BIM技術在水工混凝土鋼筋結構開發中的應用

馬晉陽,焦宏濤,惠英妮

(陜西凝遠新材料科技股份有限公司,陜西 咸陽 712034)

0 引 言

水工混凝土鋼筋結構開發是一種基于混凝土和鋼筋的組合結構,它具有良好的強度和耐久性,適用于水利水電工程等領域[1]。目前,水工混凝土鋼筋結構開發主要集中在材料、技術、設計和施工等方面,而結構開發的關鍵在于如何確保結構的穩定性、安全性和可靠性。目前,水工混凝土鋼筋結構面臨的主要問題有材料老化和破壞、結構穩定性、耐久性、安全維護等[2-3]。

隨著現代建筑技術的不斷發展,建筑信息模型(Building Information Model,BIM)技術在建筑行業中的應用越來越廣泛。BIM技術通過對建筑工程的三維數字模型進行模擬和優化,可以有效提高建筑工程的質量和效率。在水工混凝土鋼筋結構開發中,BIM技術的應用可以幫助設計、施工人員更好地理解水工混凝土鋼筋結構的設計和施工要求,提高工程質量和效率[4-5]。因此,研究BIM技術在水工混凝土鋼筋結構開發中的應用具有重要的現實意義。

本文基于水工混凝土鋼筋目前存在的難檢測和維護等問題,構建基于BIM技術的水工混凝土鋼筋結構檢測模型,以期為水工混凝土鋼筋結構的開發提供參考與借鑒。

1 基于BIM技術的水工混凝土鋼筋結構開發模型構建

1.1 基于BIM技術的水工混凝土鋼筋結構設計與開發

建筑信息模型有助于更好地進行建筑設計和施工管理。BIM技術利用計算機輔助設計軟件,對建筑工程進行三維建模、模擬和優化,從而提高建筑工程的效率、質量和安全性[6]。BIM技術的應用非常廣泛,可以用于建筑設計、施工方案制定、設備選型、能源利用等多個方面。

在水工混凝土鋼筋結構開發方面,BIM技術有助于更好地進行水工混凝土鋼筋結構的設計和開發。首先,BIM技術可以對水工混凝土鋼筋結構進行三維建模,模擬水工混凝土鋼筋結構的布局、強度、穩定性等方面的要求,以便更好地進行設計優化[7]。通過對水工混凝土鋼筋結構的模擬,可以更準確地了解結構的受力情況,為結構的設計提供更加科學的依據。其次,BIM技術有助于進行鋼筋構件的預制和組裝,從而更快速、更準確地完成鋼筋構件的制作和安裝工作。這不僅可以提高鋼筋構件的制作效率,還可以降低鋼筋構件的制造成本。此外,BIM技術還可以進行水工混凝土鋼筋結構的碰撞檢測,從而發現結構中可能存在的碰撞問題,及時進行調整和修改,確保結構的安全[8]。BIM的概念圖見圖1。

圖1 BIM的概念圖

圖2 BIM反向設計翻模到BIM正向設計

BIM技術包括正向設計和反向設計。在正向設計中,BIM技術有助于更好地理解建筑的實際需求和功能,從而更加高效、高質量地完成設計任務,為設計提供更加科學的依據。此外,正向設計還有助于更好地協調各部門的工作,更好地進行專業分工,提高設計效率和質量。總的來說,BIM技術的正向設計有助于更好地理解建筑的實際需求和功能,為設計提供更加科學、準確、專業和高效的依據。因此,在BIM技術中正向設計是一種非常重要的技術手段。

反向設計是指從已有的建筑信息模型中提取有用的信息,并將其應用到新的建筑設計中,以實現新的建筑設計。在BIM技術中,反向設計有助于更好地理解建筑的實際需求和功能,從而更好地進行設計。通過反向設計,可以獲取建筑的詳細信息,如建筑面積、空間布局、結構分布等。反向設計還有助于了解建筑的運行狀況和維護要求,從而更好地進行維護和管理,獲得更準確、更全面的建筑信息。此外,反向設計還有助于更好地協調各部門的工作,提高設計效率和質量[9-11]。總的來說,BIM技術的反向設計有助于更好地理解建筑的需求和功能,從而更加高效、高質量地完成工作。

BIM的最終目標就是為了讓BIM能夠更好地進行正向設計。傳統的BIM方法是由不同專業的設計人員進行二維平面圖的繪制,然后由專門的BIM小組對其進行三維建模,并對其進行碰撞檢測、日照分析、能耗模擬、火災模擬、人員疏散分析,并將分析結果反饋給設計人員[12-13]。而BIM正向設計要求設計人員在一開始就以BIM的3D模型為基礎,這樣可以減少協調的次數,提高工作效率。

1.2 基于BIM技術的水工混凝土鋼筋結構檢測模型構建

隨著城市化進程的加快和水利水電工程的大規模建設,水工混凝土鋼筋結構已經成為建筑行業中的重要組成部分。然而,水工混凝土鋼筋結構在實際應用中存在著一些問題,如結構設計不合理、施工質量不高等[14-15]。為了解決這些問題,研究提出一種基于BIM技術的水工混凝土鋼筋結構檢測模型。

首先基于BIM技術,對水工混凝土鋼筋結構進行三維建模,通過模擬結構的受力情況,了解結構的實際需求。在設計階段,可以通過三維建模來評估水工混凝土鋼筋結構的可行性和可靠性,避免出現不必要的設計缺陷。在施工階段,可以通過三維建模來評估水工混凝土鋼筋結構的施工進度和質量,更好地協調施工資源,避免工程事故。此外,基于BIM技術的水工混凝土鋼筋結構優化,還有助于更好地理解和應對設計過程中出現的問題,提高設計質量和效率。

將BIM技術與水工混凝土鋼筋結構檢測相結合,構建基于BIM技術的水工混凝土鋼筋結構檢測方法,可有效提高檢測效率。模型能夠將鋼筋檢測點信息(位置、類型、數量、尺寸等)集成至BIM模型中,利用模型對水工混凝土鋼筋結構的混凝土碳化深度和鋼筋銹蝕程度等進行檢測,分析水工混凝土鋼筋的碳化深度和銹蝕程度;對鋼筋保護層厚度進行檢測。其中,鋼筋碳化是指混凝土中的氫氧化鈣向鋼筋表面擴散,并與鋼筋表面的鈣離子結合,形成碳酸鈣,從而降低了鋼筋的抗銹蝕能力,影響了混凝土結構的耐久性[16-17]。見圖3。

圖3 混凝土鋼筋腐蝕檢測技術流程

《混凝土結構耐久性評定標準》(CECS 220-2007)將腐蝕速率下限設定為5%。當鋼筋銹蝕率達到5%時,構件已經嚴重銹損,此時鋼筋的力學性能變化速率有一個拐點,鋼筋的名義極限強度和名義屈服強度迅速降低,而彈模下降的速率則趨于平穩。因此,該模型的下限也被確定為5%,相應的關系式如下:

(1)

式中:f(y,c)為腐蝕屈服強度;fy0為未腐蝕屈服強度;f(u,c)為腐蝕極限強度;fu0為未腐蝕極限強度;δ(s,c)為腐蝕伸長率;δs0為未腐蝕伸長率;ε(y,c)為腐蝕極限應變力;εy0為未腐蝕應變力;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,腐蝕產物會在混凝土中生成新的黏結界面,而這種黏結界面的力學性質與混凝土強度、保護層厚度和腐蝕鋼筋的厚度密切相關。在腐蝕初期,雖然腐蝕產物會破壞鋼筋和混凝土間的化學結合,但輕微的腐蝕膨脹會增加二者的機械咬合力,并且腐蝕產物和混凝土間的摩擦系數會增加,此時鋼筋和混凝土間的黏結強度會有所提高。而當銹蝕逐漸加深之后,增加的銹脹力將會破壞混凝土的保護層,這時鋼筋和混凝土之間的機械咬合力將會下降,而逐漸被稀釋的銹蝕產物與混凝土之間的摩擦系數也隨之降低,導致黏結強度隨著銹蝕率的增加而不斷下降。在此基礎上,研究腐蝕產物厚度、保護層厚度及抗張強度對黏結滑移的關系,公式如下:

τcu=βuτcu=K1K2K3τou

(2)

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

2 基于BIM技術的水工混凝土鋼筋結構開發模型的仿真分析

為了檢測水工混凝土鋼筋結構,研究采用仿真實驗,以模型為基礎,對鋼筋的腐蝕、模擬地震作用反應力和模擬風載作用反應力進行檢測,以驗證模型的仿真效果。研究利用GTJ-XSY型鋼筋腐蝕檢測儀,間隔0.3m,以全覆蓋形式,對部分可疑腐蝕區的距離為0.2m。在整個區域,共采集1 000個實測數據,并以-200～100mV為主,結果見圖4。

圖4 半電池電位測試值分布

由圖4可知,在整個測試區域內,電位值發生變化主要在-200～100mV。共檢測到923個電位大于-200mV,占檢測數量的92.30%,且鋼筋發生腐蝕的概率小于8.37%;檢測到28個電位在-200～-300mV之間,占檢測數量的2.80%,無法判斷此時鋼筋的腐蝕性狀;檢測到49個電位小于-300mV,占檢測數量的4.90%,此時鋼筋發生腐蝕的概率大于91.36%。表明在仿真實驗中,模型對鋼筋的分布和腐蝕情況有較高的預測能力。

為了驗證混凝土鋼筋的抗地震能力,研究模擬地震的作用反應力進行實驗,結果見圖5。

圖5 模擬地震作用反應力

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

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,隨著模擬地震的測試次數增加,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,表明模型對混凝土鋼筋剪力的預測能力。而且混凝土鋼筋的剪力越大,其抗震能力越強。

為了驗證混凝土鋼筋的風載反應力承受程度,研究模擬風載的作用反應力進行實驗,結果見圖7。

圖7 模擬風載反應力

由圖7(a)可知,隨著風載反應力測試次數增加,混凝土鋼筋的橫向反應力在明顯增加。其中,橫向反應力最大值32.81kN,橫向反應力的平均值21.09kN。由圖7(b)可知,混凝土鋼筋的縱向反應力也隨模擬風載反應力的次數增加而增大,縱向反應力最大值50.36kN,縱向反應力平均值41.25kN。由圖7(a)、圖7(b)對比可知,混凝土鋼筋在模擬風載作用反應力中,橫向反應力低于縱向反應力。這是因為縱向會承受更多的風載力,驗證了模型對混凝土鋼筋的風載作用反應力的預測能力。

圖8為混凝土鋼筋在模擬風載反應力作用情況下的剪力受力。

圖8 模擬風載剪力

由圖8(a)可知,隨著風載反應力測試次數增加,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載反應力的次數增加而增大,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)對比可知,混凝土鋼筋在模擬風載作用反應力中,橫向剪力低于縱向剪力,同樣是因為縱向會承受更多的風載力。

3 結 論

為了將BIM技術更好應用于水工混凝土鋼筋開發中,本文提出一種基于BIM技術的水工混凝土鋼筋檢測模型。利用鋼筋腐蝕檢測儀,對仿真實驗中鋼筋的腐蝕情況進行檢測,模擬地震和風載對水工混凝土鋼筋的影響。結果表明,基于BIM技術構建的檢測模型,對鋼筋腐蝕的檢測率達到90%以上,且能準確分析得出模擬地震和風載對橫向和縱向混凝土鋼筋的承受力,驗證了模型方法具有較高的準確率和可行性。