基于BIM 技術的鋼筋混凝土橋梁結構耐久性研究

河南省交通科學技術研究院有限公司/李曉洋

引言

鋼筋混凝土建筑結構的安全性和可靠性對于建筑工程的整體質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，不能只注重橋梁結構的強度，更要重視其耐久性，保障鋼筋混凝土橋梁結構的全壽命周期。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 技術對橋梁結構耐久性進行研究，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技術及其建模方法

BIM 技術指的是建筑信息模型技術，其技術應用本質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、數字化形式直觀呈現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構之間的關系，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 技術也能夠實現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 技術的建模過程需要綜合應用多種技術，如計算機軟件、建筑工程信息系統等，同時也會集成多項技術功能，包括對建筑工程的建模，對相應數據庫的設立，對軟件系統的開發等，在這些技術與功能的協同支持下完成對建筑結構屬性信息、屬性關系的轉換和控制，為建筑工程管理者和信息使用者提供技術上的便利，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，并獲取相應的結構屬性參數，全部存放到建模對象中，構建與建筑實體相一致的結構模型，然后通過函數設定將各個結構部分完成連接，反映其對應的實際功能行為，這樣就可以根據所建模型來分析建筑結構的實際施工情況和受力關系情況，由此還能夠發現建筑結構設計中存在的問題并通過調整參數使其達到建造標準要求，提升建筑結構的安全性和可靠性。

鋼筋混凝土結構是當前建筑施工中應用最廣泛的結構類型，在結構強度方面已經有了諸多技術的支持，而對于結構耐久性的關注還相對較少。對于鋼筋混凝土橋梁結構而言，若忽視其耐久性則會直接對結構的使用壽命產生影響，也威脅橋梁結構的安全質量。因此，在鋼筋混凝土結橋梁結構建造過程中應進一步加強對耐久性的重視，通過對BIM 技術的應用進行結構的耐久性評價，從內外部因素綜合考慮，評估測定橋梁結構是否需要維護加固，并掌握其耐久性等級，作為優化結構設計、調整結構施工等建造環節的依據，為鋼筋混凝土橋梁結構的高質量建造提供保障。

二、鋼筋混凝土橋梁結構耐久性影響因素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構建造的全過程，包括設計環節、施工環節以及后續維護等階段，對于影響因子的判斷則需根據不同階段的信息要求為依據，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，方便結構耐久性評測。

（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構的強度，以其初始LOD100 參數為基礎，從破壞機理、水狀態、指數方面實施分層，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構組織變化，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部結構中被外部環境中的硫酸鹽侵入，產生了化學反應，而其反應產物具有膨脹性，隨著不斷擴張而造成結構破壞。從侵蝕劣化機理、評價指標方面實施分層，LOD100為硫酸鹽侵蝕相關參數，LOD200 為侵蝕劣化模型分層，LOD300 為硫酸鹽侵蝕評價指標分層。

（二）構件層次

構件層次研究的重點在于結構構件力學性能分析，混凝土銹脹開裂根據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參數，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性能根據鋼筋與混凝土粘結力的變化、應力變形實施分層，LOD100 為鋼筋和混凝土的相關銹蝕參數，LOD200 為銹蝕鋼筋和混凝土粘結滑移本構模型分層，LOD300 為銹蝕粘結滑移影響指標分層。構件承載力在力學理論上根據鋼筋直徑、鋼筋銹蝕率等進行分層，LOD100 構件承載力相關參數，LOD200 為銹蝕構件裂縫、形狀變化分層，LOD300為鋼筋銹蝕率變化分層。

（三）結構層次

結構層次根據兩個角度進行分層，包括耐久性設計與已使用混凝土結構耐久性評價及其壽命周期測定，其LOD100 為相關參數，LOD300 為結合結構建造所處環境明確設計壽命分層，LOD400為結合相關計算與構造措施設計耐久性分層，LOD500為耐久性評估分層，包含檢測結果、檢測損傷信息、數理統計、可靠性理論幾個方面。將LOD 分層輸入橋梁結構管理信息模型中，依照其數字化轉換結果和對比情況掌握鋼筋混凝土橋梁結構的耐久性影響因素與實際情況。

（四）環境層次

環境因地域不同而存在一定差異，對于環境層次的分析則需考慮到其地域特征，通常而言濕度是環境層次的關鍵作用元素，因而LOD 分層從大氣環境、工業環境、海洋環境等方面研究。大氣環境以一般大氣環境為準，當鋼筋混凝土的表層發生碳化之后，大氣環境中所含有的水分與氧氣對其發生侵蝕作用，導致鋼筋生銹。工業環境中一般會排放大量的二氧化碳、氯離子以及廢水等，對鋼筋混凝土結構也存在侵蝕影響。而海洋環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，容易對橋梁結構形成腐蝕，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構的耐久性。

三、強化鋼筋混凝土橋梁結構耐久性的對策

（一）確保鋼筋混凝土結構保護層的厚度

強化鋼筋混凝土橋梁結構耐久性要求保證鋼筋混凝土結構保護層的厚度，以此提高其內外部的密實度，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，據實際情況而定進行厚度的調整，減少腐蝕物質的大量侵入。

（二）合理選擇標準規格性能混凝土

強化鋼筋混凝土橋梁結構耐久性要求合理選擇標準規格與性能的混凝土，確保鋼筋混凝土的強度和使用質量，也保證其混凝土的密實度。根據橋梁工程建筑施工需要購入合規的混凝土，妥善存放并規劃管理。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，降低環境對結構的不良影響，延長其全壽命周期。

（三）注意防范鋼筋混凝土發生龜裂

近海洋環境下，離子物質含量較高，加上濕潤度較高，其擴散滲透力度強，能夠直接由已經發生龜裂情況的鋼筋混凝土位置侵入內部結構，短時間造成嚴重侵蝕，因而需調整鋼筋直徑大小的選擇，控制混凝土內部收縮力，增加保護層的厚度，防止龜裂現象發生。

四、結語

綜上所述，鋼筋混凝土橋梁結構的耐久性是影響橋梁建造質量的關鍵因素，在橋梁工程建造中需重視耐久性的加固和維護。而在強化橋梁結構耐久性之前應準確完整把握其影響因素，利用BIM 技術構建結構模型，借助數字化技術和功能分析評測材料、構件、結構和環境等影響因子，直觀且精準的發現可能存在的結構風險，從而采取有效措施加以應對，切實提升鋼筋混凝土橋梁結構的安全性與可靠性，保障橋梁結構的整體質量，有力推動建筑工程的現代化發展。