摘要：混凝土結(jié)構(gòu)施工中常面臨諸多工程難題，嚴(yán)重妨礙工程進(jìn)度與質(zhì)量。聚焦混凝土結(jié)構(gòu)裂縫、溫度應(yīng)力、收縮變形以及高強(qiáng)混凝土工藝適應(yīng)性等難點(diǎn)，提出了基于多物理場(chǎng)數(shù)值模擬、流變模型等先進(jìn)分析方法的系統(tǒng)解決方案。通過典型工程案例，闡述了虛擬仿真技術(shù)在優(yōu)化施工工藝、指導(dǎo)工程實(shí)踐中的重要作用，可為同類工程提供理論借鑒與實(shí)踐參考。

關(guān)鍵詞：混凝土結(jié)構(gòu)；虛擬仿真；多物理場(chǎng)；流變模型

目前，混凝土工程規(guī)模日益增大，施工技術(shù)日新月異，許多新的問題和挑戰(zhàn)不斷涌現(xiàn)，如鋼筋綁扎精度控制、大體積混凝土溫度應(yīng)力管理、高強(qiáng)混凝土工藝優(yōu)化等［1］。虛擬仿真可在計(jì)算機(jī)上構(gòu)建施工全過程的數(shù)字孿生模型，通過可視化、數(shù)值模擬等技術(shù)輔助分析和指導(dǎo)工程實(shí)踐，具有降低成本、提高效率、保障質(zhì)量的功效。本文將重點(diǎn)探討虛擬仿真在土木工程混凝土結(jié)構(gòu)施工中的應(yīng)用，針對(duì)工程難點(diǎn)提出切實(shí)可行的解決方案。

1虛擬仿真技術(shù)原理與優(yōu)勢(shì)

虛擬仿真技術(shù)是一種融合了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人工智能、數(shù)值模擬等多學(xué)科知識(shí)的前沿技術(shù)，其核心原理是在計(jì)算機(jī)中構(gòu)建工程項(xiàng)目的高精度數(shù)字孿生模型，通過虛擬實(shí)際交互實(shí)現(xiàn)工程全生命周期的可視化、可預(yù)測(cè)、可優(yōu)化管理［2］。同時(shí)，通過ParaCloud等云平臺(tái)引入高性能計(jì)算，利用復(fù)雜的多物理場(chǎng)耦合算法對(duì)混凝土性能進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，如上海中心大廈項(xiàng)目利用ANSYS軟件進(jìn)行熱力耦合分析，考慮混凝土水化熱、環(huán)境溫度等因素，提前預(yù)警溫度應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)，指導(dǎo)安排冷卻水管布置方案，有效規(guī)避了約8 000 m3大體積混凝土的溫度開裂風(fēng)險(xiǎn)?？梢钥闯觯瑧{借精準(zhǔn)計(jì)算、逼真模擬、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，虛擬仿真技術(shù)在土木工程混凝土結(jié)構(gòu)領(lǐng)域展現(xiàn)出誘人的應(yīng)用前景，可望破解諸多施工技術(shù)難題。

2土木工程混凝土結(jié)構(gòu)施工技術(shù)現(xiàn)狀與難點(diǎn)分析2.1鋼筋綁扎位置偏差控制

當(dāng)前土木工程項(xiàng)目普遍采用人工綁扎的方式，操作過程難以精確控制鋼筋的空間位置。以剪力墻鋼筋為例，由于鋼筋排布密集，交錯(cuò)綁扎增加了鋼筋偏位的風(fēng)險(xiǎn)，部分區(qū)域的箍筋偏差可達(dá)20 mm以上，嚴(yán)重削弱了剪力墻的抗剪承載力。在鋼筋桁架疊合板的制作中，鋼筋骨架與預(yù)制底板的垂直度偏差超過5 mm時(shí)，會(huì)導(dǎo)致混凝土無法充分填充，從而降低底板的整體剛度。此外，在大體積混凝土基礎(chǔ)施工中，鋼筋籠主筋偏位還可能引發(fā)應(yīng)力集中，加劇溫度收縮開裂風(fēng)險(xiǎn)。

2.2混凝土澆筑溫度梯度管理

目前，許多混凝土工程項(xiàng)目常采用經(jīng)驗(yàn)式的溫控措施，難以精準(zhǔn)調(diào)控混凝土內(nèi)部的水化熱釋放和表面的散熱速率。以大體積混凝土為例，其內(nèi)部溫度可達(dá)70 ℃以上，而表面溫度受環(huán)境影響波動(dòng)較大，兩者溫差超過25 ℃時(shí)極易產(chǎn)生溫度應(yīng)力，引發(fā)貫穿性裂縫。即便在常規(guī)結(jié)構(gòu)中，混凝土澆筑溫度梯度同樣是誘發(fā)裂縫的重要因素，如在高墩墩身混凝土施工中，若連續(xù)澆筑過程中新舊混凝土層間的溫差超過18 ℃，墩身表面常出現(xiàn)水平裂縫，影響結(jié)構(gòu)耐久性。由于混凝土內(nèi)部溫度場(chǎng)變化隱蔽，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)有限，工程上很難準(zhǔn)確評(píng)估溫度梯度的不利影響。

2.3大體積混凝土內(nèi)部收縮開裂風(fēng)險(xiǎn)

大體積混凝土內(nèi)部水化熱累積顯著，同時(shí)散熱條件差，易形成溫度應(yīng)力，若同時(shí)考慮混凝土自收縮變形，內(nèi)部拉應(yīng)力可高達(dá)4.5 MPa以上，遠(yuǎn)超混凝土抗拉強(qiáng)度，極易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂。以海洋工程中的重力式碼頭為例，由于混凝土用量巨大，內(nèi)部溫升可達(dá)60 ℃，而表面溫度受海水調(diào)節(jié)作用影響，內(nèi)外溫差可達(dá)30 ℃以上。同時(shí)，碼頭混凝土的收縮變形受鋼管樁等約束，拉應(yīng)力更容易超限，導(dǎo)致縱向貫穿裂縫。在水工大壩工程中，除溫度收縮應(yīng)力外，大體積混凝土還承受著高達(dá)百萬噸量級(jí)的自重應(yīng)力，壩體容易出現(xiàn)水平施工縫開裂。目前工程上通常采用降低水化熱、控制收縮的措施來預(yù)防開裂，但效果有限。

2.4高強(qiáng)混凝土泵送和振搗工藝優(yōu)化

高強(qiáng)混凝土黏度大、黏聚性強(qiáng)，在泵送過程中容易產(chǎn)生堵管、離析等問題，影響施工效率和質(zhì)量。例如，當(dāng)混凝土泵送管道長度超過200 m，管內(nèi)壓力可達(dá)20 MPa以上，若配合比設(shè)計(jì)不當(dāng)，極易引發(fā)泵送管道爆裂事故。此外，高強(qiáng)混凝土石子含量較大，易造成嚴(yán)重的泵送設(shè)備磨損，旋轉(zhuǎn)葉片、活塞等關(guān)鍵部件的使用壽命往往不足100 h，大大增加了施工成本。在振搗工藝方面，高強(qiáng)混凝土坍落度低、和易性差，常規(guī)插入式振搗很難有效振實(shí)，容易產(chǎn)生蜂窩、麻面等缺陷，即便采用高頻振搗，若布料厚度超過40 cm，混凝土下層的振搗質(zhì)量仍難以保證。若盲目追求振搗時(shí)間，又可能導(dǎo)致粗骨料下沉、水分上浮等離析現(xiàn)象。

3基于虛擬仿真的土木工程混凝土結(jié)構(gòu)施工難點(diǎn)解決方案與技術(shù)要點(diǎn)

3.1BIM技術(shù)輔助鋼筋精確定位

為解決鋼筋綁扎位置偏差問題，可綜合運(yùn)用BIM技術(shù)與機(jī)器人定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)鋼筋精確定位與綁扎。首先在BIM軟件中構(gòu)建精細(xì)化鋼筋模型，每根鋼筋的規(guī)格、形狀、位置等信息均以參數(shù)化方式呈現(xiàn)，并可實(shí)時(shí)調(diào)整。然后，利用專用插件將BIM鋼筋模型轉(zhuǎn)化為機(jī)器人可識(shí)別的數(shù)字指令，包括鋼筋型號(hào)、彎折角度、綁扎位置的XYZ坐標(biāo)等。在施工現(xiàn)場(chǎng)，由鋼筋綁扎機(jī)器人讀取指令，利用激光瞄準(zhǔn)儀、全站儀等設(shè)備進(jìn)行精確定位，定位偏差控制在±2 mm以內(nèi)。機(jī)器人自動(dòng)完成鋼筋下料、彎曲、成型等工序后，將成型鋼筋移動(dòng)至目標(biāo)綁扎位置。全過程中，機(jī)器人內(nèi)置的視覺傳感器可實(shí)時(shí)采集鋼筋位置信息并回傳至BIM系統(tǒng)，與設(shè)計(jì)模型進(jìn)行偏差比對(duì)，偏差超限時(shí)可自動(dòng)糾偏或發(fā)出預(yù)警。該方法不僅有助于實(shí)現(xiàn)鋼筋綁扎全過程的數(shù)字化控制，還可顯著提高綁扎效率，每臺(tái)機(jī)器人可達(dá)到多名熟練工人的作業(yè)量。若現(xiàn)場(chǎng)條件受限難以使用機(jī)器人，也可采用BIM模型指導(dǎo)下的人機(jī)協(xié)同綁扎方式，佩戴AR眼鏡的技術(shù)工人可在虛擬與現(xiàn)實(shí)的疊加場(chǎng)景中進(jìn)行精確定位和綁扎，可將定位偏差降低至±5 mm以內(nèi)。

3.2有限元分析優(yōu)化混凝土澆筑方案

混凝土澆筑溫度梯度管理是工程施工的重點(diǎn)和難點(diǎn)，需要精確控制混凝土內(nèi)外溫差，避免溫度裂縫的產(chǎn)生。有限元分析可模擬混凝土澆筑全過程的溫度場(chǎng)變化，為方案優(yōu)化提供重要依據(jù)。首先根據(jù)混凝土配合比、澆注工藝、模板材料、氣象條件等參數(shù)，在有限元軟件中構(gòu)建熱力耦合分析模型。采用三維實(shí)體單元模擬混凝土，考慮水化熱、變形、徐變、干縮等多物理場(chǎng)效應(yīng)。在模型中施加分層分塊澆筑荷載，模擬混凝土的逐層澆筑過程，同時(shí)考慮太陽輻射、風(fēng)速等環(huán)境因素的動(dòng)態(tài)變化。通過數(shù)值模擬，可獲得混凝土內(nèi)部任意點(diǎn)的溫度時(shí)程曲線、溫度梯度云圖等，直觀反映溫度場(chǎng)的時(shí)空分布規(guī)律。

在澆筑過程中，利用無線溫度傳感器實(shí)時(shí)采集混凝土的溫度數(shù)據(jù)，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與有限元預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)對(duì)比，校核和修正計(jì)算模型。當(dāng)監(jiān)測(cè)溫度超出控制標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，可通過調(diào)整澆筑速度、添加冰水等措施動(dòng)態(tài)優(yōu)化澆筑方案。例如，在高大體積混凝土基礎(chǔ)施工中，可通過分析確定合理的澆筑分塊數(shù)量和澆筑時(shí)間間隔，將最大溫差控制在25 ℃以內(nèi)。通過有限元分析與實(shí)時(shí)監(jiān)控相結(jié)合，有針對(duì)性地指導(dǎo)混凝土澆筑過程，有效降低溫度裂縫風(fēng)險(xiǎn)，顯著提升混凝土結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量和使用性能。

3.3多物理場(chǎng)耦合模擬預(yù)測(cè)裂縫風(fēng)險(xiǎn)

針對(duì)大體積混凝土內(nèi)部自收縮開裂這一工程難題，可以借助先進(jìn)的數(shù)值分析技術(shù)來精準(zhǔn)預(yù)測(cè)裂縫風(fēng)險(xiǎn)。多物理場(chǎng)耦合數(shù)值模擬可同時(shí)考慮混凝土內(nèi)部的溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)等多個(gè)物理量之間的相互作用，從而準(zhǔn)確預(yù)測(cè)裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展。具體實(shí)施流程如下：

根據(jù)實(shí)際工程采用的混凝土配合比、外界環(huán)境條件、結(jié)構(gòu)尺寸等參數(shù)，建立多物理場(chǎng)耦合有限元模型。在模型中考慮混凝土的非均質(zhì)性和非線性特征，采用復(fù)雜本構(gòu)關(guān)系描述材料性能，如考慮溫度對(duì)彈性模量、徐變、干縮等性能的影響。然后在有限元模型中施加實(shí)際的澆筑工況、外界溫濕度條件等，模擬混凝土澆筑后的水化熱反應(yīng)和內(nèi)部溫度場(chǎng)變化。同時(shí)，利用多尺度理論建立混凝土微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能的關(guān)聯(lián)，量化骨料、砂漿、界面過渡區(qū)等微觀組分對(duì)裂縫的影響。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)分析，獲得混凝土內(nèi)部任意點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)隨時(shí)間的演化規(guī)律。將應(yīng)力狀態(tài)與混凝土抗拉強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)時(shí)對(duì)比，即可判斷裂縫發(fā)生的時(shí)間和位置。對(duì)于高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，可進(jìn)一步模擬裂縫的擴(kuò)展路徑和寬度，為后續(xù)的加固措施提供依據(jù)。例如：在大體積筏板基礎(chǔ)施工中，可通過多物理場(chǎng)分析確定基礎(chǔ)內(nèi)部溫差應(yīng)力最大的區(qū)域，合理布置預(yù)留應(yīng)力槽、防裂鋼筋等措施。值得一提的是，多物理場(chǎng)分析可在施工前進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而有針對(duì)性地指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，將裂縫風(fēng)險(xiǎn)消滅在萌芽狀態(tài)。

3.4流變模型指導(dǎo)高強(qiáng)混凝土施工工藝

為破解高強(qiáng)混凝土泵送和振搗這一難題，流變模型可作為一把金鑰匙，實(shí)現(xiàn)從宏微觀角度對(duì)高強(qiáng)混凝土施工工藝的量化表征與優(yōu)化控制。首先通過標(biāo)準(zhǔn)流變儀器如同心圓筒流變儀、毛細(xì)管流變儀等，測(cè)試不同配合比高強(qiáng)混凝土的剪切力剪應(yīng)變率曲線，定量獲取其塑性黏度、屈服應(yīng)力等關(guān)鍵流變參數(shù)。其次依據(jù)混凝土類型選取恰當(dāng)?shù)谋緲?gòu)模型，如常用的Bingham模型、改進(jìn)的Herschel-Bulkley模型等，對(duì)實(shí)測(cè)流變參數(shù)進(jìn)行擬合，建立起配合比、流變性能與施工工藝的定量關(guān)聯(lián)。

在泵送工藝方面，以混凝土管道內(nèi)復(fù)雜的實(shí)際流動(dòng)過程為研究對(duì)象，綜合考慮流變性能、管路布置、壓力損失等影響因素，構(gòu)建并求解管內(nèi)非牛頓流動(dòng)控制方程，獲得流速、壓力沿程分布曲線和臨界流動(dòng)狀態(tài)判據(jù)，據(jù)此優(yōu)化泵送設(shè)備型號(hào)、布管方案等。

在振搗工藝方面，利用粒子法、格子Boltzmann方法等數(shù)值流變模擬技術(shù)，再現(xiàn)混凝土在模板中的振動(dòng)流動(dòng)與沉降致密過程，獲得工藝參數(shù)如振幅、頻率對(duì)流動(dòng)性能的影響規(guī)律，并結(jié)合樣板實(shí)測(cè)與智能算法反演，定制部位特定的最優(yōu)振搗工藝參數(shù)域。針對(duì)鋼筋密集、深窄構(gòu)件等特殊振搗工況，提出復(fù)合式分層分區(qū)振搗工藝，即采用插入式與附著式振動(dòng)器組合布置，并匹配差異化的激勵(lì)參數(shù)，保障局部與整體振實(shí)質(zhì)量，降低缺陷風(fēng)險(xiǎn)。

4結(jié)語

針對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)施工過程中的裂縫控制、溫度收縮應(yīng)力管理以及高強(qiáng)混凝土工藝適應(yīng)性等難點(diǎn)，探索了一條基于虛擬仿真技術(shù)的創(chuàng)新解決之路。展望未來，虛擬仿真技術(shù)與混凝土結(jié)構(gòu)施工實(shí)踐的深度融合空間依然廣闊，亟須產(chǎn)學(xué)研各界攜手并肩，在夯實(shí)基礎(chǔ)研究的同時(shí)，加快關(guān)鍵核心技術(shù)的工程化應(yīng)用步伐。

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