BIM技术应用于混凝土抗压强度有效控制研究*

林乙玄

(福建林业职业技术学院建筑工程系 福建南平 353000)

建筑施工时的主要材料为混凝土，其抗压强度直接影响建筑结构的安全性能[1-3].影响混凝土抗压强度的因素较多，例如，原材料、配合比与制备工艺等[4].为提升混凝土质量，需要充分考虑混凝土抗压强度的影响因素，有效控制混凝土抗压强度，提升建筑结构施工的安全性[5].郑海忠等人按照相似分析原理，无量钢化处理混凝土抗压强度控制参数，获取相关相似准数，通过有限元计算获取相似准数间的关系，进行混凝土抗压强度控制.该方法可有效分析混凝土抗压强度的影响因素，完成抗压强度有效控制[6].陈林等人利用机器学习算法，预测混凝土抗压强度，通过萤火虫算法，优化机器学习算法的参数，提升抗压强度预测精度，通过对比分析预测抗压强度与标准值，进行抗压强度有效控制.该方法可有效预测混凝土抗压强度，实现抗压强度控制[7].但上述方法均需真实制备混凝土试件，导致混凝土抗压强度控制的成本较高，存在资源浪费问题.BIM技术具备可视化、完备性、协调性与互用性等优势，在建筑领域被广泛应用.应用BIM技术，不仅能够加快工作效率，提升工作质量，还能降低工作成本，节约资源[8-10].为此，研究BIM技术应用于混凝土抗压强度有效控制方法，在提升混凝土抗压强度控制效果的同时，降低抗压强度有效控制成本.

1混凝土抗压强度有效控制

在混凝土抗压强度有效控制中，应用BIM技术，可提升混凝土抗压强度有效控制的可视化效果，应用BIM技术控制混凝土抗压强度的流程如图1所示.

图1 混凝土抗压强度有效控制流程

应用BIM技术，有效控制混凝土抗压强度时，共包含四个阶段，分别是决策阶段、设计阶段、BIM模型建立阶段与抗压强度有效控制阶段.具体步骤如下：

(1)决策阶段.按照混凝土的设计定位与预算，策划混凝土制备方案.

(2)设计阶段.按照混凝土制备方案，结合不同专业间的协同优化方式，设计标准的混凝土制备方案.

(3)BIM模型建立阶段.按照设计的标准混凝土制备方案，选择合适的混凝土制备材料，并在材料库内，查询是否存在符合要求的材料，若存在符合要求的材料，则直接调用[11]；反之，重新定义新材料，并加入材料库内.依据选择的材料参数，利用仿射变换理论，建立混凝土构件的坐标变换矩阵，完成构件空间定位；通过构件空间定位结果，建立混凝土BIM模型.

(4)抗压强度有效控制阶段.计算混凝土BIM模型的抗压强度，并与混凝土抗压强度标准值进行对比分析，若抗压强度大于标准值，则所设计混凝土质量合格[12]；反之，所设计混凝土质量不合格，需进行混凝土设计优化，并重新计算混凝土抗压强度.

(5)输出最终的混凝土制备方案以及BIM模型，完成混凝土抗压强度有效控制.

1.1 混凝土BIM模型构建

基于BIM技术的混凝土模型构建步骤如下：

(1)以IFC(industry foundation class)为数据标准，在混凝土制备相关BIM文件内，删除无效的冗余信息[13]，提取构建混凝土BIM模型需要的有价值信息.

(2)利用仿射变换理论，建立混凝土构件的坐标变换矩阵，以该矩阵为基础，将混凝土构件的局部坐标点，还原成整体坐标系，得到全部混凝土构件的空间定位结果.

(3)依据选择的混凝土制备材料参数，生成材料对象，存储至材料表内，并返回编号[14]，如果材料表汇总已存在该对象，则直接返回编号.

(4)获取混凝土构件的形状表达，得到其全部端点，生成截面与节点对象，并存储至截面与节点表内，得到对应的编号.

(5)按照形状表达确定混凝土BIM模型的单元类型，按照各编号的单元属性[15]，生成单元对象，并存储至单元表内，返回单元编号.

(6)反复操作步骤(2)至步骤(5)，以全部混凝土构件生成相应的结构单元为止.

(7)按照混凝土构件的空间定位结果，分割和组装单元，确保各单元间为有效连接，得到初步构建的混凝土BIM模型.

(8)通过单元空间位置修正算法，修正初步构建的混凝土BIM模型，得到精度更高的混凝土BIM模型.

令混凝土构件X的仿射变换是Q，混凝土构件的变换公式如下：

Q(X)=T(X)+p

(1)

式(1)中，线性变换是T(X)；变换矢量是p.

线性变换计算公式如下：

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

(2)

式(2)中，实数是c1、c2；两个混凝土构件是X1、X2.

二维欧式空间上，混凝土构件仿射变换为：

(3)

将式(3)变更成齐次坐标形式，公式如下：

(4)

(5)

(6)

式(6)中，旋转矩阵是Rx、Ry、Rz；平移向量是tx、ty、tz.

通过式(6)可获取混凝土构件的三维空间坐标.

1.2混凝土抗压强度计算

对2.1小节构建的混凝土BIM模型进行抗压强度计算，令混凝土的成熟度是M，计算公式如下：

(7)

混凝土抗压强度G的计算公式如下：

G=α+βlog(M)

(8)

其中，常数是α、β.

混凝土等效龄期τe计算公式如下：

(9)

混凝土抗压强度受时间影响的变化率函数为：

(10)

(11)

式(11)中，参考温度下的速率常数是Vr.

为此，以式(8)为基础，获取考虑龄期的混凝土抗压强度计算公式如下：

(12)

式(12)中，参考温度下，混凝土具备抗压强度的龄期是τr.

1.3混凝土抗压强度有效控制标准

同批次混凝土抗压强度是否合格的判定标准为：

(13)

(14)

当混凝土抗压强度同时满足式(13)与式(14)，那么说明该批次混凝土抗压强度判定结果为合格，反之，该批次混凝土抗压强度判定结果为不合格，需要重新设计混凝土，以混凝土抗压强度判定结果为合格为止.

单个混凝土抗压强度是否合格的判定标准为：

(15)

2实验结果与分析

以某建筑工程为实验对象，该建筑工程为整体时框架结构，结构安装等级是2级，使用年限为70年，该建筑的高度是19.960m，地震烈度是7度，层数为5层.该建筑工程各混凝土构件的强度等级需求如表1所示.

表1 各混凝土构件的强度等级

利用文章方法依据设定混凝土等级，为各强度等级的混凝土选择合适的制备参数，混凝土制备参数选择结果如表2所示.

表2 混凝土制备参数选择结果

由表2可知，文章方法可有效按照混凝土等级需求，选择合适的制备参数，为后续混凝土BIM模型构建提供数据支持.

在需要制备的混凝土构件内，随机选择20个混凝土构件，利用文章方法对这20个混凝土构件进行空间定位，混凝土空间定位结果如图2所示.

图2 混凝土构件空间定位结果

根据图2可知，文章方法可有效对混凝土构件进行空间定位，且空间定位结果与实际位置非常接近，说明文章方法混凝土构件空间定位的精度较高.实验证明：文章方法可精准定位混凝土构件的空间位置，为后续混凝土BIM模型构建提供位置数据.利用文章方法依据选择混凝土制备参数，与混凝土构件空间定位结果，构建混凝土BIM模型，混凝土BIM模型构建结果如图3所示，以C30混凝土为例.

(a)全局构建结果 (b)局部构建结果

根据图3可知，文章方法可有效依据选择的混凝土制备参数，以及混凝土构件空间定位结果，构建全局与局部混凝土BIM模型，为用户呈现各角度的混凝土构建结果.实验证明：文章方法具备混凝土BIM模型构建的可行性.

利用文章方法计算混凝土BIM模型的抗压强度，并对其进行抗压强度有效控制，混凝土抗压强度计算结果如图4所示，以C30等级的混凝土为例，混凝土BIM模型数量为10个.

图4 混凝土抗压强度计算结果

根据图4可知，文章方法可有效计算混凝土BIM模型的抗压强度，由抗压强度计算结果可知，编号为4与6的混凝土BIM模型抗压强度，超过了抗压强度上限值，说明这两个混凝土质量不合格，需要重新设计，编号为7的混凝土BIM模型抗压强度，低于抗压强度下限值，说明该混凝土质量不合格，需要重新设计.实验证明：文章方法具备混凝土BIM模型抗压强度计算的可行性，并及时发现抗压强度不合格的混凝土BIM模型，对其进行重新设计，实现混凝土抗压强度有效控制.在不同过火时间时，利用文章方法对不同等级的混凝土进行抗压强度控制，各等级混凝土抗压强度的有效控制结果如图5所示，各等级混凝土构件均选择3个.

(a)C 30等级混凝土构件的抗压强度控制结果

根据图5(a)可知，随着过火时间延长，3个C30等级的混凝土构件抗压强度均呈下降趋势，当过火时间达到70min时，3个混凝土构件的抗压强度均趋于稳定，不再发生改变，3个混凝土构件的抗压强度分别稳定在30MPa、34Mpa、29MPa左右，均未低于抗压强度下限，说明文章方法可有效控制C30等级混凝土抗压强度，令其抗压强度保持在标准值以内.根据图5(b)可知，随着过火时间延长，3个C40等级的混凝土构件抗压强度变化趋势与C30等级混凝土构件变化趋势一致，当过火时间达到60min时，3个混凝土构件的抗压强度均趋于稳定，不再发生改变，3个混凝土构件的抗压强度分别稳定在42MPa、41Mpa、40MPa左右，均未低于抗压强度下限，说明文章方法可有效控制C40等级混凝土抗压强度，令其抗压强度保持在标准值以内，相对于C30等级混凝土，其抗压强度趋于稳定的时间略短.根据图5(c)可知，过火时间与C50等级的混凝土构件抗压强度具有负相关关系，当过火时间达到50min时，3个混凝土构件的抗压强度均趋于稳定，不再发生改变，3个混凝土构件的抗压强度分别稳定在55MPa、51Mpa、52MPa左右，均未低于抗压强度下限，说明文章方法可有效控制C50等级混凝土抗压强度，令其抗压强度保持在标准值以内，相对于C40等级混凝土，其抗压强度趋于稳定时间短了10min.

综合分析可知，文章方法可有效对不同等级以及不同过火时间下的混凝土进行抗压强度控制，令各混凝土构件的抗压强度均保持在标准值内，提升混凝土质量.

3结语

混凝土抗压强度与建筑结构施工的安全性息息相关，为此，研究BIM技术应用于混凝土抗压强度有效控制方法，通过构建混凝土BIM模型，分析混凝土抗压强度是否符合施工需求，对不符合施工需求的混凝土进行抗压强度有效控制，确保全部混凝土抗压强度符合施工标准，提升建筑结构施工安全性.