基于BIM技術的大壩碾壓混凝土施工質量安全監測

胡金勇

(江西省吉安市水利局，江西 吉安 343000)

大壩是截河攔水的堤堰，水庫、江河等的攔水大堤，按照建筑工程的應用需求，可以將大壩分為混凝土壩和土石壩兩類，大壩的類型根據壩址的自然條件、建筑材料、施工場地、導流、工期以及成本等綜合比較選定。在混凝土壩中常用到的原材料為碾壓混凝土，這種材料是一種干硬性貧水泥的混凝土，通過硅酸鹽水泥、火山灰質摻和料、水、外加劑、砂和分級控制的粗骨料的混合與攪拌，獲得無坍落度的干硬性混凝土[1]。與傳統的混凝土材料相比，碾壓混凝土材料采用與土石壩施工相同的運輸和鋪筑設備，用振動碾分層壓實，因而具有體積小、強度高、防滲性能好、壩身可溢流等特點，同時也具備施工程序簡單、快速的優點。

由于水利工程的不斷擴大和應用，其發展措施不斷完善，混凝土施工規模也逐漸擴大，在施工中通過振動和碾壓實的新型混凝土施工技術和施工措施，同時在施工的過程中對施工的質量與安全提出了更高的要求。碾壓混凝土是現階段水利工程壩體施工中的主要方式，采用合格的原材料加上先進的技術才能修建出合格的碾壓混凝土大壩工程。經歷長時間的發展大壩碾壓混凝土施工技術形成了由小變大，逐漸完善的演變趨勢，在漫長的實踐總結中獲得不斷的提高。然而受到諸多因素的影響，大壩碾壓混凝土工程在施工中存在工程與設計不符、裂縫、混凝土強度不均等質量問題，這些質量問題可能會威脅到大壩碾壓混凝土施工過程以及竣工結果的運行安全，為此提出了大壩碾壓混凝土施工質量安全監測。

現階段國內外先后提出了較為成熟的施工質量安全監測方法，其中典型的監測方法包括基于Bayes判別理論的質量安全監測方法、基于RFID技術的質量安全監測方法以及基于GPS定位技術的質量安全監測方法。然而現階段混凝土施工質量安全監測方法在運行的過程中存在監測時延長、監測范圍小等問題，為此引入了BIM技術[2]。BIM技術也就是建筑信息模式，以三維數字技術為基礎，集成了建筑工程項目中各種相關信息的工程數據模型，可以對工程項目設施實體與功能特性的數字化表達。BIM在建筑工程中的應用模式根據參與方的不同可以分為3種應用模式，分別為設計方驅動模式、施工方驅動模式也業主方驅動模式。結合大壩碾壓混凝土施工質量安全監測的設計需求，選擇BIM的合理應用模式，實現對大壩碾壓混凝土施工質量安全監測方法的優化設計，側面提升大壩碾壓混凝土施工的安全性和施工質量。

1 大壩碾壓混凝土施工質量安全監測方法設計

大壩碾壓混凝土施工質量和安全的有限管理必須以施工現場的實際數據為基礎，采集施工現場的質量安全監督、施工質量安全標準化、工程檢測、施工機械等信息，而傳統的檢測方法在信息的采集、傳輸、分析等方面尚缺乏有效的技術有段，且由于施工手段的落后以及信息收集工作量大，因此難以實現動態、實時的質量安全抽檢和全過程的實時跟蹤。以解決上述問題為大壩碾壓混凝土施工質量安全監測方法的優化設計目的，利用BIM技術，通過信息化技術的集成應用，在建設項目的施工階段，采集建設工程參與各方的管理和建筑構件等信息，以結構化的形式保存[3]。然后通過建立建筑信息模型提高信息的分析與整合效率，在模型的基礎上，根據可視化監測數據判斷當前大壩碾壓混凝土的施工質量以及安全性，及時預測和糾正施工與管理漏洞。此次施工質量安全監測方法大體分為施工階段和竣工驗收階段兩個部分進行具體的監測，通過整合得出最終的安全監測結果。另外在此次施工質量的研究中，主要針對大壩碾壓混凝土的滲透和抗壓強度兩個方面進行具體的安全監測工作，通過BIM技術的應用保證監測結果的可信度和準確性。

1.1 利用BIM建立大壩建筑信息模型

大壩建筑信息模型的建立可以實現大壩碾壓混凝土施工數據的可視化，從而提升監測結果的精度和運算速度[4]。利用BIM技術分別從大壩碾壓混凝土施工階段和竣工驗收兩個階段，進行建筑信息模型的建立，其中施工階段的模型搭建框架見表1。

表1 混凝土施工階段建筑信息模型實施框架

在實際的建筑信息模型構建過程中，首先利用無人機或衛星設備獲取大壩碾壓混凝土工程的初始數據，設置硬件數據采集設備的數據采集高度、橫向與縱向的重疊度等參數，實現硬件設備的全自動化執行任務和數據收集[5]。將采集獲取的數據安全不同的采集方位放入不同的文件中，分別計算數據的內方位元素、外方位元素以及畸變系數，實現對初始數據的校正處理。將校正完成的數據導入到BIM軟件當中，便可以直接輸出對應的建筑信息數據模型，通過多個施工構件的組合，得出大壩碾壓混凝土施工工程的建筑信息模型構建結果。

1.2 設置碾壓混凝土施工質量安全標準

大壩碾壓混凝土施工質量安全標準的設置是為施工質量安全監測提供一個數據標準，實時監測出的質量安全數據可以與設置的安全標準做比對，便可以更加快速的判斷當前混凝土工程是夠存在質量或安全問題[6]。大壩碾壓混凝土施工質量安全標準的具體設置情況見表2。

表2 大壩碾壓混凝土施工質量安全標準

表2中VC值表示的是拌合物稠度值。另外可以針對不同的參數值設置不同的施工質量安全等級，并根據施工質量安全監測結果的等級，制定對應的預警與維護方案[7]。

1.3 分析大壩碾壓混凝土施工過程

大壩碾壓混凝土工程的施工過程如圖1所示，根據實際工程和施工條件，以及設計要求的技術指標，選定合適的施工設備以及參數控制范圍，保證強度等基本條件。

圖1 大壩碾壓混凝土施工工藝流程圖

在執行圖1中的施工工藝之前，首先要經歷施工的準備階段，在準備階段需要確定碾壓混凝土原材料的配合比、計算原材料的各項力學指標[8]。根據《混凝土泵送施工技術規程》的規定，碾壓混凝土的出口壓力必須為出口處垂直靜壓強和各類壓力損失之和，即滿足如下關系式：

P=P1+P2+P3

(1)

式中，P1、P2、P3—出口位置的靜壓力、施工過程中混凝土泵管和鋼拱拱內構造的壓力損失。結合碾壓混凝土原材料的物理性質，即伸長量參數來確定施工過程中使用的預應力[9]。假設大壩碾壓混凝土施工工程的實際伸長量與推算值誤差不超過6%，原材料張拉伸長量的計算公式為：

(2)

式中，PP、EP—平均張拉力和彈性模量。

PP參數的計算表達式為：

(3)

式中，x—張拉端到計算截面之間的管道長度；μ—預應力作用下的摩擦系數；θ—從張拉端到計算截面曲線管道部分的切線夾角和。經過反向推導便可以得出大壩碾壓混凝土施工的預應力，計算公式為：

(4)

同理可以計算得出大壩碾壓混凝土施工工藝在執行過程中所涉及的各個參數的具體取值，并將其作為施工質量安全監測指標[10]。

1.4 大壩碾壓混凝土施工力學分析

大壩碾壓混凝土施工除了自身的結構重力之外，還有扣除收縮應力、剩余彈性應力以及徐變力等外力的施加，因此需要對大壩碾壓混凝土施工工程進行力學分析[11]。一般來講混凝土施工層面的抗剪強度可以用公式(5)計算：

τ=c+σtanφ

(5)

式中，c—黏結強度；t—時間；g—重力加速度；σ、φ—正應力和內摩擦角。碾壓混凝土的收縮應力一般表達式為收縮終值與時間函數的成績，在常應力作用下，t時刻引起的徐變應變公式如下：

(6)

式中，f(τ)—常應力；φ(t，τ)—徐變系數函數[12]。由此便可以得出大壩碾壓混凝土施工單元e應力與應變的關系如圖2所示。

圖2 碾壓混凝土施工應力與時間的關系圖

圖2中T為絕對時間，Te為施工單位e形成的時間，t表示的是相對時間。

1.5 動態計算碾壓混凝土施工質量安全監測參數

結合大壩碾壓混凝土施工力學的分析結果，可以確定工程施工質量安全監測參數，并綜合施工質量安全的影響因素以及實時變化情況進行動態計算。在BIM建筑信息模型下收集施工實時數據，經過整合得出大壩施工質量安全監測目標函數，即：

F=Opt(g(C，I，T))

(7)

式中，g(·)—監測方法與手段；C、I、T—碾壓混凝土倉面的施工參數指標集合、質量指標集合和安全指標集合[13]。各個指標集合中包含碾壓機械激振力、碾壓遍數、碾壓行進方向、混凝土VC值、 澆筑溫度、碾壓混凝土壓實度等參數?？紤]到施工現場的流水作業要求，施工質量安全監測各個單元的啟動與停止、循環的狀態由其單元運行歷時決定，因此可以得出施工質量安全動態實時監測狀態的轉移方程為：

(8)

式中，H—施工高程；We—施工結束時間；ΔW—大壩碾壓混凝土施工歷時時間；i—澆筑壩段；j—質量安全監測單元[14]。

1.6 大壩碾壓混凝土施工安全預警

將動態計算得出的大壩碾壓混凝土施工質量安全監測結果，與設置的碾壓混凝土施工質量安全標準作比對，確定當前的施工安全等級，并執行對應的預警程序[15]。

2 對比實驗分析

為了測試設計基于BIM技術的大壩碾壓混凝土施工質量安全監測方法在實際施工項目工程中的應用價值，設計對比實驗。將設計的施工質量安全監測方法應用到實際的施工項目工程當中，得出監測結果并與對比監測方法的輸出結果作對比，從而驗證設計監測方法的應用性能。

2.1 實驗大壩碾壓混凝土工程背景

此次選擇的大壩碾壓混凝土工程為某市郊區為水庫修建的大壩，該大壩采用中承式鋼管混凝土結構，并將大壩修葺成拱壩的形狀結構，大壩碾壓混凝土工程跨徑布置為22+80+22m。大壩上部結構由拱肋、立柱、橫撐等多個部分組成，上拱肋為矩形斷面，鋼箱內填充混凝土，下拱肋為鋼箱外包碾壓混凝土。為了保證施工工程的質量以及實驗的可操作性，確定大壩施工工程的類型為中厚單曲拱壩。實驗中大壩碾壓混凝土工程原來的配合比見表3。

表3 大壩碾壓混凝土工程原材料配合比

2.2 統計碾壓混凝土施工工程數據

在準備的實驗施工工程背景下，通過調取工程項目數據得出工程施工的基本數據，需要調取的數據包括施工進度數據、工程量數據以及基本的項目工程計劃數據等。其中統計得出的大壩碾壓混凝土施工工程量結果如圖3所示。

圖3 大壩碾壓混凝土施工工程量統計數據

2.3 配置BIM技術運行環境參數

在實驗環境的主測計算機上下載安裝bim revit軟件，根據啟動程序的提示完成對關鍵運行環境的配置。設置BIM的初始值為默認值，環境背景為黑色。接著將大壩碾壓混凝土的相關施工數據代入到BIM軟件當中，得出對應的施工現場建筑信息模型如圖4所示。

圖4 實驗施工現場的建筑信息模型

為了保證BIM構建的信息模型數據的精準度，將大壩碾壓混凝土施工工程的構建信息導入到實驗環境中，如圖5所示。

圖5 BIM運行環境下導入建筑構件信息

通過建筑構建信息的引入可以實現對施工模型精度的校正和調整。

2.4 施工質量安全監測方法測試過程

將設計的基于BIM技術的大壩碾壓混凝土施工質量安全監測方法導入到主測計算機中，經過調試保證監測方法可以順利運行，并得出如圖6所示的施工質量安全監測界面。

圖6 施工質量安全監測界面

為了形成對比，在實驗中分別采用傳統的施工質量安全監測方法和文獻[5]中提出的大壩碾壓混凝土施工質量監控方法，其中傳統的監測方法主要利用安裝在施工現場的攝像機和傳感器設備，通過對實時采集的數據分析，確定當前施工的狀態以及質量安全情況。文獻[5]中提出的監測方法是在硬件支持的情況下，利用三維掃描技術提升了監測結果的精度。將兩種對比方法以相同的操作步驟導入到實驗環境中，并得出對應的監測界面。在實際的運行過程中，3種方法均可以調用大壩碾壓混凝土施工數據，但兩種對比方法與BIM軟件之間未形成鏈接。

2.5 施工質量安全監測方法測試結果對比

通過3種施工質量安全監測方法的運行，分別得出了大壩碾壓混凝土施工工程中施工壓實厚度、實時施工溫度等監測指標數據結果。結合此次監測方法的優化設計目的，設置監測方法測試性能指標為監測結果的誤差值，利用BIM軟件設置實驗項目數值，并與施工質量的安全監測結果進行對比，便可以得出有關于監測精度的測試對比結果見表4。

從表4中可以看出施工質量的安全等級被劃分成五個部分，一級至五級具體的形變量區間分別為：[35，∞]，[25，35]，[15，25]，[10，15]和[-∞，10]。將不同監測方法輸出的結果與設置數據對比，分別得出對應的平均監測誤差，其中傳統方法與文獻[5]提出監測方法的平均誤差分別為1.82mm和1.3mm，而設計施工質量安全監測方法的平均誤差為0.36mm。由此可見設計監測方法的檢測誤差明顯低于對比方法，即基于BIM技術的大壩碾壓混凝土施工質量安全監測的監測精度更高。

表4 施工質量安全監測精度對比數據

3 結語

通過基于BIM技術的大壩碾壓混凝土施工質量安全監測與傳統監測技術的誤差對比分析，前者的監測精度低于傳統方法一個數量級，故本文認為該技術較好地完成了案例的監測工作。由于該技術尚處于探索研究階段，對于是否能夠全面適應各種不同類型的大壩碾壓混凝土還需進行大量的工程性驗證。與此同時，除了大壩以外的其他水利工程所包含的水工構筑物也涉及大量混凝土施工環節，因此將該技術推廣應用至其他水工領域也對提高我國水利工程施工質量起到積極的作用。