BIM技術應用于混凝土抗壓強度有效控制研究*

林乙玄

(福建林業職業技術學院建筑工程系 福建南平 353000)

建筑施工時的主要材料為混凝土，其抗壓強度直接影響建筑結構的安全性能[1-3].影響混凝土抗壓強度的因素較多，例如，原材料、配合比與制備工藝等[4].為提升混凝土質量，需要充分考慮混凝土抗壓強度的影響因素，有效控制混凝土抗壓強度，提升建筑結構施工的安全性[5].鄭海忠等人按照相似分析原理，無量鋼化處理混凝土抗壓強度控制參數，獲取相關相似準數，通過有限元計算獲取相似準數間的關系，進行混凝土抗壓強度控制.該方法可有效分析混凝土抗壓強度的影響因素，完成抗壓強度有效控制[6].陳林等人利用機器學習算法，預測混凝土抗壓強度，通過螢火蟲算法，優化機器學習算法的參數，提升抗壓強度預測精度，通過對比分析預測抗壓強度與標準值，進行抗壓強度有效控制.該方法可有效預測混凝土抗壓強度，實現抗壓強度控制[7].但上述方法均需真實制備混凝土試件，導致混凝土抗壓強度控制的成本較高，存在資源浪費問題.BIM技術具備可視化、完備性、協調性與互用性等優勢，在建筑領域被廣泛應用.應用BIM技術，不僅能夠加快工作效率，提升工作質量，還能降低工作成本，節約資源[8-10].為此，研究BIM技術應用于混凝土抗壓強度有效控制方法，在提升混凝土抗壓強度控制效果的同時，降低抗壓強度有效控制成本.

1混凝土抗壓強度有效控制

在混凝土抗壓強度有效控制中，應用BIM技術，可提升混凝土抗壓強度有效控制的可視化效果，應用BIM技術控制混凝土抗壓強度的流程如圖1所示.

圖1 混凝土抗壓強度有效控制流程

應用BIM技術，有效控制混凝土抗壓強度時，共包含四個階段，分別是決策階段、設計階段、BIM模型建立階段與抗壓強度有效控制階段.具體步驟如下：

(1)決策階段.按照混凝土的設計定位與預算，策劃混凝土制備方案.

(2)設計階段.按照混凝土制備方案，結合不同專業間的協同優化方式，設計標準的混凝土制備方案.

(3)BIM模型建立階段.按照設計的標準混凝土制備方案，選擇合適的混凝土制備材料，并在材料庫內，查詢是否存在符合要求的材料，若存在符合要求的材料，則直接調用[11]；反之，重新定義新材料，并加入材料庫內.依據選擇的材料參數，利用仿射變換理論，建立混凝土構件的坐標變換矩陣，完成構件空間定位；通過構件空間定位結果，建立混凝土BIM模型.

(4)抗壓強度有效控制階段.計算混凝土BIM模型的抗壓強度，并與混凝土抗壓強度標準值進行對比分析，若抗壓強度大于標準值，則所設計混凝土質量合格[12]；反之，所設計混凝土質量不合格，需進行混凝土設計優化，并重新計算混凝土抗壓強度.

(5)輸出最終的混凝土制備方案以及BIM模型，完成混凝土抗壓強度有效控制.

1.1 混凝土BIM模型構建

基于BIM技術的混凝土模型構建步驟如下：

(1)以IFC(industry foundation class)為數據標準，在混凝土制備相關BIM文件內，刪除無效的冗余信息[13]，提取構建混凝土BIM模型需要的有價值信息.

(2)利用仿射變換理論，建立混凝土構件的坐標變換矩陣，以該矩陣為基礎，將混凝土構件的局部坐標點，還原成整體坐標系，得到全部混凝土構件的空間定位結果.

(3)依據選擇的混凝土制備材料參數，生成材料對象，存儲至材料表內，并返回編號[14]，如果材料表匯總已存在該對象，則直接返回編號.

(4)獲取混凝土構件的形狀表達，得到其全部端點，生成截面與節點對象，并存儲至截面與節點表內，得到對應的編號.

(5)按照形狀表達確定混凝土BIM模型的單元類型，按照各編號的單元屬性[15]，生成單元對象，并存儲至單元表內，返回單元編號.

(6)反復操作步驟(2)至步驟(5)，以全部混凝土構件生成相應的結構單元為止.

(7)按照混凝土構件的空間定位結果，分割和組裝單元，確保各單元間為有效連接，得到初步構建的混凝土BIM模型.

(8)通過單元空間位置修正算法，修正初步構建的混凝土BIM模型，得到精度更高的混凝土BIM模型.

令混凝土構件X的仿射變換是Q，混凝土構件的變換公式如下：

Q(X)=T(X)+p

(1)

式(1)中，線性變換是T(X)；變換矢量是p.

線性變換計算公式如下：

T(c1X1+c2X2)=c1T(X2)+c1T(X2)

(2)

式(2)中，實數是c1、c2；兩個混凝土構件是X1、X2.

二維歐式空間上，混凝土構件仿射變換為：

(3)

將式(3)變更成齊次坐標形式，公式如下：

(4)

(5)

(6)

式(6)中，旋轉矩陣是Rx、Ry、Rz；平移向量是tx、ty、tz.

通過式(6)可獲取混凝土構件的三維空間坐標.

1.2混凝土抗壓強度計算

對2.1小節構建的混凝土BIM模型進行抗壓強度計算，令混凝土的成熟度是M，計算公式如下：

(7)

混凝土抗壓強度G的計算公式如下：

G=α+βlog(M)

(8)

其中，常數是α、β.

混凝土等效齡期τe計算公式如下：

(9)

混凝土抗壓強度受時間影響的變化率函數為：

(10)

(11)

式(11)中，參考溫度下的速率常數是Vr.

為此，以式(8)為基礎，獲取考慮齡期的混凝土抗壓強度計算公式如下：

(12)

式(12)中，參考溫度下，混凝土具備抗壓強度的齡期是τr.

1.3混凝土抗壓強度有效控制標準

同批次混凝土抗壓強度是否合格的判定標準為：

(13)

(14)

當混凝土抗壓強度同時滿足式(13)與式(14)，那么說明該批次混凝土抗壓強度判定結果為合格，反之，該批次混凝土抗壓強度判定結果為不合格，需要重新設計混凝土，以混凝土抗壓強度判定結果為合格為止.

單個混凝土抗壓強度是否合格的判定標準為：

(15)

2實驗結果與分析

以某建筑工程為實驗對象，該建筑工程為整體時框架結構，結構安裝等級是2級，使用年限為70年，該建筑的高度是19.960m，地震烈度是7度，層數為5層.該建筑工程各混凝土構件的強度等級需求如表1所示.

表1 各混凝土構件的強度等級

利用文章方法依據設定混凝土等級，為各強度等級的混凝土選擇合適的制備參數，混凝土制備參數選擇結果如表2所示.

表2 混凝土制備參數選擇結果

由表2可知，文章方法可有效按照混凝土等級需求，選擇合適的制備參數，為后續混凝土BIM模型構建提供數據支持.

在需要制備的混凝土構件內，隨機選擇20個混凝土構件，利用文章方法對這20個混凝土構件進行空間定位，混凝土空間定位結果如圖2所示.

圖2 混凝土構件空間定位結果

根據圖2可知，文章方法可有效對混凝土構件進行空間定位，且空間定位結果與實際位置非常接近，說明文章方法混凝土構件空間定位的精度較高.實驗證明：文章方法可精準定位混凝土構件的空間位置，為后續混凝土BIM模型構建提供位置數據.利用文章方法依據選擇混凝土制備參數，與混凝土構件空間定位結果，構建混凝土BIM模型，混凝土BIM模型構建結果如圖3所示，以C30混凝土為例.

(a)全局構建結果 (b)局部構建結果

根據圖3可知，文章方法可有效依據選擇的混凝土制備參數，以及混凝土構件空間定位結果，構建全局與局部混凝土BIM模型，為用戶呈現各角度的混凝土構建結果.實驗證明：文章方法具備混凝土BIM模型構建的可行性.

利用文章方法計算混凝土BIM模型的抗壓強度，并對其進行抗壓強度有效控制，混凝土抗壓強度計算結果如圖4所示，以C30等級的混凝土為例，混凝土BIM模型數量為10個.

圖4 混凝土抗壓強度計算結果

根據圖4可知，文章方法可有效計算混凝土BIM模型的抗壓強度，由抗壓強度計算結果可知，編號為4與6的混凝土BIM模型抗壓強度，超過了抗壓強度上限值，說明這兩個混凝土質量不合格，需要重新設計，編號為7的混凝土BIM模型抗壓強度，低于抗壓強度下限值，說明該混凝土質量不合格，需要重新設計.實驗證明：文章方法具備混凝土BIM模型抗壓強度計算的可行性，并及時發現抗壓強度不合格的混凝土BIM模型，對其進行重新設計，實現混凝土抗壓強度有效控制.在不同過火時間時，利用文章方法對不同等級的混凝土進行抗壓強度控制，各等級混凝土抗壓強度的有效控制結果如圖5所示，各等級混凝土構件均選擇3個.

(a)C 30等級混凝土構件的抗壓強度控制結果

根據圖5(a)可知，隨著過火時間延長，3個C30等級的混凝土構件抗壓強度均呈下降趨勢，當過火時間達到70min時，3個混凝土構件的抗壓強度均趨于穩定，不再發生改變，3個混凝土構件的抗壓強度分別穩定在30MPa、34Mpa、29MPa左右，均未低于抗壓強度下限，說明文章方法可有效控制C30等級混凝土抗壓強度，令其抗壓強度保持在標準值以內.根據圖5(b)可知，隨著過火時間延長，3個C40等級的混凝土構件抗壓強度變化趨勢與C30等級混凝土構件變化趨勢一致，當過火時間達到60min時，3個混凝土構件的抗壓強度均趨于穩定，不再發生改變，3個混凝土構件的抗壓強度分別穩定在42MPa、41Mpa、40MPa左右，均未低于抗壓強度下限，說明文章方法可有效控制C40等級混凝土抗壓強度，令其抗壓強度保持在標準值以內，相對于C30等級混凝土，其抗壓強度趨于穩定的時間略短.根據圖5(c)可知，過火時間與C50等級的混凝土構件抗壓強度具有負相關關系，當過火時間達到50min時，3個混凝土構件的抗壓強度均趨于穩定，不再發生改變，3個混凝土構件的抗壓強度分別穩定在55MPa、51Mpa、52MPa左右，均未低于抗壓強度下限，說明文章方法可有效控制C50等級混凝土抗壓強度，令其抗壓強度保持在標準值以內，相對于C40等級混凝土，其抗壓強度趨于穩定時間短了10min.

綜合分析可知，文章方法可有效對不同等級以及不同過火時間下的混凝土進行抗壓強度控制，令各混凝土構件的抗壓強度均保持在標準值內，提升混凝土質量.

3結語

混凝土抗壓強度與建筑結構施工的安全性息息相關，為此，研究BIM技術應用于混凝土抗壓強度有效控制方法，通過構建混凝土BIM模型，分析混凝土抗壓強度是否符合施工需求，對不符合施工需求的混凝土進行抗壓強度有效控制，確保全部混凝土抗壓強度符合施工標準，提升建筑結構施工安全性.