基于IFC标准的结构耐久信息模型

刘文鹏 叶英华 刁 波

(北京航空航天大学土木工程系,北京 100191)

1 引言

建筑工程耐久性近年来引起世界各国的广泛重视。根据 2009年统计,世界消耗水泥、钢材总量的一半在中国,煤炭消耗总量的 60%在中国。我国建筑物的平均寿命仅有 30年。这些数据表明钢筋混凝土结构耐久性已经成为节能、环保、降低碳排放量等我国基本国策的重要研究领域。BIM(Building Information Model)技术是对建筑工程信息的全生命期管理的关键技术,而建筑结构耐久性分析需要综合考虑建筑全生命期的影响因素,因此将 BIM技术应用于结构耐久性评估领域是十分必要的。

本文研究了现有耐久性评估理论和《混凝土结构耐久性设计规范》,总结提炼了对结构进行耐久性评估和耐久性设计的理论方法,并分析相关影响因素,提取了结构构件的耐久性属性,在此基础上建立了结构耐久信息模型,并将该结构耐久信息模型与 IFC标准进行了数据的映射,扩展了 IFC信息模型,实现了基于 IFC技术的结构耐久信息数据的交换与共享。

2 结构耐久信息模型的建立

结构耐久信息模型是指包含耐久性分析所需数据的建筑信息模型。耐久性分析所需的数据主要根据现有的耐久性分析理论模型总结与提炼,本文通过研究现有的耐久性分析理论,提炼出耐久性影响因素,这些因素分布于建筑全生命期的各个阶段,因此需要综合建筑模型,结构模型,施工信息以及现场检测数据共同建立结构耐久信息模型。

2.1 混凝土结构耐久性的相关信息

混凝土结构耐久性是指构件或结构系统在一定时期内维持其安全性、适用性的能力,结构耐久性是指结构性能随时间的变化。因此,混凝土结构耐久性的实质是其耐久性的变化与时间的关系模型。混凝土结构耐久信息可以分为材料耐久信息、构件耐久信息和结构耐久信息三个层面。

材料耐久信息主要涉及材料配比、混凝土强度、水灰比 、施工条件 (温度、湿度、振捣质量等)、养护环境(温湿度)、混凝土碳化、钢筋锈蚀、冻融循环、碱 -集料反应以及化学侵蚀等方面;构件耐久性包括钢筋锈蚀导致的混凝土沿钢筋方向锈胀开裂以及锈后构件承载力;结构耐久性包括构件连接和结构整体的耐久性。

2.2 混凝土结构耐久性分析机理

混凝土结构耐久性损伤的劣化现象主要有混凝上的碳化、混凝土中的钢筋锈蚀、裂缝及结构的过大变形。

混凝土碳化是混凝上中的碱与环境中的二氧化碳发生化学反应生成碳酸钙的过程,它使混凝土的碱性降低,从而失去对钢筋的保护作用,是一般大气环境混凝土中钢筋锈蚀的前提条件。衡量混凝土碳化的指标为碳化深度。混凝土碳化后,在适当的条件下钢筋产生锈蚀。另外,有氯离子存在时(如在海洋环境、工业建筑的盐环境、混凝土中掺加氯盐及除冰盐的路桥等),即使混凝土仍保持强碱性,钢筋也会发生锈蚀。钢筋锈蚀用钢筋锈蚀面积率、钢筋锈蚀截面损失率、钢筋锈蚀深度等指标表示。混凝土裂缝指由于混凝土的收缩、温度应力、地基的不均匀沉降及载荷的作用,使混凝土产生裂缝;混凝土中的钢筋锈蚀将导致混凝土产生沿筋的纵向裂缝;混凝土冻融、碱 -集料反应也使混凝土产生裂缝。混凝土裂缝一般采用裂缝宽度作为度量指标。结构的过大变形主要是荷载作用下(包括振动与疲劳)梁、板的过大变形及不均匀沉降引起的过大变形。对混凝土结构进行耐久性评估从以上几个衡量标准的安全性和耐久性进行评价。从混凝土碳化角度,混凝土的碳化速度主要取决于二氧化碳的扩散速度和二氧化碳与混凝土中可碳化物咸的反应性。而二氧化碳气体的扩散速度则与混凝土本身的密实性、二氧化碳气体的浓度、环境温度及混凝土的干湿状态等因素有关,碳化反应则与混凝土中氧化钙的含量、水化产物的形态及环境的温湿度等因素有关,这些影响因素可以分为与环境有关的外部因素和与混凝土本身有关的内部因素两大类。对碳化速度产生影响因素是环境中二氧化碳的浓度、环境温度及环境湿度,水灰比,水泥品种,水泥用量,混凝土掺合料,混凝土抗压强度,施工质量。对混凝土中钢筋锈蚀产生影响的因素主要是是否使用含氯离子的外加剂(例如防冻剂)、钢筋的实际屈服强度和延伸率、是否采用阻锈剂、是否采用环氧涂层钢筋。恒载及频数、活载及频数也是影响混凝土结构耐久性的因素。

由上述分析可以看出,影响混凝土结构耐久性的因素既体现了多元化的特点,各个因素之间也相互影响,相互作用,共同决定结构的耐久性水平。

2.3 结构耐久信息模型

本研究建立的结构耐久信息模型考虑的劣化过程有碱骨料反应、混凝土碳化、氯离子侵蚀、硫酸根侵蚀、地下水中二氧化碳侵蚀、应力损失、冻融循环、干湿交替、水蚀作用。对应的混凝土劣化指标为剩余承载力、挠度、裂缝宽度;钢筋劣化指标包括钢筋锈蚀速度和截面损失率;构件及结构的外观劣化指标考虑风化、变形、剥落、露筋、锈蚀。

结构耐久信息模型是耐久性分析数据的载体,存储的数据分为原始工程数据和现场检测数据。

原始工程数据包括设计文件、原始施工资料和荷载统计三类。设计文件包括工程概况、结构构件几何尺寸,混凝土构件(基础、墙、梁、板、柱)的抗压强度设计值、钢筋等级及尺寸、混凝土保护层厚度、控制混凝土裂缝的构造措施;原始施工资料包括混凝土配合比、使用水泥的品种、水灰比、混凝土试块实测抗压强度、是否使用含氯离子的外加剂(例如防冻剂)、钢筋的实际屈服强度和延伸率、是否采用阻锈剂、是否采用环氧涂层钢筋;荷载统计包括恒载及频数、活载及频数。表1列出了结构耐久信息模型中用于耐久性规范验证的数据成员名称、类型和描述的信息种类。

表1 结构耐久信息模型规范验证相关数据成员

现场检测数据包括结构损伤检测、混凝土强度检测、钢筋锈蚀检测、结构整体检测与环境参数检测五类数据。具体包括混凝土裂缝(长度、宽度、深度及位置)、混凝土剥落表面积百分率、混凝土回弹仪检测强度、结构次要部位混凝土岩芯取样抗压强度、钢筋锈蚀截面损失率、锈蚀钢筋数量百分率、结构整体变形(刚度退化率)、环境类别及作用等级、温度、湿度及二氧化碳浓度、混凝土碳化深度、氯离子入侵速率及深度。

结构耐久信息模型通过将上述影响因素中的检测数据和设计数据进行封装,并编写因素之间的取值映射函数实现。本模型是结构耐久性分析软件系统开发的基础工作。

图1 IFC文件数据解析

3 IFC数据表达与扩展

3.1 IFC数据的表达

IFC标准以面向对象的 EXPRESS语言定义实体,以对象模型为存储数据的基本单位,包括实体模型如工程模型,场地模型,人员模型等;抽象模型如关系模型,属性集模型等;功能模型如几何模型,材料模型,荷载模型等。IFC通过模型之间的互相引用表达对象之间的关系和层次,形成了分层的树状数据存储形式。

以 IFC的墙对象和 IFC几何对象之间的关系为例,通过墙对象引用几何对象实现几何对象对墙对象的几何数据描述。墙对象的 Representation属性引用 IFC几何对象来表达实体构件被描述的“几何信息字块”。对 IFC文件的访问需要结合 IFC Schema文件中 IFC实体的定义对应 IFC文件中相应位置上的属性值得到数据的表达和交换信息,如图1所示。

目前的 IFC标准已有的数据包括几何模型和少量的材料模型,如 IFCWALL的实体定义如图2所示,其中阴影部分为由墙实体模型访问其几何模型经历的数据层。

图3为访问几何模型的程序图,通过访问相应的属性所引用的对象得到被引用对象的指针,通过该指针访问所指向对象的目标属性所引用的下一层对象,逐层深入的得到以顶点数据形式存储的平面多边形模型作为墙的一个表面的几何模型。类似的还有IFC构件的材料模型和荷载模型。

上述对 IFC几何数据的访问方法适用于任意IFC实体对象的任意属性数据的访问,包括耐久性分析需要的相关数据。然而,结构耐久信息模型的主要数据在 IFC中没有定义,需要根据耐久性分析的需求对 IFC模型进行扩展才能实现在软件系统之间的耐久性相关数据的交换。

3.2 IFC数据扩展

现有的 IFC模型中包含了结构模型,材料模型以及部分施工模型,尚缺乏耐久性分析所需的环境数据,荷载数据以及更加具体的材料和施工信息,因此实现结构耐久信息模型与 IFC模型的映射,必须对现有的 IFC标准进行扩展。IFC标准为数据扩展提供了多种方式,其中最灵活的为通过动态属性集进行扩展。

属性集模型,属性模型与实体模型之间的关系如图4所示,通过 IFC关系模型建立被描述实体模型与属性集模型的联系即可实现通过属性集模型扩展 IFC实体模型的功能需求。其中属性集模型为属性模型的容器,其装载了耐久性相关的所有属性,通过 Name属性标识属性集与属性的耐久性特征,实体模型,关系模型,属性集模型与属性模型在 IFC规范中的上述定义关系如图4所示。

建立的耐久性 IFC属性模型 IfcPropertySingle-Value的 Name属性取值分别为:

“DesignWorkingLife”,“EnvironmentClass”,

“ComponentType”,“CompressiveStrength”,

“WaterCementRadio”,“CoverThickness”,

“Precasted”,“MaxAggregateDiameter”,

“WaterErosion”,“AdmixtureContent”,与表1中数据成员对应。

至此建立了 IFC实体模型与结构耐久信息模型的数据映射关系,实现了 IFC文件和结构耐久信息模型数据交换,使建立的结构耐久信息模型能够应用于支持 IFC文件的软件系统。

4 结论

图2 IFC实体模型几何数据访问EXPRESS-G图

图3 IFC实体模型几何顶点数据访问程序

本文通过研究整合现有耐久性研究理论模型的关系和原理,提取出建筑,结构、施工、环境相关影响因素,建立了结构耐久信息模型,该模型作为结构构件耐久性信息的载体可被用于耐久性分析程序。在此基础上根据建立的结构耐久信息模型扩展了现有IFC标准,并建立了结构耐久信息模型与IFC模型之间的数据映射关系,使该结构耐久信息模型支持基于 IFC中性文件的数据交换方式,完善了 IFC标准结构信息模型,也促进了结构耐久性评估软件系统的开发。

图4 IFC实体模型属性集扩展相关模型定义

[1]GB/T 50476-2008,混凝土结构耐久性设计规范[S].

[2]ACI 318-08,Building Code Requirements for Structural Concrete[S]

[3]EN 1992-1-1:2004,Design of concrete structures[S]

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