基于BIM技術(shù)的組合墻體抗壓力學(xué)性能測試研究

劉洋 王官慶 榮彥召 梁峰

摘 要：為提高建筑工程用墻體的力學(xué)性能，通過采用不同體積分數(shù)的聚苯顆粒制備聚苯顆?；炷?，采用不同體積分數(shù)的纖維制備纖維面板，然后組合不同摻入量的聚苯顆?；炷梁屠w維面板，得到不同抗彎能力的建筑用墻體。試驗結(jié)果表明，當(dāng)聚苯顆粒體積分數(shù)為41.6%的聚苯顆粒混凝土和纖維體積為2%的纖維面板進行組合時，墻體的力學(xué)性能最好?；贐IM技術(shù)對組合墻體整體安裝，有效提高了建筑工程用墻體的力學(xué)性能，具有一定的實際應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：建筑工程；聚苯顆?；炷粒焕w維面板；BIM技術(shù)

中圖分類號：TQ177.6；TU502

文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2024）03-0103-04

Study on compressive mechanical performance test of composite walls based on BIM technology

LIU Yang1，WANG Guanqing1，RONG Yanzhao2，LIANG Feng3

（1.State Grid Inner Mongolia East Electric Power Co.，Ltd.，Hohhot City，Inner Mongolia 010010，China;

2.China Railway Construction Group First Construction Co.，Ltd.，Beijing 266400，China;

3.Inner Mongolia Agricultural University，Hohhot，Inner Mongolia 010010，China

）

Abstract：To improve the mechanical properties of walls used in construction projects，polystyrene particle concrete was prepared using different volume fractions of polystyrene particles，fiber panels were prepared using different volume fractions of fibers，and then different amounts of polystyrene particle concrete and fiber panels were combined to obtain building walls with different bending resistance.The experimental results showed that when polystyrene particle concrete with a volume fraction of 41.6% and a fiber panel with a fiber volume fraction of 2% were combined，the mechanical performance of the wall was the best.Integrated installation of composite walls based on BIM technology effectively improves the mechanical performance of walls used in construction projects and has certain practical application value.

Key words：construction engineering;polystyrene particle concrete;fiber panel;BIM technology

目前，常用的建筑工程墻體包括混凝土墻、石材墻、輕鋼龍骨墻等，在保溫和節(jié)能方面表現(xiàn)出良好的性能。如在被動式綠色建筑墻體結(jié)構(gòu)中應(yīng)用玻璃磚幕墻節(jié)能技術(shù)，提出一種新型的節(jié)能環(huán)保施工技術(shù)［1］；針對相同墻體傳熱系數(shù)下不同構(gòu)造形式下的經(jīng)濟性和碳排放水平，設(shè)計了一種碳排放最低、經(jīng)濟性最優(yōu)的建筑墻體構(gòu)造形式［2］；通過分析相變混凝土熱物理性能，提出利用相變混凝土作為建筑用墻體，幫助建筑物實現(xiàn)保溫隔熱和節(jié)能減排［3］。通過上述研究可以發(fā)現(xiàn)，相關(guān)建筑用墻體的研究主要集中在節(jié)能減排方面，而對其力學(xué)性能的研究較少，因此，制備了不同抗彎變形能力的組合墻體，以得到具有良好變形能力的建筑工程用墻體。并基于建筑信息模型（BIM）技術(shù)對組合墻體整體安裝、細化排版進行設(shè)計。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

用于制備聚苯顆?；炷恋脑囼灢牧先绫?所示，所采用的顆粒直徑為5 mm［4］。用于制備纖維面板的試驗材料如表2所示，其中輕燒氧化鎂由質(zhì)量分數(shù)分別為92.62%、1.86%、1.12%、0.61%、3.79%的氧化鎂（MgO）、氧化鈣（CaO）、二氧化硅（SiO2）、三氧化二鋁（Al2O3 ）及其他物質(zhì)組成；硫酸鎂溶液由七水硫酸鎂（ MgSO4·7H2O）和一定量鹵粒（MgCl2·6H2O）混合于水形成［5］。試驗設(shè)備為WDW-1000H微機控制電子萬能試驗機，其精度級別為1，規(guī)格為100 kN，加載速度為0.3 MPa/s。

1.2 試驗方法

1.2.1 聚苯顆?；炷林苽浞椒?/p>

為分析不同摻量的聚苯顆粒對混凝土性能的影響，研究參考文獻［6］混凝土的最佳配比為水∶水泥∶硅灰∶減水劑=1.9∶3∶0.75∶0.018 75，并向其摻入體積分數(shù)分別為28.5%、33.3%、35.3%、41.6%、47.1%、50%、52.6%的聚苯顆粒，研究聚苯顆?；炷恋目箟簭姸刃阅堋ⅵ?ε曲線及彈性模量。制備不同摻量的聚苯顆粒混凝土?xí)r，不同的材料含量如表3所示。

基于表3所示材料，分別采用100 mm×100 mm×100 mm、150 mm×150 mm×550 mm、100 mm×100 mm×300 mm的試模制備聚苯顆?；炷猎嚰?，并在20 ℃的養(yǎng)護箱中養(yǎng)護到定齡期取出［7］。其中，100 mm×100 mm×100mm規(guī)格的試件用于測試抗壓強度，150 mm×150 mm×550 mm規(guī)格的試件用于測試抗折強度，100 mm×100 mm×300 mm規(guī)格的試件用于測試應(yīng)力應(yīng)變（σ-ε）曲線及彈性模量的測試。其中，σ-ε曲線及彈性模量的測試在萬能試驗機上進行，并以0.5 mm/min的位移方式進行加載。

抗壓強度（fcu）和抗折強度（f）的計算方法［8-9］：

fcu=Nu/A

（1）

f=PLbh2

（2）

式中：Nu表示試件破壞荷載；A表示試件受壓面積；P表示試件破壞荷載；L=450 mm表示支撐試件圓柱中心距離；b=h=150 mm，分別表示試件斷面寬度和高度。

σ-ε曲線中σ和ε可通過式（2）和式（3）計算［10］：

σ=Fa2

（2）

ε=uL

（3）

式中：F表示加載力；a表示截面尺寸；u表示加載位移；L表示試件高度。

1.2.2 纖維面板制備方法

為分析不同摻量的纖維對面板性能的影響，研究參考文獻［11］面板的最佳配比為氧化鎂∶硫酸鎂溶液=1∶1制備面板，并向其中摻入體積分數(shù)分別為0%、0.5%、1.0%、2.0%的纖維，研究纖維面板的抗壓強度和拉伸性能。制備不同摻量的纖維面板時，不同材料的含量如表4所示。

基于表4所示材料，分別采用40 mm×40 mm×40 mm和400 mm×200 mm×5 mm的試模制備不同纖維含量的面板，并在20℃的養(yǎng)護箱中養(yǎng)護到定齡期取出。采用萬能試驗機對40 mm×40 mm×40 mm的試件進行抗壓強度測試，對400 mm×200 mm×5 mm的試件進行拉伸性能測試。其中，抗壓強度σ的計算方法：

σ=PcS

（5）

式中：Pc為破壞荷載；S為受壓面積。

考慮到纖維面板是薄板，為避免集中應(yīng)力的影響，將用于拉伸測試的試件進行了加工，處理為啞鈴形狀，其幾何尺寸如圖1所示［

12-13］。

1.2.3 組合墻板制備方法

根據(jù)實際墻板規(guī)格，本次實驗設(shè)置所制備的聚苯顆?；炷梁屠w維面板組合墻板的尺寸為1 200 mm長、100 mm寬、100 mm厚。為分析不同組合墻板的性能，試驗制備了4種不同組合的墻板試件，具體組合如表5所示，并進行受彎性能分析試驗。將試件放置于70 mm高的2個鋼滾軸上，其中一端固定，另一端可移動，通過千斤頂分配鋼梁荷載到試件頂部［14］。最后，在鋼梁1/4、1/2、3/4的位置放置位移計測量撓度變化。

2 結(jié)果與分析

2.1 聚苯顆粒混凝土性能試驗結(jié)果與分析

2.1.1 抗壓、抗折強度結(jié)果分析

表6為不同摻量的聚苯顆粒混凝土抗壓、抗折強度試驗結(jié)果。

由表6可知，隨著聚苯顆粒體積分數(shù)的增加，聚苯顆?；炷恋目箟簭姸戎饾u下降，且下降趨勢逐漸加劇。隨著聚苯顆粒體積分數(shù)的增加，混凝土的抗折強度逐漸減小，且整個過程中試件未出現(xiàn)撓曲變形。

2.1.2 σ-ε曲線結(jié)果分析

圖2為不同摻量的聚苯顆?；炷恋摩?ε曲線。

由圖2可知，不同體積分數(shù)摻量的聚苯顆粒混凝土σ-ε曲線不同，隨著聚苯顆粒摻量的增加，混凝土應(yīng)力強度快速降低，且由脆性材料轉(zhuǎn)化為理想塑性材料；當(dāng)聚苯顆粒體積分數(shù)為47.1%、50%、52.6%時，聚苯顆?；炷恋摩?ε曲線不存在明顯屈服點，且試驗過程中可觀察到聚苯顆?；炷林饾u被壓密。綜合來看，聚苯顆?；炷恋摩?ε曲線可分為彈性上升、應(yīng)力下降、應(yīng)力穩(wěn)定3個階段。在彈性上升階段，σ-ε曲線基本保持直線，說明混凝土的彈性變形較好；當(dāng)聚苯顆粒體積分數(shù)為28.5%時，混凝土的彈性極限為0.01，強度為10.88 MPa；當(dāng)聚苯顆粒體積分數(shù)為52.6%時，混凝土的彈性極限為0.025，強度為1.73 MPa，說明聚苯顆粒摻量對聚苯顆粒混凝土的性能影響較大。在應(yīng)力下降階段，當(dāng)聚苯顆粒摻量較少時，應(yīng)力達到極限強度后短暫下降，此時聚苯顆粒周圍孔壁遭到破壞，導(dǎo)致試件表面形成裂縫。隨著聚苯顆粒摻量增加，下降段基本消失。在應(yīng)力穩(wěn)定階段，聚苯顆?；炷翍?yīng)變持續(xù)增加，應(yīng)力基本達到穩(wěn)定，此時具備較大的塑性變形能力。當(dāng)應(yīng)變達到極限值0.2時，聚苯顆?；炷寥跃邆涑休d能力。

2.1.2 彈性模量結(jié)果分析

彈性模量反映了應(yīng)力與應(yīng)變之間的相對關(guān)系［15-19］。通過擬合聚苯顆?；炷力?ε曲線，可得到表7所示不同摻量的聚苯顆粒混凝土的彈性模量。

由表7可知，不同摻量的聚苯顆?；炷恋膹椥阅Ａ恐到橛?5～1 520 MPa，相較于普通混凝土的彈性模量值更小。這說明聚苯顆?；炷辆哂休^大的變形能力，可有效延長結(jié)構(gòu)的自振周期，表現(xiàn)出良好的減震作用。

2.2 纖維面板性能試驗結(jié)果與分析

2.2.1 抗壓強度結(jié)果分析

表8為不同纖維摻量的纖維面板抗壓強度試驗結(jié)果。

由表8可知，不同纖維含量的面板極限抗壓強度差距較小，說明纖維含量對面板的抗壓強度影響較小。試驗過程中，當(dāng)應(yīng)力達到頂峰時，試件出現(xiàn)裂縫。此時若纖維摻量為0%，試件裂縫擴展速度較快并失去承載力，而隨著纖維摻量的增加，裂縫擴展速度明顯變慢，說明纖維摻量對面板的承載力峰值變化具有較大影響。

2.2.2 拉伸試驗結(jié)果分析

圖1為不同纖維摻量的纖維面板受拉σ-ε曲線。

由圖1可知，當(dāng)纖維摻量為0%時，應(yīng)力與壓力變化線性增長，抗拉強度約為2.6 MPa，此時加大拉力，試件脆性斷裂；當(dāng)纖維摻量為2.0%時，應(yīng)力與壓力曲線先上升后下降，當(dāng)拉力達到極限時，面板不會脆性斷裂，而是出現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象。說明纖維的加入有效改善了面板的脆性特性。

2.3 組合墻體受彎試驗結(jié)果與分析

圖4為不同組合墻體受彎試驗的試件荷載和位移變化曲線。

由圖4可知，組合1試件的抗彎性能約為0.9 kN，當(dāng)荷載超過0.9 kN后，試件底部開裂，承載力突降，表現(xiàn)出強烈的脆性破壞；組合2試件的承載力達到峰值后下降到峰值的55%出現(xiàn)短暫變形破壞；組合3試件的承載力達到峰值后，下降到峰值的60%左右區(qū)域穩(wěn)定，且在穩(wěn)定階段具有一定的變形能力；組合4試件的承載力達到峰值后可保持承載峰值的90%應(yīng)力，變形位移達到12 mm，具有較強的變形能力。

2.3 基于BIM的組合墻體安裝

通過上述試驗可知，組合4具有良好的抗彎性能，因此采用組合4作為組合墻體，并利用BIM技術(shù)指導(dǎo)墻體應(yīng)用安裝?；贐IM技術(shù)的強大建模功能，設(shè)計組合4墻體、具體細部模型，如圖2所示。通過BIM技術(shù)，可關(guān)聯(lián)實現(xiàn)墻體安裝工程項目工程量的精確統(tǒng)計和計算，并根據(jù)統(tǒng)計和計算結(jié)果指導(dǎo)工程計量，進而實現(xiàn)工程人員間的信息共享以及自動化安排生產(chǎn)計劃。

3 結(jié)語

（1）當(dāng)水、水泥、硅灰、減水劑配比為1.9∶3∶0.75∶0.018 75時，分別摻入28.5%、33.3%、35.3%、41.6%、47.1%、50%、52.6%不同體積分數(shù)的聚苯顆粒，制備得到的聚苯顆粒混凝土其抗壓強度介于1.73～10.88 MPa，彈性模量介于85～1 520 MPa，滿足工程需要；

（2）聚苯顆?；炷力?ε曲線主要分為彈性上升、應(yīng)變下降、應(yīng)力穩(wěn)定3個階段。在應(yīng)力穩(wěn)定階段，當(dāng)應(yīng)變達到極限值0.2時，聚苯顆?；炷寥跃邆涑休d能力；

（3）當(dāng)氧化鎂、硫酸鎂溶液配比為1∶1時，摻入體積分數(shù)分別為0%、0.5%、1.0%、2.0%的PVA纖維，制備得到的纖維面板抗壓強度差距較小，但其抗拉強度明顯不同。隨著纖維摻量的增加，纖維面板的抗拉強度逐漸增強，有效改善了纖維面板的脆性；

（4）采用聚苯顆粒體積分數(shù)為41.6%的聚苯顆?；炷梁屠w維體積為2%的纖維面板組合的墻體，表現(xiàn)出波動性變化；

（5）基于BIM技術(shù)可實現(xiàn)組合墻體整體安裝、細化排版設(shè)計，以及安裝工程項目的工程量精確統(tǒng)計和計算，進而實現(xiàn)工程人員間的信息共享以及自動化安排生產(chǎn)計劃，具有一定的實際應(yīng)用價值。

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收稿日期：2023-10-16；修回日期：2024-01-18

作者簡介：劉 洋（1980-），男，碩士，高級工程師，研究方向：工程項目與工程技術(shù)管理;E-mail：

815525252@qq.com。

引文格式：劉 洋，王官慶，榮彥召，等.

基于BIM技術(shù)的組合墻體抗壓力學(xué)性能測試研究

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