試次數(shù)增加,混凝土鋼筋的橫向剪力也在明顯增加。其中,橫向剪力最大值21.53kN,橫向剪力平均值18.43kN。由圖8(b)可知,混凝土鋼筋的縱向剪力同樣也隨模擬風(fēng)載反應(yīng)力的次數(shù)增加而增大,縱向剪力最大值34.21kN,縱向剪力平均值為23.95kN。由圖8(a)、圖8(b)對(duì)比可知,混凝土鋼筋在模擬風(fēng)載作用反應(yīng)力中,橫向剪力低于縱向剪力,同樣是因?yàn)榭v向會(huì)承受更多的風(fēng)載力。

3 結(jié) 論

為了將BIM技術(shù)更好應(yīng)用于水工混凝土鋼筋開發(fā)中,本文提出一種基于BIM技術(shù)的水工混凝土鋼筋檢測(cè)模型。利用鋼筋腐蝕檢測(cè)儀,對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)中鋼筋的腐蝕情況進(jìn)行檢測(cè),模擬地震和風(fēng)載對(duì)水工混凝土鋼筋的影響。結(jié)果表明,基于BIM技術(shù)構(gòu)建的檢測(cè)模型,對(duì)鋼筋腐蝕的檢測(cè)率達(dá)到90%以上,且能準(zhǔn)確分析得出模擬地震和風(fēng)載對(duì)橫向和縱向混凝土鋼筋的承受力,驗(yàn)證了模型方法具有較高的準(zhǔn)確率和可行性。