基于BIM 技术的钢筋混凝土桥梁结构耐久性研究

河南省交通科学技术研究院有限公司/李晓洋

引言

钢筋混凝土建筑结构的安全性和可靠性对于建筑工程的整体质量水平有着直接性的影响，桥梁建筑是为社会提供便利出行的关键建筑体系，近几年随着国家基础设施建设的日益完善，桥梁建筑规模明显扩张，这一过程中提出了更高的建筑设计要求，不能只注重桥梁结构的强度，更要重视其耐久性，保障钢筋混凝土桥梁结构的全寿命周期。同时，建筑信息模型软件也在实践中不断完善，为建筑设计、建筑施工与建筑管理等提供有力支持，通过BIM 技术对桥梁结构耐久性进行研究，更全面把握影响耐久性的因素，而制定针对性防控对策。

一、BIM技术及其建模方法

BIM 技术指的是建筑信息模型技术，其技术应用本质是在计算机语言基础上对建筑工程实体进行建模，以信息化、数字化形式直观呈现建筑工程的所有属性信息，并反映建筑工程的工序、施工过程以及各个建筑结构之间的关系，为建筑工程的全面分析和梳理提供参考，也方便工程信息的应用处理。此外，BIM 技术也能够实现对建筑工程信息的完整储存，以及与其他施工主体的信息共享。

BIM 技术的建模过程需要综合应用多种技术，如计算机软件、建筑工程信息系统等，同时也会集成多项技术功能，包括对建筑工程的建模，对相应数据库的设立，对软件系统的开发等，在这些技术与功能的协同支持下完成对建筑结构属性信息、属性关系的转换和控制，为建筑工程管理者和信息使用者提供技术上的便利，满足其多种应用处理需求，且可以保障建筑工程信息管理的效率性与灵活性。BIM技术建模方法为先明确所建模目标对象，将建模对象的几何信息进行测定收集，并获取相应的结构属性参数，全部存放到建模对象中，构建与建筑实体相一致的结构模型，然后通过函数设定将各个结构部分完成连接，反映其对应的实际功能行为，这样就可以根据所建模型来分析建筑结构的实际施工情况和受力关系情况，由此还能够发现建筑结构设计中存在的问题并通过调整参数使其达到建造标准要求，提升建筑结构的安全性和可靠性。

钢筋混凝土结构是当前建筑施工中应用最广泛的结构类型，在结构强度方面已经有了诸多技术的支持，而对于结构耐久性的关注还相对较少。对于钢筋混凝土桥梁结构而言，若忽视其耐久性则会直接对结构的使用寿命产生影响，也威胁桥梁结构的安全质量。因此，在钢筋混凝土结桥梁结构建造过程中应进一步加强对耐久性的重视，通过对BIM 技术的应用进行结构的耐久性评价，从内外部因素综合考虑，评估测定桥梁结构是否需要维护加固，并掌握其耐久性等级，作为优化结构设计、调整结构施工等建造环节的依据，为钢筋混凝土桥梁结构的高质量建造提供保障。

二、钢筋混凝土桥梁结构耐久性影响因素LOD 分层

LOD用于划分BIM 模型深度，按照工程阶段通常将LOD 模型深度等级划分为五层，即LOD100、LOD200、LOD300、LOD400、LOD500，不同层次表示不同施工阶段的标准信息要求不同，等级越高则信息越多。耐久性的影响因素分析贯穿于桥梁结构建造的全过程，包括设计环节、施工环节以及后续维护等阶段，对于影响因子的判断则需根据不同阶段的信息要求为依据，因而对各个影响因素的LOD 分层进行研究，将研究信息存入相应的耐久性模型中，方便结构耐久性评测。

（一）材料层次

影响材料层次的因素较多，如冻融破坏、碳化作用、硫酸盐侵蚀、水渗透以及体积变形开裂等都是需要分析探究的关键点。冻融破坏是因气温梯度差异过大而直接破坏钢筋混凝土结构的强度，以其初始LOD100 参数为基础，从破坏机理、水状态、指数方面实施分层，LOD200 为破坏机理分层，LOD300 为重复冻融多次后耐久性指数分层。碳化作用是混凝土中的碱性水化物接触空气中的二氧化碳后所造成的结构组织变化，从碳化机理、深度模型与指标实施分层，LOD100 为初始参数分层，LOD200 为碳化深度模型分层，LOD300 为碳化评价指标分层。硫酸盐侵蚀指的是混凝土内部结构中被外部环境中的硫酸盐侵入，产生了化学反应，而其反应产物具有膨胀性，随着不断扩张而造成结构破坏。从侵蚀劣化机理、评价指标方面实施分层，LOD100为硫酸盐侵蚀相关参数，LOD200 为侵蚀劣化模型分层，LOD300 为硫酸盐侵蚀评价指标分层。

（二）构件层次

构件层次研究的重点在于结构构件力学性能分析，混凝土锈胀开裂根据材料开裂损伤程度和开裂锈蚀率实施分层，LOD100为混凝土锈胀开裂相关参数，LOD200 为混凝土锈胀开裂模型分层，LOD300 为混凝土锈蚀开裂临界锈蚀率分层。钢筋锈蚀与混凝土粘结性能根据钢筋与混凝土粘结力的变化、应力变形实施分层，LOD100 为钢筋和混凝土的相关锈蚀参数，LOD200 为锈蚀钢筋和混凝土粘结滑移本构模型分层，LOD300 为锈蚀粘结滑移影响指标分层。构件承载力在力学理论上根据钢筋直径、钢筋锈蚀率等进行分层，LOD100 构件承载力相关参数，LOD200 为锈蚀构件裂缝、形状变化分层，LOD300为钢筋锈蚀率变化分层。

（三）结构层次

结构层次根据两个角度进行分层，包括耐久性设计与已使用混凝土结构耐久性评价及其寿命周期测定，其LOD100 为相关参数，LOD300 为结合结构建造所处环境明确设计寿命分层，LOD400为结合相关计算与构造措施设计耐久性分层，LOD500为耐久性评估分层，包含检测结果、检测损伤信息、数理统计、可靠性理论几个方面。将LOD 分层输入桥梁结构管理信息模型中，依照其数字化转换结果和对比情况掌握钢筋混凝土桥梁结构的耐久性影响因素与实际情况。

（四）环境层次

环境因地域不同而存在一定差异，对于环境层次的分析则需考虑到其地域特征，通常而言湿度是环境层次的关键作用元素，因而LOD 分层从大气环境、工业环境、海洋环境等方面研究。大气环境以一般大气环境为准，当钢筋混凝土的表层发生碳化之后，大气环境中所含有的水分与氧气对其发生侵蚀作用，导致钢筋生锈。工业环境中一般会排放大量的二氧化碳、氯离子以及废水等，对钢筋混凝土结构也存在侵蚀影响。而海洋环境则主要是临近海洋的位置含有较多氯化钠与氯离子，且PH值近中性，容易对桥梁结构形成腐蚀，且与海洋距离不同也会影响侵蚀的程度，威胁钢筋混凝桥梁结构的耐久性。

三、强化钢筋混凝土桥梁结构耐久性的对策

（一）确保钢筋混凝土结构保护层的厚度

强化钢筋混凝土桥梁结构耐久性要求保证钢筋混凝土结构保护层的厚度，以此提高其内外部的密实度，有效避免水分以及氧气的侵入，防止引起钢筋锈蚀情况，而达到提升耐久性的目的。根据桥梁建筑施工需要尽最大可能增加其保护层的厚度，考虑到桥梁功能的正常使用，据实际情况而定进行厚度的调整，减少腐蚀物质的大量侵入。

（二）合理选择标准规格性能混凝土

强化钢筋混凝土桥梁结构耐久性要求合理选择标准规格与性能的混凝土，确保钢筋混凝土的强度和使用质量，也保证其混凝土的密实度。根据桥梁工程建筑施工需要购入合规的混凝土，妥善存放并规划管理。在混凝土配比过程中按照既定比例合理配置，注意保持较小的水灰比，让混凝土依旧发挥强度性能的基础上也可以具有较强的水密性，在较高pH 值的维持下能够有效避免盐分的渗透，降低环境对结构的不良影响，延长其全寿命周期。

（三）注意防范钢筋混凝土发生龟裂

近海洋环境下，离子物质含量较高，加上湿润度较高，其扩散渗透力度强，能够直接由已经发生龟裂情况的钢筋混凝土位置侵入内部结构，短时间造成严重侵蚀，因而需调整钢筋直径大小的选择，控制混凝土内部收缩力，增加保护层的厚度，防止龟裂现象发生。

四、结语

综上所述，钢筋混凝土桥梁结构的耐久性是影响桥梁建造质量的关键因素，在桥梁工程建造中需重视耐久性的加固和维护。而在强化桥梁结构耐久性之前应准确完整把握其影响因素，利用BIM 技术构建结构模型，借助数字化技术和功能分析评测材料、构件、结构和环境等影响因子，直观且精准的发现可能存在的结构风险，从而采取有效措施加以应对，切实提升钢筋混凝土桥梁结构的安全性与可靠性，保障桥梁结构的整体质量，有力推动建筑工程的现代化发展。