BIM技术在水工混凝土钢筋结构开发中的应用

马晋阳,焦宏涛,惠英妮

(陕西凝远新材料科技股份有限公司,陕西 咸阳 712034)

0 引 言

水工混凝土钢筋结构开发是一种基于混凝土和钢筋的组合结构,它具有良好的强度和耐久性,适用于水利水电工程等领域[1]。目前,水工混凝土钢筋结构开发主要集中在材料、技术、设计和施工等方面,而结构开发的关键在于如何确保结构的稳定性、安全性和可靠性。目前,水工混凝土钢筋结构面临的主要问题有材料老化和破坏、结构稳定性、耐久性、安全维护等[2-3]。

随着现代建筑技术的不断发展,建筑信息模型(Building Information Model,BIM)技术在建筑行业中的应用越来越广泛。BIM技术通过对建筑工程的三维数字模型进行模拟和优化,可以有效提高建筑工程的质量和效率。在水工混凝土钢筋结构开发中,BIM技术的应用可以帮助设计、施工人员更好地理解水工混凝土钢筋结构的设计和施工要求,提高工程质量和效率[4-5]。因此,研究BIM技术在水工混凝土钢筋结构开发中的应用具有重要的现实意义。

本文基于水工混凝土钢筋目前存在的难检测和维护等问题,构建基于BIM技术的水工混凝土钢筋结构检测模型,以期为水工混凝土钢筋结构的开发提供参考与借鉴。

1 基于BIM技术的水工混凝土钢筋结构开发模型构建

1.1 基于BIM技术的水工混凝土钢筋结构设计与开发

建筑信息模型有助于更好地进行建筑设计和施工管理。BIM技术利用计算机辅助设计软件,对建筑工程进行三维建模、模拟和优化,从而提高建筑工程的效率、质量和安全性[6]。BIM技术的应用非常广泛,可以用于建筑设计、施工方案制定、设备选型、能源利用等多个方面。

在水工混凝土钢筋结构开发方面,BIM技术有助于更好地进行水工混凝土钢筋结构的设计和开发。首先,BIM技术可以对水工混凝土钢筋结构进行三维建模,模拟水工混凝土钢筋结构的布局、强度、稳定性等方面的要求,以便更好地进行设计优化[7]。通过对水工混凝土钢筋结构的模拟,可以更准确地了解结构的受力情况,为结构的设计提供更加科学的依据。其次,BIM技术有助于进行钢筋构件的预制和组装,从而更快速、更准确地完成钢筋构件的制作和安装工作。这不仅可以提高钢筋构件的制作效率,还可以降低钢筋构件的制造成本。此外,BIM技术还可以进行水工混凝土钢筋结构的碰撞检测,从而发现结构中可能存在的碰撞问题,及时进行调整和修改,确保结构的安全[8]。BIM的概念图见图1。

图1 BIM的概念图

图2 BIM反向设计翻模到BIM正向设计

BIM技术包括正向设计和反向设计。在正向设计中,BIM技术有助于更好地理解建筑的实际需求和功能,从而更加高效、高质量地完成设计任务,为设计提供更加科学的依据。此外,正向设计还有助于更好地协调各部门的工作,更好地进行专业分工,提高设计效率和质量。总的来说,BIM技术的正向设计有助于更好地理解建筑的实际需求和功能,为设计提供更加科学、准确、专业和高效的依据。因此,在BIM技术中正向设计是一种非常重要的技术手段。

反向设计是指从已有的建筑信息模型中提取有用的信息,并将其应用到新的建筑设计中,以实现新的建筑设计。在BIM技术中,反向设计有助于更好地理解建筑的实际需求和功能,从而更好地进行设计。通过反向设计,可以获取建筑的详细信息,如建筑面积、空间布局、结构分布等。反向设计还有助于了解建筑的运行状况和维护要求,从而更好地进行维护和管理,获得更准确、更全面的建筑信息。此外,反向设计还有助于更好地协调各部门的工作,提高设计效率和质量[9-11]。总的来说,BIM技术的反向设计有助于更好地理解建筑的需求和功能,从而更加高效、高质量地完成工作。

BIM的最终目标就是为了让BIM能够更好地进行正向设计。传统的BIM方法是由不同专业的设计人员进行二维平面图的绘制,然后由专门的BIM小组对其进行三维建模,并对其进行碰撞检测、日照分析、能耗模拟、火灾模拟、人员疏散分析,并将分析结果反馈给设计人员[12-13]。而BIM正向设计要求设计人员在一开始就以BIM的3D模型为基础,这样可以减少协调的次数,提高工作效率。

1.2 基于BIM技术的水工混凝土钢筋结构检测模型构建

随着城市化进程的加快和水利水电工程的大规模建设,水工混凝土钢筋结构已经成为建筑行业中的重要组成部分。然而,水工混凝土钢筋结构在实际应用中存在着一些问题,如结构设计不合理、施工质量不高等[14-15]。为了解决这些问题,研究提出一种基于BIM技术的水工混凝土钢筋结构检测模型。

首先基于BIM技术,对水工混凝土钢筋结构进行三维建模,通过模拟结构的受力情况,了解结构的实际需求。在设计阶段,可以通过三维建模来评估水工混凝土钢筋结构的可行性和可靠性,避免出现不必要的设计缺陷。在施工阶段,可以通过三维建模来评估水工混凝土钢筋结构的施工进度和质量,更好地协调施工资源,避免工程事故。此外,基于BIM技术的水工混凝土钢筋结构优化,还有助于更好地理解和应对设计过程中出现的问题,提高设计质量和效率。

将BIM技术与水工混凝土钢筋结构检测相结合,构建基于BIM技术的水工混凝土钢筋结构检测方法,可有效提高检测效率。模型能够将钢筋检测点信息(位置、类型、数量、尺寸等)集成至BIM模型中,利用模型对水工混凝土钢筋结构的混凝土碳化深度和钢筋锈蚀程度等进行检测,分析水工混凝土钢筋的碳化深度和锈蚀程度;对钢筋保护层厚度进行检测。其中,钢筋碳化是指混凝土中的氢氧化钙向钢筋表面扩散,并与钢筋表面的钙离子结合,形成碳酸钙,从而降低了钢筋的抗锈蚀能力,影响了混凝土结构的耐久性[16-17]。见图3。

图3 混凝土钢筋腐蚀检测技术流程

《混凝土结构耐久性评定标准》(CECS 220-2007)将腐蚀速率下限设定为5%。当钢筋锈蚀率达到5%时,构件已经严重锈损,此时钢筋的力学性能变化速率有一个拐点,钢筋的名义极限强度和名义屈服强度迅速降低,而弹模下降的速率则趋于平稳。因此,该模型的下限也被确定为5%,相应的关系式如下:

(1)

式中:f(y,c)为腐蚀屈服强度;fy0为未腐蚀屈服强度;f(u,c)为腐蚀极限强度;fu0为未腐蚀极限强度;δ(s,c)为腐蚀伸长率;δs0为未腐蚀伸长率;ε(y,c)为腐蚀极限应变力;εy0为未腐蚀应变力;E(u,c)为腐蚀弹性量;Eu0为未腐蚀弹性量;ρ为腐蚀范围。

钢筋腐蚀后,腐蚀产物会在混凝土中生成新的黏结界面,而这种黏结界面的力学性质与混凝土强度、保护层厚度和腐蚀钢筋的厚度密切相关。在腐蚀初期,虽然腐蚀产物会破坏钢筋和混凝土间的化学结合,但轻微的腐蚀膨胀会增加二者的机械咬合力,并且腐蚀产物和混凝土间的摩擦系数会增加,此时钢筋和混凝土间的黏结强度会有所提高。而当锈蚀逐渐加深之后,增加的锈胀力将会破坏混凝土的保护层,这时钢筋和混凝土之间的机械咬合力将会下降,而逐渐被稀释的锈蚀产物与混凝土之间的摩擦系数也随之降低,导致黏结强度随着锈蚀率的增加而不断下降。在此基础上,研究腐蚀产物厚度、保护层厚度及抗张强度对黏结滑移的关系,公式如下:

τcu=βuτcu=K1K2K3τou

(2)

式中:τcu为极限黏合强度;βu为折减系数;τou为原始极限黏合强度;K1为腐蚀物厚度参数;K2为保护层厚度的影响参数;K3为混凝土抗拉强度影响参数。

2 基于BIM技术的水工混凝土钢筋结构开发模型的仿真分析

为了检测水工混凝土钢筋结构,研究采用仿真实验,以模型为基础,对钢筋的腐蚀、模拟地震作用反应力和模拟风载作用反应力进行检测,以验证模型的仿真效果。研究利用GTJ-XSY型钢筋腐蚀检测仪,间隔0.3m,以全覆盖形式,对部分可疑腐蚀区的距离为0.2m。在整个区域,共采集1 000个实测数据,并以-200～100mV为主,结果见图4。

图4 半电池电位测试值分布

由图4可知,在整个测试区域内,电位值发生变化主要在-200～100mV。共检测到923个电位大于-200mV,占检测数量的92.30%,且钢筋发生腐蚀的概率小于8.37%;检测到28个电位在-200～-300mV之间,占检测数量的2.80%,无法判断此时钢筋的腐蚀性状;检测到49个电位小于-300mV,占检测数量的4.90%,此时钢筋发生腐蚀的概率大于91.36%。表明在仿真实验中,模型对钢筋的分布和腐蚀情况有较高的预测能力。

为了验证混凝土钢筋的抗地震能力,研究模拟地震的作用反应力进行实验,结果见图5。

图5 模拟地震作用反应力

由图5(a)可知,随着模拟地震作用反应力的测试次数增加,混凝土钢筋承受的横向反应力也在增加。承受的最大横向反应力63.85kN,承受的横向反应力平均值56.92kN。由图5(b)可知,模拟地震作用反应力对混凝土钢筋承受的纵向反应力也随着测试次数的增加呈上升趋势。混凝土钢筋承受的纵向反应力最大值47.83kN,承受的纵向反应力平均值39.87kN。由图5(a)、图5(b)对比可知,混凝土钢筋在模拟地震作用反应力中,横向承受的反应力高于纵向承受的反应力,表明模型对混凝土钢筋作用力的预测能力。

图6为混凝土钢筋在模拟地震作用情况下的剪力受力。

图6 模拟地震作用剪力

由图6(a)可知,随着模拟地震的测试次数增加,混凝土钢筋的横向剪力在明显增加。其中,横向剪力最大值69.82kN,横向剪力平均值58.16kN。由图6(b)可知,混凝土钢筋的纵向剪力也随模拟地震次数的增加而增大,纵向剪力最大值40.05kN,纵向剪力平均值29.89kN。由图6(a)、图6(b)对比可知,混凝土钢筋在模拟地震作用剪力中,横向剪力高于纵向剪力,表明模型对混凝土钢筋剪力的预测能力。而且混凝土钢筋的剪力越大,其抗震能力越强。

为了验证混凝土钢筋的风载反应力承受程度,研究模拟风载的作用反应力进行实验,结果见图7。

图7 模拟风载反应力

由图7(a)可知,随着风载反应力测试次数增加,混凝土钢筋的横向反应力在明显增加。其中,横向反应力最大值32.81kN,横向反应力的平均值21.09kN。由图7(b)可知,混凝土钢筋的纵向反应力也随模拟风载反应力的次数增加而增大,纵向反应力最大值50.36kN,纵向反应力平均值41.25kN。由图7(a)、图7(b)对比可知,混凝土钢筋在模拟风载作用反应力中,横向反应力低于纵向反应力。这是因为纵向会承受更多的风载力,验证了模型对混凝土钢筋的风载作用反应力的预测能力。

图8为混凝土钢筋在模拟风载反应力作用情况下的剪力受力。

图8 模拟风载剪力

由图8(a)可知,随着风载反应力测试次数增加,混凝土钢筋的横向剪力也在明显增加。其中,横向剪力最大值21.53kN,横向剪力平均值18.43kN。由图8(b)可知,混凝土钢筋的纵向剪力同样也随模拟风载反应力的次数增加而增大,纵向剪力最大值34.21kN,纵向剪力平均值为23.95kN。由图8(a)、图8(b)对比可知,混凝土钢筋在模拟风载作用反应力中,横向剪力低于纵向剪力,同样是因为纵向会承受更多的风载力。

3 结 论

为了将BIM技术更好应用于水工混凝土钢筋开发中,本文提出一种基于BIM技术的水工混凝土钢筋检测模型。利用钢筋腐蚀检测仪,对仿真实验中钢筋的腐蚀情况进行检测,模拟地震和风载对水工混凝土钢筋的影响。结果表明,基于BIM技术构建的检测模型,对钢筋腐蚀的检测率达到90%以上,且能准确分析得出模拟地震和风载对横向和纵向混凝土钢筋的承受力,验证了模型方法具有较高的准确率和可行性。