基于BIM技術(shù)的大壩碾壓混凝土施工質(zhì)量安全監(jiān)測

胡金勇

(江西省吉安市水利局，江西 吉安 343000)

大壩是截河攔水的堤堰，水庫、江河等的攔水大堤，按照建筑工程的應(yīng)用需求，可以將大壩分為混凝土壩和土石壩兩類，大壩的類型根據(jù)壩址的自然條件、建筑材料、施工場地、導(dǎo)流、工期以及成本等綜合比較選定。在混凝土壩中常用到的原材料為碾壓混凝土，這種材料是一種干硬性貧水泥的混凝土，通過硅酸鹽水泥、火山灰質(zhì)摻和料、水、外加劑、砂和分級控制的粗骨料的混合與攪拌，獲得無坍落度的干硬性混凝土[1]。與傳統(tǒng)的混凝土材料相比，碾壓混凝土材料采用與土石壩施工相同的運輸和鋪筑設(shè)備，用振動碾分層壓實，因而具有體積小、強度高、防滲性能好、壩身可溢流等特點，同時也具備施工程序簡單、快速的優(yōu)點。

由于水利工程的不斷擴大和應(yīng)用，其發(fā)展措施不斷完善，混凝土施工規(guī)模也逐漸擴大，在施工中通過振動和碾壓實的新型混凝土施工技術(shù)和施工措施，同時在施工的過程中對施工的質(zhì)量與安全提出了更高的要求。碾壓混凝土是現(xiàn)階段水利工程壩體施工中的主要方式，采用合格的原材料加上先進的技術(shù)才能修建出合格的碾壓混凝土大壩工程。經(jīng)歷長時間的發(fā)展大壩碾壓混凝土施工技術(shù)形成了由小變大，逐漸完善的演變趨勢，在漫長的實踐總結(jié)中獲得不斷的提高。然而受到諸多因素的影響，大壩碾壓混凝土工程在施工中存在工程與設(shè)計不符、裂縫、混凝土強度不均等質(zhì)量問題，這些質(zhì)量問題可能會威脅到大壩碾壓混凝土施工過程以及竣工結(jié)果的運行安全，為此提出了大壩碾壓混凝土施工質(zhì)量安全監(jiān)測。

現(xiàn)階段國內(nèi)外先后提出了較為成熟的施工質(zhì)量安全監(jiān)測方法，其中典型的監(jiān)測方法包括基于Bayes判別理論的質(zhì)量安全監(jiān)測方法、基于RFID技術(shù)的質(zhì)量安全監(jiān)測方法以及基于GPS定位技術(shù)的質(zhì)量安全監(jiān)測方法。然而現(xiàn)階段混凝土施工質(zhì)量安全監(jiān)測方法在運行的過程中存在監(jiān)測時延長、監(jiān)測范圍小等問題，為此引入了BIM技術(shù)[2]。BIM技術(shù)也就是建筑信息模式，以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，集成了建筑工程項目中各種相關(guān)信息的工程數(shù)據(jù)模型，可以對工程項目設(shè)施實體與功能特性的數(shù)字化表達。BIM在建筑工程中的應(yīng)用模式根據(jù)參與方的不同可以分為3種應(yīng)用模式，分別為設(shè)計方驅(qū)動模式、施工方驅(qū)動模式也業(yè)主方驅(qū)動模式。結(jié)合大壩碾壓混凝土施工質(zhì)量安全監(jiān)測的設(shè)計需求，選擇BIM的合理應(yīng)用模式，實現(xiàn)對大壩碾壓混凝土施工質(zhì)量安全監(jiān)測方法的優(yōu)化設(shè)計，側(cè)面提升大壩碾壓混凝土施工的安全性和施工質(zhì)量。

1 大壩碾壓混凝土施工質(zhì)量安全監(jiān)測方法設(shè)計

大壩碾壓混凝土施工質(zhì)量和安全的有限管理必須以施工現(xiàn)場的實際數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采集施工現(xiàn)場的質(zhì)量安全監(jiān)督、施工質(zhì)量安全標準化、工程檢測、施工機械等信息，而傳統(tǒng)的檢測方法在信息的采集、傳輸、分析等方面尚缺乏有效的技術(shù)有段，且由于施工手段的落后以及信息收集工作量大，因此難以實現(xiàn)動態(tài)、實時的質(zhì)量安全抽檢和全過程的實時跟蹤。以解決上述問題為大壩碾壓混凝土施工質(zhì)量安全監(jiān)測方法的優(yōu)化設(shè)計目的，利用BIM技術(shù)，通過信息化技術(shù)的集成應(yīng)用，在建設(shè)項目的施工階段，采集建設(shè)工程參與各方的管理和建筑構(gòu)件等信息，以結(jié)構(gòu)化的形式保存[3]。然后通過建立建筑信息模型提高信息的分析與整合效率，在模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)可視化監(jiān)測數(shù)據(jù)判斷當前大壩碾壓混凝土的施工質(zhì)量以及安全性，及時預(yù)測和糾正施工與管理漏洞。此次施工質(zhì)量安全監(jiān)測方法大體分為施工階段和竣工驗收階段兩個部分進行具體的監(jiān)測，通過整合得出最終的安全監(jiān)測結(jié)果。另外在此次施工質(zhì)量的研究中，主要針對大壩碾壓混凝土的滲透和抗壓強度兩個方面進行具體的安全監(jiān)測工作，通過BIM技術(shù)的應(yīng)用保證監(jiān)測結(jié)果的可信度和準確性。

1.1 利用BIM建立大壩建筑信息模型

大壩建筑信息模型的建立可以實現(xiàn)大壩碾壓混凝土施工數(shù)據(jù)的可視化，從而提升監(jiān)測結(jié)果的精度和運算速度[4]。利用BIM技術(shù)分別從大壩碾壓混凝土施工階段和竣工驗收兩個階段，進行建筑信息模型的建立，其中施工階段的模型搭建框架見表1。

表1 混凝土施工階段建筑信息模型實施框架

在實際的建筑信息模型構(gòu)建過程中，首先利用無人機或衛(wèi)星設(shè)備獲取大壩碾壓混凝土工程的初始數(shù)據(jù)，設(shè)置硬件數(shù)據(jù)采集設(shè)備的數(shù)據(jù)采集高度、橫向與縱向的重疊度等參數(shù)，實現(xiàn)硬件設(shè)備的全自動化執(zhí)行任務(wù)和數(shù)據(jù)收集[5]。將采集獲取的數(shù)據(jù)安全不同的采集方位放入不同的文件中，分別計算數(shù)據(jù)的內(nèi)方位元素、外方位元素以及畸變系數(shù)，實現(xiàn)對初始數(shù)據(jù)的校正處理。將校正完成的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到BIM軟件當中，便可以直接輸出對應(yīng)的建筑信息數(shù)據(jù)模型，通過多個施工構(gòu)件的組合，得出大壩碾壓混凝土施工工程的建筑信息模型構(gòu)建結(jié)果。

1.2 設(shè)置碾壓混凝土施工質(zhì)量安全標準

大壩碾壓混凝土施工質(zhì)量安全標準的設(shè)置是為施工質(zhì)量安全監(jiān)測提供一個數(shù)據(jù)標準，實時監(jiān)測出的質(zhì)量安全數(shù)據(jù)可以與設(shè)置的安全標準做比對，便可以更加快速的判斷當前混凝土工程是夠存在質(zhì)量或安全問題[6]。大壩碾壓混凝土施工質(zhì)量安全標準的具體設(shè)置情況見表2。

表2 大壩碾壓混凝土施工質(zhì)量安全標準

表2中VC值表示的是拌合物稠度值。另外可以針對不同的參數(shù)值設(shè)置不同的施工質(zhì)量安全等級，并根據(jù)施工質(zhì)量安全監(jiān)測結(jié)果的等級，制定對應(yīng)的預(yù)警與維護方案[7]。

1.3 分析大壩碾壓混凝土施工過程

大壩碾壓混凝土工程的施工過程如圖1所示，根據(jù)實際工程和施工條件，以及設(shè)計要求的技術(shù)指標，選定合適的施工設(shè)備以及參數(shù)控制范圍，保證強度等基本條件。

圖1 大壩碾壓混凝土施工工藝流程圖

在執(zhí)行圖1中的施工工藝之前，首先要經(jīng)歷施工的準備階段，在準備階段需要確定碾壓混凝土原材料的配合比、計算原材料的各項力學(xué)指標[8]。根據(jù)《混凝土泵送施工技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定，碾壓混凝土的出口壓力必須為出口處垂直靜壓強和各類壓力損失之和，即滿足如下關(guān)系式：

P=P1+P2+P3

(1)

式中，P1、P2、P3—出口位置的靜壓力、施工過程中混凝土泵管和鋼拱拱內(nèi)構(gòu)造的壓力損失。結(jié)合碾壓混凝土原材料的物理性質(zhì)，即伸長量參數(shù)來確定施工過程中使用的預(yù)應(yīng)力[9]。假設(shè)大壩碾壓混凝土施工工程的實際伸長量與推算值誤差不超過6%，原材料張拉伸長量的計算公式為：

(2)

式中，PP、EP—平均張拉力和彈性模量。

PP參數(shù)的計算表達式為：

(3)

式中，x—張拉端到計算截面之間的管道長度；μ—預(yù)應(yīng)力作用下的摩擦系數(shù)；θ—從張拉端到計算截面曲線管道部分的切線夾角和。經(jīng)過反向推導(dǎo)便可以得出大壩碾壓混凝土施工的預(yù)應(yīng)力，計算公式為：

(4)

同理可以計算得出大壩碾壓混凝土施工工藝在執(zhí)行過程中所涉及的各個參數(shù)的具體取值，并將其作為施工質(zhì)量安全監(jiān)測指標[10]。

1.4 大壩碾壓混凝土施工力學(xué)分析

大壩碾壓混凝土施工除了自身的結(jié)構(gòu)重力之外，還有扣除收縮應(yīng)力、剩余彈性應(yīng)力以及徐變力等外力的施加，因此需要對大壩碾壓混凝土施工工程進行力學(xué)分析[11]。一般來講混凝土施工層面的抗剪強度可以用公式(5)計算：

τ=c+σtanφ

(5)

式中，c—黏結(jié)強度；t—時間；g—重力加速度；σ、φ—正應(yīng)力和內(nèi)摩擦角。碾壓混凝土的收縮應(yīng)力一般表達式為收縮終值與時間函數(shù)的成績，在常應(yīng)力作用下，t時刻引起的徐變應(yīng)變公式如下：

(6)

式中，f(τ)—常應(yīng)力；φ(t，τ)—徐變系數(shù)函數(shù)[12]。由此便可以得出大壩碾壓混凝土施工單元e應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系如圖2所示。

圖2 碾壓混凝土施工應(yīng)力與時間的關(guān)系圖

圖2中T為絕對時間，Te為施工單位e形成的時間，t表示的是相對時間。

1.5 動態(tài)計算碾壓混凝土施工質(zhì)量安全監(jiān)測參數(shù)

結(jié)合大壩碾壓混凝土施工力學(xué)的分析結(jié)果，可以確定工程施工質(zhì)量安全監(jiān)測參數(shù)，并綜合施工質(zhì)量安全的影響因素以及實時變化情況進行動態(tài)計算。在BIM建筑信息模型下收集施工實時數(shù)據(jù)，經(jīng)過整合得出大壩施工質(zhì)量安全監(jiān)測目標函數(shù)，即：

F=Opt(g(C，I，T))

(7)

式中，g(·)—監(jiān)測方法與手段；C、I、T—碾壓混凝土倉面的施工參數(shù)指標集合、質(zhì)量指標集合和安全指標集合[13]。各個指標集合中包含碾壓機械激振力、碾壓遍數(shù)、碾壓行進方向、混凝土VC值、 澆筑溫度、碾壓混凝土壓實度等參數(shù)?？紤]到施工現(xiàn)場的流水作業(yè)要求，施工質(zhì)量安全監(jiān)測各個單元的啟動與停止、循環(huán)的狀態(tài)由其單元運行歷時決定，因此可以得出施工質(zhì)量安全動態(tài)實時監(jiān)測狀態(tài)的轉(zhuǎn)移方程為：

(8)

式中，H—施工高程；We—施工結(jié)束時間；ΔW—大壩碾壓混凝土施工歷時時間；i—澆筑壩段；j—質(zhì)量安全監(jiān)測單元[14]。

1.6 大壩碾壓混凝土施工安全預(yù)警

將動態(tài)計算得出的大壩碾壓混凝土施工質(zhì)量安全監(jiān)測結(jié)果，與設(shè)置的碾壓混凝土施工質(zhì)量安全標準作比對，確定當前的施工安全等級，并執(zhí)行對應(yīng)的預(yù)警程序[15]。

2 對比實驗分析

為了測試設(shè)計基于BIM技術(shù)的大壩碾壓混凝土施工質(zhì)量安全監(jiān)測方法在實際施工項目工程中的應(yīng)用價值，設(shè)計對比實驗。將設(shè)計的施工質(zhì)量安全監(jiān)測方法應(yīng)用到實際的施工項目工程當中，得出監(jiān)測結(jié)果并與對比監(jiān)測方法的輸出結(jié)果作對比，從而驗證設(shè)計監(jiān)測方法的應(yīng)用性能。

2.1 實驗大壩碾壓混凝土工程背景

此次選擇的大壩碾壓混凝土工程為某市郊區(qū)為水庫修建的大壩，該大壩采用中承式鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，并將大壩修葺成拱壩的形狀結(jié)構(gòu)，大壩碾壓混凝土工程跨徑布置為22+80+22m。大壩上部結(jié)構(gòu)由拱肋、立柱、橫撐等多個部分組成，上拱肋為矩形斷面，鋼箱內(nèi)填充混凝土，下拱肋為鋼箱外包碾壓混凝土。為了保證施工工程的質(zhì)量以及實驗的可操作性，確定大壩施工工程的類型為中厚單曲拱壩。實驗中大壩碾壓混凝土工程原來的配合比見表3。

表3 大壩碾壓混凝土工程原材料配合比

2.2 統(tǒng)計碾壓混凝土施工工程數(shù)據(jù)

在準備的實驗施工工程背景下，通過調(diào)取工程項目數(shù)據(jù)得出工程施工的基本數(shù)據(jù)，需要調(diào)取的數(shù)據(jù)包括施工進度數(shù)據(jù)、工程量數(shù)據(jù)以及基本的項目工程計劃數(shù)據(jù)等。其中統(tǒng)計得出的大壩碾壓混凝土施工工程量結(jié)果如圖3所示。

圖3 大壩碾壓混凝土施工工程量統(tǒng)計數(shù)據(jù)

2.3 配置BIM技術(shù)運行環(huán)境參數(shù)

在實驗環(huán)境的主測計算機上下載安裝bim revit軟件，根據(jù)啟動程序的提示完成對關(guān)鍵運行環(huán)境的配置。設(shè)置BIM的初始值為默認值，環(huán)境背景為黑色。接著將大壩碾壓混凝土的相關(guān)施工數(shù)據(jù)代入到BIM軟件當中，得出對應(yīng)的施工現(xiàn)場建筑信息模型如圖4所示。

圖4 實驗施工現(xiàn)場的建筑信息模型

為了保證BIM構(gòu)建的信息模型數(shù)據(jù)的精準度，將大壩碾壓混凝土施工工程的構(gòu)建信息導(dǎo)入到實驗環(huán)境中，如圖5所示。

圖5 BIM運行環(huán)境下導(dǎo)入建筑構(gòu)件信息

通過建筑構(gòu)建信息的引入可以實現(xiàn)對施工模型精度的校正和調(diào)整。

2.4 施工質(zhì)量安全監(jiān)測方法測試過程

將設(shè)計的基于BIM技術(shù)的大壩碾壓混凝土施工質(zhì)量安全監(jiān)測方法導(dǎo)入到主測計算機中，經(jīng)過調(diào)試保證監(jiān)測方法可以順利運行，并得出如圖6所示的施工質(zhì)量安全監(jiān)測界面。

圖6 施工質(zhì)量安全監(jiān)測界面

為了形成對比，在實驗中分別采用傳統(tǒng)的施工質(zhì)量安全監(jiān)測方法和文獻[5]中提出的大壩碾壓混凝土施工質(zhì)量監(jiān)控方法，其中傳統(tǒng)的監(jiān)測方法主要利用安裝在施工現(xiàn)場的攝像機和傳感器設(shè)備，通過對實時采集的數(shù)據(jù)分析，確定當前施工的狀態(tài)以及質(zhì)量安全情況。文獻[5]中提出的監(jiān)測方法是在硬件支持的情況下，利用三維掃描技術(shù)提升了監(jiān)測結(jié)果的精度。將兩種對比方法以相同的操作步驟導(dǎo)入到實驗環(huán)境中，并得出對應(yīng)的監(jiān)測界面。在實際的運行過程中，3種方法均可以調(diào)用大壩碾壓混凝土施工數(shù)據(jù)，但兩種對比方法與BIM軟件之間未形成鏈接。

2.5 施工質(zhì)量安全監(jiān)測方法測試結(jié)果對比

通過3種施工質(zhì)量安全監(jiān)測方法的運行，分別得出了大壩碾壓混凝土施工工程中施工壓實厚度、實時施工溫度等監(jiān)測指標數(shù)據(jù)結(jié)果。結(jié)合此次監(jiān)測方法的優(yōu)化設(shè)計目的，設(shè)置監(jiān)測方法測試性能指標為監(jiān)測結(jié)果的誤差值，利用BIM軟件設(shè)置實驗項目數(shù)值，并與施工質(zhì)量的安全監(jiān)測結(jié)果進行對比，便可以得出有關(guān)于監(jiān)測精度的測試對比結(jié)果見表4。

從表4中可以看出施工質(zhì)量的安全等級被劃分成五個部分，一級至五級具體的形變量區(qū)間分別為：[35，∞]，[25，35]，[15，25]，[10，15]和[-∞，10]。將不同監(jiān)測方法輸出的結(jié)果與設(shè)置數(shù)據(jù)對比，分別得出對應(yīng)的平均監(jiān)測誤差，其中傳統(tǒng)方法與文獻[5]提出監(jiān)測方法的平均誤差分別為1.82mm和1.3mm，而設(shè)計施工質(zhì)量安全監(jiān)測方法的平均誤差為0.36mm。由此可見設(shè)計監(jiān)測方法的檢測誤差明顯低于對比方法，即基于BIM技術(shù)的大壩碾壓混凝土施工質(zhì)量安全監(jiān)測的監(jiān)測精度更高。

表4 施工質(zhì)量安全監(jiān)測精度對比數(shù)據(jù)

3 結(jié)語

通過基于BIM技術(shù)的大壩碾壓混凝土施工質(zhì)量安全監(jiān)測與傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)的誤差對比分析，前者的監(jiān)測精度低于傳統(tǒng)方法一個數(shù)量級，故本文認為該技術(shù)較好地完成了案例的監(jiān)測工作。由于該技術(shù)尚處于探索研究階段，對于是否能夠全面適應(yīng)各種不同類型的大壩碾壓混凝土還需進行大量的工程性驗證。與此同時，除了大壩以外的其他水利工程所包含的水工構(gòu)筑物也涉及大量混凝土施工環(huán)節(jié)，因此將該技術(shù)推廣應(yīng)用至其他水工領(lǐng)域也對提高我國水利工程施工質(zhì)量起到積極的作用。