一種大體積混凝土測(cè)溫裝置的研制與應(yīng)用

韓曉峰 崔亞超 康樂(lè)

國(guó)網(wǎng)山西送變電工程有限公司 山西 太原 030006

在變電土建施工中主變基礎(chǔ)、GIS基礎(chǔ)、配電樓筏板基礎(chǔ)等均為大體積混凝土，澆筑混凝土體量大，并要求一次性連續(xù)整體澆筑，施工組織難度挑戰(zhàn)性大。大體積混凝土在澆筑過(guò)程中由于內(nèi)外溫度差而產(chǎn)生的熱應(yīng)力，容易產(chǎn)生溫度裂紋，對(duì)結(jié)構(gòu)的整體性、耐久性、抗?jié)B性等重要性能造成嚴(yán)重影響。

目前電力行業(yè)土建工程傳統(tǒng)大體積混凝土施工多采用人工監(jiān)控溫度。存在：存在數(shù)據(jù)采集處理不及時(shí)。數(shù)據(jù)分析量大、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性差、受人為因素影響大、溫度控制效率低、無(wú)法很直觀傳達(dá)大體積混凝土內(nèi)部溫度的變化的缺點(diǎn)。

項(xiàng)目結(jié)合工程實(shí)際情況，開發(fā)設(shè)計(jì)一種大體積混凝土測(cè)溫裝置。該裝置能解決混凝土測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)采集處理不及時(shí)，數(shù)據(jù)分析量大、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性差、受人為因素影響大、溫度控制效率低、無(wú)法很直觀傳達(dá)大體積混凝土內(nèi)部溫度的變化等問(wèn)題。

1 主要用途

本裝置可實(shí)現(xiàn)模擬仿真、溫度監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)查看、報(bào)警統(tǒng)計(jì)等功能，避免變電施工大體積混凝土出現(xiàn)結(jié)構(gòu)裂紋。

2 技術(shù)原理

基于 BIM 的大體積混凝土溫控系統(tǒng)技術(shù)路線如圖1所示，其中BIM 數(shù)控與交互中心是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分。BIM信息管理平臺(tái)構(gòu)架，由數(shù)據(jù)層、模型信息層、功能應(yīng)用層三部分組成。

圖1 技術(shù)原理圖

數(shù)據(jù)層以數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ), 將 BIM 模型每個(gè)構(gòu)件的設(shè)計(jì)、技術(shù)、質(zhì)量、日志等屬性信息分類存儲(chǔ)；模型信息層將3D、2D模型幾何信息、施工養(yǎng)護(hù)過(guò)程溫度動(dòng)態(tài)采集信息、溫度預(yù)警信息等以窗口形式可視化展示出來(lái)；功能應(yīng)用層通過(guò)各個(gè)模塊功能的設(shè)計(jì)，能實(shí)現(xiàn)建模、溫度數(shù)據(jù)收集、溫度預(yù)警分析、仿真模擬等。

3 模塊設(shè)計(jì)

BIM模型模塊：以通過(guò)Revit 軟件建模，根據(jù)設(shè)計(jì)要求和施工工藝，對(duì)大體積混凝土施工過(guò)程仿真建模，實(shí)現(xiàn)施工模擬，從而進(jìn)一步優(yōu)化施工過(guò)程，建模模型如圖2所示。

圖2 承臺(tái)基礎(chǔ)建模

溫度監(jiān)測(cè)模塊：在混凝土澆筑前，提前在測(cè)溫點(diǎn)處預(yù)埋測(cè)溫導(dǎo)線，通過(guò)測(cè)溫裝置實(shí)時(shí)采集溫度數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫裝置顯示屏不僅能顯示16個(gè)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，還可通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)綇V聯(lián)達(dá)智慧工地系統(tǒng)決策平臺(tái)系統(tǒng)平臺(tái), 在平臺(tái)3D圖形位置同步反應(yīng)混凝土溫度變化，從而更好地觀測(cè)溫度的分布情況。

溫度預(yù)警模塊：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)裝置采集的溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù), 通過(guò)計(jì)算混凝土里外溫度差, 若結(jié)果大于設(shè)定的溫度預(yù)警閾值,系統(tǒng)會(huì)將預(yù)警信息通過(guò)可視化窗口顯示，提醒現(xiàn)場(chǎng)采取降溫措施。

仿真模擬計(jì)算：將 BIM 模型轉(zhuǎn)換為有限元模型，使用MIDAS FEA來(lái)計(jì)算基礎(chǔ)施工期內(nèi)部溫度場(chǎng)及仿真應(yīng)力場(chǎng)，如圖3所示。通過(guò)考慮比熱、容重、熱傳導(dǎo)率、外界溫度、澆筑溫度等參數(shù)的影響, 將基礎(chǔ)模擬成具有一定比熱和熱傳導(dǎo)率的結(jié)構(gòu)，將澆筑混凝土后的170個(gè)小時(shí)分為5個(gè)步驟分別進(jìn)行了水化熱分析。通過(guò)計(jì)算基礎(chǔ)施工期內(nèi)部溫度場(chǎng)及仿真應(yīng)力場(chǎng)，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果制定不出現(xiàn)有害溫度裂縫的溫控標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)的溫控措施。模擬混凝土的澆注、成長(zhǎng)過(guò)程，能考慮到澆筑溫度、施工間歇期、混凝土水化熱的散發(fā)規(guī)律、養(yǎng)護(hù)方式、外界氣溫變化、混凝土及基巖彈模變化、混凝土徐變等復(fù)雜因素。通過(guò)將模擬情況與實(shí)測(cè)情況進(jìn)行對(duì)比分析, 可以清楚地判斷出現(xiàn)異常情況的部位。

圖3 基礎(chǔ)溫度場(chǎng)

4 關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新點(diǎn)

創(chuàng)新點(diǎn)1：提出大型有限元軟件MIDAS FEA來(lái)計(jì)算基礎(chǔ)施工期內(nèi)部溫度場(chǎng)及仿真應(yīng)力場(chǎng)，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果制定不出現(xiàn)有害溫度裂縫的溫控標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)溫控措施。承臺(tái)基礎(chǔ)MIDAS FEA建模圖如圖4所示。

圖4 基礎(chǔ)建模

創(chuàng)新點(diǎn)2：研發(fā)基于NTC熱敏電阻的多路溫度無(wú)線監(jiān)測(cè)設(shè)備，構(gòu)建大體積混凝土的多路溫度采集和傳輸平臺(tái)。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)混凝土測(cè)溫點(diǎn)溫度和測(cè)溫曲線，同步傳送記錄相關(guān)數(shù)據(jù)至BIM工作平臺(tái)，數(shù)據(jù)可記錄、可追溯。設(shè)備電路板圖紙如圖5所示。

圖5 電路板圖

創(chuàng)新點(diǎn)3：提出在BIM系統(tǒng)中依據(jù)施工工藝要求對(duì)大體積混凝土進(jìn)行3D建模，三維形式同步直觀反映相應(yīng)測(cè)溫點(diǎn)位置混凝土溫度曲線變化，在智慧工地決策在線系統(tǒng)中顯示。如圖6所示。

圖6 智慧工地決策在線系統(tǒng)3D模圖

5 與同類先進(jìn)成果主要技術(shù)指標(biāo)比對(duì)

王培培等[1]提出了一種基于NTC熱敏電阻的溫度實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，利用IGBT模塊內(nèi)部集成的負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻，將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為頻率信號(hào)，通過(guò)光纖隔離后輸入至邏輯處理芯片(CPLD)，經(jīng)邏輯處理后在上位機(jī)進(jìn)行溫度實(shí)時(shí)顯示。林文強(qiáng)[2]介紹了大體積混凝土澆筑完成后全自動(dòng)多點(diǎn)溫度采集、無(wú)線遠(yuǎn)距離傳輸和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。吳林等[3]介紹了一種基于RS-485總線的溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)多路溫度數(shù)據(jù)的采集、管理、顯示與打印等功能。包曉梅[4]以某預(yù)應(yīng)力箱梁橋研究溫度分布對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的影響，采用自動(dòng)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)溫度采集系統(tǒng)采集現(xiàn)場(chǎng)溫度數(shù)據(jù)，并運(yùn)用軟件ANSYS進(jìn)行分析；中國(guó)水利水電研究院等提供了一種混凝土拌合樓骨料溫度和出機(jī)口混凝土溫度信息采集方法，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境溫度、風(fēng)速、濕度，對(duì)測(cè)量的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行修正使溫度測(cè)量更準(zhǔn)確。

綜上所敘述，傳統(tǒng)的有限元軟件建立有限元分析模型是一個(gè)獨(dú)立的操作過(guò)程, 容易面臨復(fù)雜構(gòu)件模型難以建立以及模型參數(shù)需多次修改、耗時(shí)較長(zhǎng)等問(wèn)題，而且對(duì)建立的模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，又不能保證溫度場(chǎng)的精確分析。將有限元仿真計(jì)算數(shù)據(jù)與 BIM 的信息管理進(jìn)行結(jié)合, 開發(fā)具備事前計(jì)劃、實(shí)時(shí)控制、動(dòng)態(tài)管理的信息系統(tǒng)就成為了可能。

本項(xiàng)目能對(duì)建筑進(jìn)行實(shí)體建模, 運(yùn)用數(shù)字化、信息化手段采集混凝土溫度、產(chǎn)量和消耗等數(shù)據(jù)，通過(guò)測(cè)溫點(diǎn)預(yù)先安裝測(cè)溫傳感器，將實(shí)時(shí)溫度上傳至信息平臺(tái)，實(shí)時(shí)展示并提示溫度超差預(yù)警, 解決傳統(tǒng)方法中數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理分析滯后的問(wèn)題,從而有利于施工過(guò)程的精細(xì)化管理。對(duì)于提高變電站施工管理的智能化水平具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

6 推廣情況及前景

該裝置能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)混凝土內(nèi)外溫度變化，通過(guò)智慧工地系統(tǒng)了解施工點(diǎn)位溫度、溫差、降溫速率，超過(guò)預(yù)警溫差值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)及時(shí)報(bào)警，避免出現(xiàn)大體積混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量事故。解決傳統(tǒng)方法中數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理分析滯后的問(wèn)題，從而有利于施工過(guò)程的精細(xì)化管理。對(duì)于提高變電站施工管理的智能化水平、提升智慧施工應(yīng)用深入具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

7 節(jié)能減排及經(jīng)濟(jì)效益

7.1 經(jīng)濟(jì)效益

在大同某500kV變電站新建工程、太原某220kV變電站新建工程中得到充分應(yīng)用，大同某500kV新榮變電站主變、構(gòu)架、GIS基礎(chǔ)大體積混凝土方量4160方，太原某220kV變電站筏板基礎(chǔ)方量約為3300方，混凝土內(nèi)外溫差、溫度控制速率及溫度回升梯度滿足溫控要求，現(xiàn)場(chǎng)大體積混凝土施工完成后經(jīng)復(fù)檢未發(fā)現(xiàn)裂縫，相關(guān)成本費(fèi)用分析表如表1所示。

表1 成本節(jié)約費(fèi)用分析表

7.2 社會(huì)效益

基于BIM+工作平臺(tái)的大體積混凝土溫控裝置能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)混凝土內(nèi)外溫度變化，通過(guò)智慧工地系統(tǒng)了解施工點(diǎn)位溫度、溫差、降溫速率，并提示溫度超差預(yù)警, 解決傳統(tǒng)方法中數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理分析滯后的問(wèn)題，從而有利于施工過(guò)程的精細(xì)化管理。對(duì)于變電土建施工的智能化管理具有重要意義和工程價(jià)值，對(duì)智慧工地施工具有十分重要的借鑒和推廣意義。

8 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)將有限元分析軟件與BIM平臺(tái)、智慧工地進(jìn)行融合，有效地預(yù)防因溫度控制不及時(shí)而引起的質(zhì)量問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)施工過(guò)程精細(xì)化管理。隨著BIM技術(shù)的不斷發(fā)展，在施工過(guò)程控制中的應(yīng)用將會(huì)更加廣泛，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的提出也為今后更加廣泛的智能化工程管理提供了參考。