基于BIM技术的绿色装配式建筑构建质量检测方法_王青.pdf

安阳工学院学报Journal of Anyang Institute of Technology Vol.22 No.2（Gen.No.122）Mar.,2023第22卷第2期（总第122期）2023 年 3 月DOI:10.19329/ki.1673-2928.2023.02.016基于 BIM 技术的绿色装配式建筑构建质量检测方法王 青（合肥科技职业学院，合肥 230088）摘 要：对建筑质量的检测可以有效避免发生建筑事故。为了提高绿色装配式建筑的构建质量检测性能，提出一种基于Building information modeling（BIM）技术的绿色装配式建筑构建质量检测方法。在装配式建筑问题输入函数的基础上，将建筑的构建质量问题分为施工过程产生的问题、生产问题和设计问题，通过构建各项问题的分析函数和追踪函数，利用聚类算法划分建筑构建质量信息的层次，结合信息采集的条件集合，采集了绿色装配式建筑的构建质量信息。根据建筑结构损伤的概率，构建绿色装配式建筑的结构特征方程，利用建筑结构的刚度矩阵，计算建筑结构频率和振型的灵敏度系数，完成建筑结构的灵敏度分析。将 BIM 技术与三维激光扫描技术结合在一起，检测了绿色装配式建筑构建质量。实验结果表明，文中方法可以检测出绿色装配式建筑是否存在构建质量问题，并将质量检测耗时控制在 8 min 以内。关键词：BIM 技术；建筑构件；灵敏度；质量检测；装配式建筑；信息采集中图分类号：U448 文献标志码：A 文章编号：1673-2928（2023）02-0083-05装配式建筑因节能节材在我国的建筑业中起到了很大的促进作用。由于装配式施工技术出现得比较迟，有关技术的研究相对薄弱，而且没有一个完善的安全系统，所以建筑构建质量问题频繁发生1。由于混凝土自身的特点，预制板在加工中会出现开裂，长期使用会造成钢材的腐蚀，从而影响建筑的承载能力。现在，装配式建筑已经成为最有争议的一种结构2。由于其建设速度较快，对生态环境的影响较低，因此在国内得到了快速发展，并在建筑业中逐步推广应用。随着装配式施工技术的迅速发展，其质量检测问题也不容忽视3。施工期间或完工后，若发生质量问题，将会给居民的生活与财产带来无法估量的后果，因此，建筑构建质量与居民的生活和安全息息相关。瞿富强等通过对江苏省 13 个大型预制装配式混凝土部件生产企业的调研和取样，建立了包括管理、环保、技术等 6 个层次、18 个指标的安全评估体系，并对各个指标的影响进行了分析，得出了各个因素的影响程度，运用模糊评判方法对其进行了评估4。通过对 13 个项目的分析，发现 13 个项目中的工程项目质量风险属于中等，技术和经营的风险高于其他类型。陈蓉芳等采用了基于实证的方法，构建了工程项目建设的质量评价指标，并采用了层次分析法（Analytic Hierarchy Process,AHP）方法，对各评价指标进行了评价，并给出了相应的评价指标权重5。在此基础上，利用区间 AHP 和 Fuzzy 相结合的方法，建立了一个综合评价体系。利用此模式对 X 理工大学新校园内的装配式建筑进行了风险评价，得到了其在制造和安装前的风险、安装后的安全隐患以及在安装后的质量检验风险分别处于低、中等水平，整体的危险程度处于中等水平。运用区间 AHP 和Fuzzy 的模糊数学模型进行了工程质量评价，其结果是可靠、易于实现的，值得推广应用。基于以上研究背景，本文将Building information modeling（BIM）技术应用到绿色装配式建筑构建质量检测中，从而避免发生建筑工程事故。1 绿色装配式建筑构建质量检测方法设计1.1 采集绿色装配式建筑构建质量信息在绿色装配式建筑构建质量检测中，主要是对建筑施工过程中存在的各种问题、生产问题以及设计问题进行检测6。在检测之前，需要建立装配式建筑问题输入函数，表示为：f(s)=QLD （1）其中，Q 表示错误编码问题，L 表示灌浆施工中孔隙堵塞问题，D 表示建筑材料的断裂问题。在实际的施工过程中，导致上述 3 个问题出现的程序是不同的，假设 Q1、Q2和 Q3分别表示施工时、生产时和设计时出现的错误编码问题，L1、L2和 L3分别表示施工时、生产时和设计时出现的灌浆孔堵塞问题，D1、D2和 D3分别表示施收稿日期：2023-02-10基金项目：安徽省自然科学重点项目：基于绿色建筑理念的 BIM 技术在装配式建筑中的应用研究（KJ2021A1605）。作者简介：王青（1991），女，硕士，讲师，研究方向为装配式建筑节能和建筑工程计量与计价。2023 年安阳工学院学报84工时、生产时和设计时出现的建筑材料断裂问题，根据以上各项参数，建立了建筑构建质量检测中的问题分析函数，表示为：g(s)=Q1L1D1 Q2L2D2 Q3L3D3f(s)（2）将公式（1）和公式（2）结合在一起，可以得到建筑构建质量检测中施工问题、生产问题和设计问题的追踪函数，表示为：(s)=f(s)g(s)（3）采集绿色装配式建筑构建质量信息之前，根据问题追踪函数对建筑构建质量的识别结果，利用聚类算法7对建筑构建质量信息进行分类：()ijabdDe=（4）式（4）中，dij表示建筑构建质量信息 ai与 bj之间的距离，(e)表示建筑构建质量信息的采集指标集。根据建筑构建质量信息之间的距离，可以对其进行层次聚类8，在绿色装配式建筑构建质量检测的数据库中，包括施工过程中产生的质量检测数据、生产过程的质量检测数据和设计过程的质量检测数据。将公式（3）和公式（4）的结果统计出来，上传到质量检测的数据库中9，即可得到质量检测信息，基于此，构建了信息采集的条件集合，表示为：（5）基于问题分析函数和追踪函数，利用信息采集的条件集合，采集绿色装配式建筑构建质量信息，即：（6）()()()()srf sg s=式（6）中，表示影响质量信息采集的阈值。通过构建装配式建筑问题输入函数，利用聚类算法对建筑构建质量信息进行分类，利用信息采集的条件集合，采集绿色装配式建筑构建质量信息。1.2 分析绿色装配式建筑结构的灵敏度在检测绿色装配式建筑的构建质量时，需要对建筑结构的灵敏度进行分析。先搭建建筑结构质量检测的测试样本集 Xi，通过计算样本集 Xi的聚类输出10，得到建筑结构出现损伤的概率，即：11 exp()lspx=+（7）式（7）中，()x表示样本集 Xi的聚类输出值，l 表示建筑结构的损伤类别，s 表示聚类输出的类别，和表示聚类参数。采用有限单元对绿色装配式建筑结构进行分析11，得到 r 阶频率和 a 阶振型，如果忽略阻尼系数对建筑结构灵敏度的影响，提取出建筑结构的特征，建立特征方程，表示为：(W-frZ)r =0 （8）其中，W 表示刚度矩阵，fr表示阶频率，r 表示质量矩阵，r 表示 a 阶振型。如果建筑结构的质量和刚度发生变化，其振型和频率也会发生变化。一般情况下，认为建筑结构的损伤就会导致其刚度发生一定变化 12，那么利用式（9）给出建筑结构的刚度矩阵：()11NiiiWW=（9）式（9）中，i表示刚度损伤系数，N 表示建筑结构单元的数量，Wi表示第 i 个构建单元的刚度矩阵。利用建筑结构的刚度矩阵，可以计算出建筑结构频率和振型的灵敏度系数，公式为：12rfririfSf W=（10）1nlllS=（11）式（11）中，l表示 l 阶振型建筑结构的灵敏度系数权重，可以通过下式计算：（12）()1220srirlffWsrsr=根据建筑结构损伤的概率，建立绿色装配式建筑的结构特征方程，利用建筑结构的刚度矩阵，计算建筑结构频率和振型的灵敏度系数，完成绿色装配式建筑结构的灵敏度分析。1.3 检测绿色装配式建筑构建质量借助 BIM 技术构建绿色装配式建筑三维模型，并依托三维激光扫描技术13，检测绿色装配式建筑构建质量。检测过程中，以 BIM 技术为操作平台，建立质量检测的原始矩阵 U。假设ki代表 BIM 建筑三维模型中控制层的元素，kij代表模型网络层的元素，为了提高质量检测性能，将 ki作为建筑构建质量检测指标体系中的评价标准，构建了质量检测的判断矩阵 P。通过对质量检测原始矩阵 U 进行预处理，得到加权超矩阵U：（13）111212122212nnmmmnUUUUUUUUUU=为了准确反映出建筑构建质量不同检测指标第二期85之间的关系，利用公式（13）的加权超矩阵U，建立建筑构建质量检测的极限矩阵：11limiiiMUUM=（14）根据建筑构建质量检测的极限矩阵，构建质量检测的模糊评价矩阵，在 BIM 三维模型中14，将质量检测二级指标变换成一级评价指标矩阵：（15）1ijijnijjusu=其中，sij表示质量检测标准中各个二级指标对应的隶属度，uij表示质量检测二级指标的数量。利用建筑质量检测的一级评价指标矩阵，构建建筑质量检测的模糊判断集：()12,tWUKw ww=（16）其中，K 表示建筑质量检测的评价过程。基于建筑质量检测的模糊判断集，结合 BIM技术参数和施工标准15，确定检测项目，并对每一个检测项目进行条形码标定。按照条形码的标定属性，对三维激光扫描技术得到的质量数据进行分析和计算，最终以数据库表的形式储存在数据库中。在标定条形码的过程中，按照质量检测所需的属性，将质量检测数据库与扫描参数对比，检测绿色装配式建筑的构建质量与施工标准是否相符。根据以上过程，利用 BIM 技术检测了绿色装配式建筑构建质量。2 实验对比分析2.1 实验平台采用 Matlab 软件在 Simulink 上搭建 1 个建筑构建质量检测监管信息平台作为实验平台，其运行参数如下：操作系统：Windows7。处理器型号：i8-6450M。处理器频率：3.2 GHz。内存：32 GB。在上述实验平台运行参数下，搭建了建筑构建质量检测监管信息平台，如图 1 所示。图 1 建筑构建质量检测监管信息平台图 1 的实验平台可以为建筑构建质量检测提供数据支撑，根据平台中上传的绿色装配式建筑工程数据，采集绿色装配式建筑构建质量数据。2.2 采集绿色装配式建筑构建质量数据在图 1 的实验平台依托下，采集绿色装配式建筑构建质量数据，为了确保绿色装配式建筑的构建质量，需要采集每一个构件的质量数据。本文以单个构件的最大荷载和最大应力为质量指标，得到如表 1 所示的数据。如果各个构件的最大荷载和最大应力超过了表 1 中的值，说明绿色装配式建筑的构建质量较差；如果可以控制在表 1 的数值内，说明绿色装配式建筑的构建质量满足工程要求。表 1 绿色装配式建筑构建质量数据 构件名称最大荷载/kN最大应力/MPa阳台2.8135窗户3.7126室内独立柱3.1134外墙3.4128楼梯2.5127烟道2.9132挑檐3.2136通风道2.6125腰线2.8137室内回填土3.2133王 青：基于 BIM 技术的绿色装配式建筑构建质量检测方法2023 年安阳工学院学报862.3 建筑构建质量检测结果采用本文方法对绿色装配式建筑的构建质量进行检测，一种为存在质量问题的建筑构件，另一种为不存在质量问题的建筑构件，得到如图 2所示的检测结果。构件名称阳台窗户独立柱外墙挑檐楼梯烟道通风道腰线回填土2.2最大荷载/kN2.42.62.83.03.23.43.63.84.04.24.4存在质量问题的建筑构件不存在质量问题的建筑构件（a）最大荷载检测结果构件名称阳台窗户独立柱外墙挑檐楼梯烟道通风道腰线回填土122最大应力/MPa124126128130132134136138140142144存在质量问题的建筑构件不存在质量问题的建筑构件（b）最大应力检测结果图 2 建筑构建质量检测结果根据图 2 的结果可知，采用文中方法对绿色装配式建筑构建质量进行检测时，对于存在质量问题的建筑构件而言，最大荷载和最大应力的检测结果都超过了表 1 中的数值；而对于不存在质量问题的建筑构件，最大荷载和最大应力的检测结果满足工程要求。因此，文中方法可以有效检测出绿色装配式建筑构建质量。2.4 对比分析为了避免实验结果的单一性，引入基于网络层次