基于BIM技术的建筑混凝土结构安全性设计的现存问题与对策研究

2020-12-25王翔

工程建设与设计 2020年23期

王翔

（武汉市政工程设计研究院有限责任公司，武汉430015）

1 引言

建筑领域不断发展的同时，每一年的安全事故比例也在随之增加，面对这样严峻的形势，必须应用先进的结构设计理念来缓解这个局面。BIM技术的出现为结构安全性设计开辟了新的路径。但在实际的应用过程中，依然会存在一些薄弱环节，发生许多质量问题，必须引起高度重视。

2 BIM技术在结构安全性设计中的作用

BIM技术是一种跟随建筑生命周期的信息模型，能够随着建筑的发展形态不断变化，将BIM技术应用到建筑结构设计中可以让建筑过程中的项目形象变得更加直观，更利于对项目建设效果的掌握【1】。目前，BIM技术在建筑领域得到了一定程度的应用，拥有十分可观的发展前景。但是，在建筑结构设计环节上，BIM技术依然还有很高的上升空间，应用程度有待提高。利用BIM技术可以让施工人员直观感受到施工现场中存在的隐患，对现存的建筑结构风险进行预判，并在此基础上采取有效措施不断优化结构设计，进一步提升建筑整体的稳定性以及安全性。当前，BIM技术在结构安全性设计中的应用范围如图1所示。

图1 BIM技术的应用范围

3 遇到的问题

3.1 裂缝现象

在建筑工程中，结构裂纹是经常会遇到的现象，发生概率较高，裂缝问题一旦出现，很容易影响建筑的整体稳定性，存在安全隐患，对此必须要妥善解决。最近几年，在混凝土试验中已经得到了证实，那就是在尚未受荷状态下的混凝土，容易在结构中发生微裂纹。产生裂纹的原因有很多，其表现形式也各种各样，例如，黏结裂缝（容易发生在骨料和水泥面之间）、水泥裂纹、骨料裂缝等。由于裂缝形成机理的不同，所以，首先需要了解裂缝出现的原因以及破损程度，并在此基础上采取应对措施，提升建筑结构的稳定性。站在断裂损伤力学的角度，相关学者对断裂损伤有着科学的定义，从某种意义上来说，断裂损伤可以使材料的结构发生一定程度的变化，从而引起轻微形变，然后不断扩展和汇通，最终导致结构开始出现宏观性能的劣化，不仅影响建筑的功能性，还会造成宏观开裂和结构破坏，导致结构安全性受损。通常在这样的背景下，混凝土结构遭受破坏的演变过程就是从微裂纹的扩展开始，逐渐贯通才得以形成的。结合最新的混凝土微观相关研究结果可以看出，微裂纹扩展可以看作是材料破损的重要标志，与此同时，微裂纹的存在属于材料的天然物理性质，并不是后天造成的，因此，可以得出裂缝在实际的混凝土结构中具有很大的存在必然性，这给裂缝问题的控制带来了不小的难度。BIM技术在处理裂缝问题上具有较大优势，可以借助其信息管理能力，搭建以裂缝为核心的本体，对建筑构件和裂缝进行划分。结合筛选出的裂缝属性建立数据性质模型（用于描述实例），可以给信息的查询以及推导提供便利条件，最为先进的技术是利用SWRL语言编制系统规则，可以对储存完成的数据进行检索，并进行科学的推理和预判。这项技术在桥梁建筑中已得到了广泛应用。

3.2 结构计算与分析存在的问题

经济的发展以及科技的进步推动着建筑行业的蓬勃向上，目前建筑结构设计都是借助于先进的计算机软件来完成，用机器代替人工可以提升建筑结构设计的科学性以及精准性，确保建筑整体结构的稳定性以及耐用性，同时还可以满足当前社会对建筑结构设计的具体要求，实现良好的建筑功能分区。针对不同的建筑项目，软件应用效果存在着明显的差异，因此在实际设计阶段，需要结合真实情况，在掌握混凝土结构的基础上进行科学精准计算，将计算所得数据作为优化设计的参考和主要依据，从根本上确保建筑施工质量。

4 基于BIM技术的对策研究

4.1 将3D形式作为展示结构设计的主要方案

在初期的建筑结构规划阶段，就可以将BIM技术应用到其中，无论是在结构规划阶段，还是在设计完善阶段，利用BIM技术都可以进一步提高设计的质量与效率，确保结构设计的安全性与合理性，提升项目规划的实际效果。具体来说，就是在进行建筑项目规划时，相关的设计人员，包括土木工程师以及建筑设计师在内，应该全程参与设计，全面掌握建筑特征，并在分析特征的基础上结合相应的艺术表现形式，搭配结构力学知识，得出基于BIM的3D展示效果，更直观地了解项目具体内容，针对常见的裂缝等问题，掌握其发生机理以及具体位置，通过BIM技术在结构设计中的应用可以促进项目的自我完善。

关于建筑模型的构建需要以BIM作为核心技术，对建筑模型进行不断优化，基于BIM，可以让建模更加周密，与此同时，还需要密切关注初步设计工作，从而确保实际的结构设计效果，加强建筑结构建模的科学性，可以从以下3个方面入手。第一，完成BIM建筑模型的初始化加载。想要实现这一目标，首先需要了解项目的全部设计环节，掌握设计流程以及步骤，注重设计细节，实现设计阶段的精细化管理，明确建筑物基本构成组件和建设相关要求是关键，例如，具体施工方案、签订的合同内容、施工具体规划等，将上述要素作为结构模型构建的基础，确保结构建模的合理性。第二，对组件结构模型进行有效控制，综合考虑各方面的因素，确保组件结构模型的搭建可以满足建筑物功能属性以及艺术方面的客观要求【2】。第三，熟练使用Revit软件，利用该软件的可视化功能，完善图表的可见性（见图2）。想要达到这一目标，可以通过设计文件导入的形式来实现，将其导入结构模板中，可以让设计效果更加直观。

图2 Revit软件的操作界面

4.2 借助BIM技术可以实现抗震性能分析，提高建筑结构稳定性

对建筑结构采用必要的抗震分析是提升结构稳定性的关键，同时抗震分析也是必不可少的一项内容。在地震灾害频发的地区，该项内容更是非常关键。只有严格遵循国家的相关施工标准，才能确保建筑结构设计可以达到质量和安全2方面的要求。就目前的应用情况来看，BIM技术在分析结构抗震性能方面优势较为明显，借助Revit软件可以实现集成建筑模型的构建，完善结构几何以及分析模型，对建筑结构进行合理优化，使其可以达到结构抗震的各种基本需要。除此之外，Revit软件还具有强大的建模功能，利用该软件能够实现分析建筑结构的自动化以及设计尺寸计算的自动化，既可以节省人力、物力，又可以提高计算的精确度，降低人为失误的可能性。前文已经提到过，结构设计计算是结构安全性设计的重要内容，为了进一步确保计算结构的精确性，设计师在进行计算时，除了要掌握计算软件的基本特点之外，还要站在建筑功能性的角度对建筑设计全面了解，从施工实际情况入手，采用先进技术手段进行处理，确保工程建设的实际效果。

综上可以得出，为了进一步确保建筑结构的安全性以及稳定性，在结构设计环节可以通过BIM技术的应用，让设计效果更加直观，让设计人员有更加清晰的判断。在施工过程中，相关设计人员要明确建设的目标，掌握施工的具体要求，严格控制混凝土结构的相关参数，确保混凝土结构的强度可以满足实际施工要求，达到提高建筑结构稳定性以及安全性的最终目的。