劉文鵬 葉英華 刁 波

(北京航空航天大學(xué)土木工程系,北京 100191)

1 引言

建筑工程耐久性近年來引起世界各國的廣泛重視。根據(jù) 2009年統(tǒng)計(jì),世界消耗水泥、鋼材總量的一半在中國,煤炭消耗總量的 60%在中國。我國建筑物的平均壽命僅有 30年。這些數(shù)據(jù)表明鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性已經(jīng)成為節(jié)能、環(huán)保、降低碳排放量等我國基本國策的重要研究領(lǐng)域。BIM(Building Information Model)技術(shù)是對(duì)建筑工程信息的全生命期管理的關(guān)鍵技術(shù),而建筑結(jié)構(gòu)耐久性分析需要綜合考慮建筑全生命期的影響因素,因此將 BIM技術(shù)應(yīng)用于結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)估領(lǐng)域是十分必要的。

本文研究了現(xiàn)有耐久性評(píng)估理論和《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》,總結(jié)提煉了對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行耐久性評(píng)估和耐久性設(shè)計(jì)的理論方法,并分析相關(guān)影響因素,提取了結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐久性屬性,在此基礎(chǔ)上建立了結(jié)構(gòu)耐久信息模型,并將該結(jié)構(gòu)耐久信息模型與 IFC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了數(shù)據(jù)的映射,擴(kuò)展了 IFC信息模型,實(shí)現(xiàn)了基于 IFC技術(shù)的結(jié)構(gòu)耐久信息數(shù)據(jù)的交換與共享。

2 結(jié)構(gòu)耐久信息模型的建立

結(jié)構(gòu)耐久信息模型是指包含耐久性分析所需數(shù)據(jù)的建筑信息模型。耐久性分析所需的數(shù)據(jù)主要根據(jù)現(xiàn)有的耐久性分析理論模型總結(jié)與提煉,本文通過研究現(xiàn)有的耐久性分析理論,提煉出耐久性影響因素,這些因素分布于建筑全生命期的各個(gè)階段,因此需要綜合建筑模型,結(jié)構(gòu)模型,施工信息以及現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)共同建立結(jié)構(gòu)耐久信息模型。

2.1 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的相關(guān)信息

混凝土結(jié)構(gòu)耐久性是指構(gòu)件或結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在一定時(shí)期內(nèi)維持其安全性、適用性的能力,結(jié)構(gòu)耐久性是指結(jié)構(gòu)性能隨時(shí)間的變化。因此,混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的實(shí)質(zhì)是其耐久性的變化與時(shí)間的關(guān)系模型?；炷两Y(jié)構(gòu)耐久信息可以分為材料耐久信息、構(gòu)件耐久信息和結(jié)構(gòu)耐久信息三個(gè)層面。

材料耐久信息主要涉及材料配比、混凝土強(qiáng)度、水灰比 、施工條件 (溫度、濕度、振搗質(zhì)量等)、養(yǎng)護(hù)環(huán)境(溫濕度)、混凝土碳化、鋼筋銹蝕、凍融循環(huán)、堿 -集料反應(yīng)以及化學(xué)侵蝕等方面;構(gòu)件耐久性包括鋼筋銹蝕導(dǎo)致的混凝土沿鋼筋方向銹脹開裂以及銹后構(gòu)件承載力;結(jié)構(gòu)耐久性包括構(gòu)件連接和結(jié)構(gòu)整體的耐久性。

2.2 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性分析機(jī)理

混凝土結(jié)構(gòu)耐久性損傷的劣化現(xiàn)象主要有混凝上的碳化、混凝土中的鋼筋銹蝕、裂縫及結(jié)構(gòu)的過大變形。

混凝土碳化是混凝上中的堿與環(huán)境中的二氧化碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成碳酸鈣的過程,它使混凝土的堿性降低,從而失去對(duì)鋼筋的保護(hù)作用,是一般大氣環(huán)境混凝土中鋼筋銹蝕的前提條件。衡量混凝土碳化的指標(biāo)為碳化深度?；炷撂蓟?在適當(dāng)?shù)臈l件下鋼筋產(chǎn)生銹蝕。另外,有氯離子存在時(shí)(如在海洋環(huán)境、工業(yè)建筑的鹽環(huán)境、混凝土中摻加氯鹽及除冰鹽的路橋等),即使混凝土仍保持強(qiáng)堿性,鋼筋也會(huì)發(fā)生銹蝕。鋼筋銹蝕用鋼筋銹蝕面積率、鋼筋銹蝕截面損失率、鋼筋銹蝕深度等指標(biāo)表示?；炷亮芽p指由于混凝土的收縮、溫度應(yīng)力、地基的不均勻沉降及載荷的作用,使混凝土產(chǎn)生裂縫;混凝土中的鋼筋銹蝕將導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生沿筋的縱向裂縫;混凝土凍融、堿 -集料反應(yīng)也使混凝土產(chǎn)生裂縫?；炷亮芽p一般采用裂縫寬度作為度量指標(biāo)。結(jié)構(gòu)的過大變形主要是荷載作用下(包括振動(dòng)與疲勞)梁、板的過大變形及不均勻沉降引起的過大變形。對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行耐久性評(píng)估從以上幾個(gè)衡量標(biāo)準(zhǔn)的安全性和耐久性進(jìn)行評(píng)價(jià)。從混凝土碳化角度,混凝土的碳化速度主要取決于二氧化碳的擴(kuò)散速度和二氧化碳與混凝土中可碳化物咸的反應(yīng)性。而二氧化碳?xì)怏w的擴(kuò)散速度則與混凝土本身的密實(shí)性、二氧化碳?xì)怏w的濃度、環(huán)境溫度及混凝土的干濕狀態(tài)等因素有關(guān),碳化反應(yīng)則與混凝土中氧化鈣的含量、水化產(chǎn)物的形態(tài)及環(huán)境的溫濕度等因素有關(guān),這些影響因素可以分為與環(huán)境有關(guān)的外部因素和與混凝土本身有關(guān)的內(nèi)部因素兩大類。對(duì)碳化速度產(chǎn)生影響因素是環(huán)境中二氧化碳的濃度、環(huán)境溫度及環(huán)境濕度,水灰比,水泥品種,水泥用量,混凝土摻合料,混凝土抗壓強(qiáng)度,施工質(zhì)量。對(duì)混凝土中鋼筋銹蝕產(chǎn)生影響的因素主要是是否使用含氯離子的外加劑(例如防凍劑)、鋼筋的實(shí)際屈服強(qiáng)度和延伸率、是否采用阻銹劑、是否采用環(huán)氧涂層鋼筋。恒載及頻數(shù)、活載及頻數(shù)也是影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的因素。

由上述分析可以看出,影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的因素既體現(xiàn)了多元化的特點(diǎn),各個(gè)因素之間也相互影響,相互作用,共同決定結(jié)構(gòu)的耐久性水平。

2.3 結(jié)構(gòu)耐久信息模型

本研究建立的結(jié)構(gòu)耐久信息模型考慮的劣化過程有堿骨料反應(yīng)、混凝土碳化、氯離子侵蝕、硫酸根侵蝕、地下水中二氧化碳侵蝕、應(yīng)力損失、凍融循環(huán)、干濕交替、水蝕作用。對(duì)應(yīng)的混凝土劣化指標(biāo)為剩余承載力、撓度、裂縫寬度;鋼筋劣化指標(biāo)包括鋼筋銹蝕速度和截面損失率;構(gòu)件及結(jié)構(gòu)的外觀劣化指標(biāo)考慮風(fēng)化、變形、剝落、露筋、銹蝕。

結(jié)構(gòu)耐久信息模型是耐久性分析數(shù)據(jù)的載體,存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)分為原始工程數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)。

原始工程數(shù)據(jù)包括設(shè)計(jì)文件、原始施工資料和荷載統(tǒng)計(jì)三類。設(shè)計(jì)文件包括工程概況、結(jié)構(gòu)構(gòu)件幾何尺寸,混凝土構(gòu)件(基礎(chǔ)、墻、梁、板、柱)的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值、鋼筋等級(jí)及尺寸、混凝土保護(hù)層厚度、控制混凝土裂縫的構(gòu)造措施;原始施工資料包括混凝土配合比、使用水泥的品種、水灰比、混凝土試塊實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度、是否使用含氯離子的外加劑(例如防凍劑)、鋼筋的實(shí)際屈服強(qiáng)度和延伸率、是否采用阻銹劑、是否采用環(huán)氧涂層鋼筋;荷載統(tǒng)計(jì)包括恒載及頻數(shù)、活載及頻數(shù)。表1列出了結(jié)構(gòu)耐久信息模型中用于耐久性規(guī)范驗(yàn)證的數(shù)據(jù)成員名稱、類型和描述的信息種類。

表1 結(jié)構(gòu)耐久信息模型規(guī)范驗(yàn)證相關(guān)數(shù)據(jù)成員

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)包括結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)、混凝土強(qiáng)度檢測(cè)、鋼筋銹蝕檢測(cè)、結(jié)構(gòu)整體檢測(cè)與環(huán)境參數(shù)檢測(cè)五類數(shù)據(jù)。具體包括混凝土裂縫(長度、寬度、深度及位置)、混凝土剝落表面積百分率、混凝土回彈儀檢測(cè)強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)次要部位混凝土巖芯取樣抗壓強(qiáng)度、鋼筋銹蝕截面損失率、銹蝕鋼筋數(shù)量百分率、結(jié)構(gòu)整體變形(剛度退化率)、環(huán)境類別及作用等級(jí)、溫度、濕度及二氧化碳濃度、混凝土碳化深度、氯離子入侵速率及深度。

結(jié)構(gòu)耐久信息模型通過將上述影響因素中的檢測(cè)數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝,并編寫因素之間的取值映射函數(shù)實(shí)現(xiàn)。本模型是結(jié)構(gòu)耐久性分析軟件系統(tǒng)開發(fā)的基礎(chǔ)工作。

圖1 IFC文件數(shù)據(jù)解析

3 IFC數(shù)據(jù)表達(dá)與擴(kuò)展

3.1 IFC數(shù)據(jù)的表達(dá)

IFC標(biāo)準(zhǔn)以面向?qū)ο蟮?EXPRESS語言定義實(shí)體,以對(duì)象模型為存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的基本單位,包括實(shí)體模型如工程模型,場(chǎng)地模型,人員模型等;抽象模型如關(guān)系模型,屬性集模型等;功能模型如幾何模型,材料模型,荷載模型等。IFC通過模型之間的互相引用表達(dá)對(duì)象之間的關(guān)系和層次,形成了分層的樹狀數(shù)據(jù)存儲(chǔ)形式。

以 IFC的墻對(duì)象和 IFC幾何對(duì)象之間的關(guān)系為例,通過墻對(duì)象引用幾何對(duì)象實(shí)現(xiàn)幾何對(duì)象對(duì)墻對(duì)象的幾何數(shù)據(jù)描述。墻對(duì)象的 Representation屬性引用 IFC幾何對(duì)象來表達(dá)實(shí)體構(gòu)件被描述的“幾何信息字塊”。對(duì) IFC文件的訪問需要結(jié)合 IFC Schema文件中 IFC實(shí)體的定義對(duì)應(yīng) IFC文件中相應(yīng)位置上的屬性值得到數(shù)據(jù)的表達(dá)和交換信息,如圖1所示。

目前的 IFC標(biāo)準(zhǔn)已有的數(shù)據(jù)包括幾何模型和少量的材料模型,如 IFCWALL的實(shí)體定義如圖2所示,其中陰影部分為由墻實(shí)體模型訪問其幾何模型經(jīng)歷的數(shù)據(jù)層。

圖3為訪問幾何模型的程序圖,通過訪問相應(yīng)的屬性所引用的對(duì)象得到被引用對(duì)象的指針,通過該指針訪問所指向?qū)ο蟮哪繕?biāo)屬性所引用的下一層對(duì)象,逐層深入的得到以頂點(diǎn)數(shù)據(jù)形式存儲(chǔ)的平面多邊形模型作為墻的一個(gè)表面的幾何模型。類似的還有IFC構(gòu)件的材料模型和荷載模型。

上述對(duì) IFC幾何數(shù)據(jù)的訪問方法適用于任意IFC實(shí)體對(duì)象的任意屬性數(shù)據(jù)的訪問,包括耐久性分析需要的相關(guān)數(shù)據(jù)。然而,結(jié)構(gòu)耐久信息模型的主要數(shù)據(jù)在 IFC中沒有定義,需要根據(jù)耐久性分析的需求對(duì) IFC模型進(jìn)行擴(kuò)展才能實(shí)現(xiàn)在軟件系統(tǒng)之間的耐久性相關(guān)數(shù)據(jù)的交換。

3.2 IFC數(shù)據(jù)擴(kuò)展

現(xiàn)有的 IFC模型中包含了結(jié)構(gòu)模型,材料模型以及部分施工模型,尚缺乏耐久性分析所需的環(huán)境數(shù)據(jù),荷載數(shù)據(jù)以及更加具體的材料和施工信息,因此實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)耐久信息模型與 IFC模型的映射,必須對(duì)現(xiàn)有的 IFC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行擴(kuò)展。IFC標(biāo)準(zhǔn)為數(shù)據(jù)擴(kuò)展提供了多種方式,其中最靈活的為通過動(dòng)態(tài)屬性集進(jìn)行擴(kuò)展。

屬性集模型,屬性模型與實(shí)體模型之間的關(guān)系如圖4所示,通過 IFC關(guān)系模型建立被描述實(shí)體模型與屬性集模型的聯(lián)系即可實(shí)現(xiàn)通過屬性集模型擴(kuò)展 IFC實(shí)體模型的功能需求。其中屬性集模型為屬性模型的容器,其裝載了耐久性相關(guān)的所有屬性,通過 Name屬性標(biāo)識(shí)屬性集與屬性的耐久性特征,實(shí)體模型,關(guān)系模型,屬性集模型與屬性模型在 IFC規(guī)范中的上述定義關(guān)系如圖4所示。

建立的耐久性 IFC屬性模型 IfcPropertySingle-Value的 Name屬性取值分別為:

“DesignWorkingLife”,“EnvironmentClass”,

“ComponentType”,“CompressiveStrength”,

“WaterCementRadio”,“CoverThickness”,

“Precasted”,“MaxAggregateDiameter”,

“WaterErosion”,“AdmixtureContent”,與表1中數(shù)據(jù)成員對(duì)應(yīng)。

至此建立了 IFC實(shí)體模型與結(jié)構(gòu)耐久信息模型的數(shù)據(jù)映射關(guān)系,實(shí)現(xiàn)了 IFC文件和結(jié)構(gòu)耐久信息模型數(shù)據(jù)交換,使建立的結(jié)構(gòu)耐久信息模型能夠應(yīng)用于支持 IFC文件的軟件系統(tǒng)。

4 結(jié)論

圖2 IFC實(shí)體模型幾何數(shù)據(jù)訪問EXPRESS-G圖

圖3 IFC實(shí)體模型幾何頂點(diǎn)數(shù)據(jù)訪問程序

本文通過研究整合現(xiàn)有耐久性研究理論模型的關(guān)系和原理,提取出建筑,結(jié)構(gòu)、施工、環(huán)境相關(guān)影響因素,建立了結(jié)構(gòu)耐久信息模型,該模型作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐久性信息的載體可被用于耐久性分析程序。在此基礎(chǔ)上根據(jù)建立的結(jié)構(gòu)耐久信息模型擴(kuò)展了現(xiàn)有IFC標(biāo)準(zhǔn),并建立了結(jié)構(gòu)耐久信息模型與IFC模型之間的數(shù)據(jù)映射關(guān)系,使該結(jié)構(gòu)耐久信息模型支持基于 IFC中性文件的數(shù)據(jù)交換方式,完善了 IFC標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)信息模型,也促進(jìn)了結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)估軟件系統(tǒng)的開發(fā)。

圖4 IFC實(shí)體模型屬性集擴(kuò)展相關(guān)模型定義

[1]GB/T 50476-2008,混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

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