大體積混凝土BIM智能溫控系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

廖哲男　魏巍?┱粵? 張亞婷

摘 要：

傳統(tǒng)大體積混凝土通水冷卻施工多采用人工監(jiān)控溫度，存在數(shù)據(jù)采集處理不及時、監(jiān)測數(shù)據(jù)準確性差、溫度控制效率低等問題，針對這些問題，開發(fā)一種BIM智能溫控系統(tǒng)。具體方法為：選擇Revit、Navisworks等BIM軟件進行二次開發(fā)；利用控制計算機、溫度數(shù)據(jù)采集設(shè)備、自控閥門循環(huán)水泵、無線網(wǎng)絡(luò)通訊及橋接設(shè)備、工業(yè)集成軟件服務(wù)器及客戶機等搭建溫度測控系統(tǒng)；建立溫度預(yù)警機制并搭載人工智能控制算法，通過無線傳輸接收測溫元件傳遞的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)自動判別溫度異常情況并控制冷卻水管閥門的開關(guān)；在BIM實體模型中標記實際測溫點的相對應(yīng)位置，使系統(tǒng)以三維形式同步直觀反映相應(yīng)測溫點位置混凝土溫度曲線變化，并提供預(yù)警功能。系統(tǒng)在寸灘長江大橋中進行了測試，結(jié)果表明，系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)準確靈敏且預(yù)警及時，溫度采集的精確度和效率均得到提高，溫度控制較為理想。

關(guān)鍵詞：

BIM技術(shù)；大體積混凝土；可視化；智能控制

中圖分類號：TU712.2

文獻標志碼：A 文章編號：16744764（2016）04013207

大體積混凝土在施工階段產(chǎn)生的溫度應(yīng)力往往超過外荷載引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，使混凝土產(chǎn)生溫度裂縫，對結(jié)構(gòu)的整體性、耐久性、抗?jié)B性等重要性能造成嚴重影響。因此，大體積混凝土的施工質(zhì)量是一個重要的控制點。常用的大體積混凝土溫度控制方法主要有分層澆筑、預(yù)埋冷卻水管、跳倉法施工、骨料預(yù)冷等[1]。其中，預(yù)埋水管通水冷卻是以散熱降溫為出發(fā)點的一種人工溫度控制措施，即利用冷卻水流動使熱量在盡量短的時間內(nèi)耗散[2]。傳統(tǒng)的通水冷卻方法多采用人工監(jiān)控，現(xiàn)場數(shù)據(jù)、信息都需手動采集，存在監(jiān)測數(shù)據(jù)準確性差、溫度控制效率低、受人為因素影響大等缺點，且工作人員距離澆筑點較近，有安全隱患[3]。

現(xiàn)代信息化技術(shù)的發(fā)展為這些弊端提供了解決方案，人們已經(jīng)在不斷探求一種實時高效、智能精確的溫度控制方法。林鵬等[4]提出建立一種大體積混凝土通水冷卻智能溫度控制方法與系統(tǒng)，實現(xiàn)遠程實時、在線復(fù)雜通水信息的自動采集與反饋控制。陳志遠等[5]提出通過預(yù)設(shè)溫度變化過程線和實測混凝土溫度進行冷卻水流的通斷決策，提出對冷卻通水的自動控制的新方法。Jing等[6]提出建立用于溫度控制和裂紋預(yù)防的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。杜小凱等[7]建立了一種動態(tài)智能溫控系統(tǒng)，利用GPS技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、自動化監(jiān)測技術(shù)和數(shù)值仿真技術(shù)對動態(tài)智能溫控進行了分析與探究。住建部2015年6月指出施工企業(yè)要全面推行基于BIM應(yīng)用的施工管理模式和協(xié)同工作機制，綜合應(yīng)用數(shù)字監(jiān)控、移動通訊和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)施工現(xiàn)場集成通訊與動態(tài)監(jiān)管，進一步提高施工精度、效率和安全保障水平[8]。BIM技術(shù)與實時監(jiān)測控制的集成研究日趨深入，在現(xiàn)場施工、資源管理、進度控制等方面在不斷嘗試多種實時控制系統(tǒng)，并與RFID及GPS結(jié)合形成各種資源跟蹤技術(shù)[9]。筆者在結(jié)合傳統(tǒng)的大體積混凝土施工溫控技術(shù)方法基礎(chǔ)上，提出BIM技術(shù)與冷卻水管相結(jié)合的大體積混凝土溫控方案，開發(fā)出具有數(shù)據(jù)存儲、信息查詢、數(shù)據(jù)分析、預(yù)警和自動控制等功能的大體積混凝土BIM智能溫控系統(tǒng)。該系統(tǒng)在重慶寸灘長江大橋北錨碇施工中進行了試用，取得了較好了效果。

1 工程概況

重慶寸灘長江大橋總長1.6 km，跨江主橋主跨880 m，橋面寬度38 m，南北兩岸引橋總長720 m，屬特大懸索橋。兩岸錨碇均為重力式錨碇，明挖擴大基礎(chǔ)，其中，北錨碇基礎(chǔ)平面尺寸為56 m×58 m，基座以上扣除錨體需要空間，均采用片石混凝土壓重，基底采用階梯式，整個錨體在平面呈U 形，錨塊、鞍部均采用實體結(jié)構(gòu)。錨碇基礎(chǔ)、壓重塊、錨塊等均屬大體積混凝土施工。

2 基于BIM的大體積混凝土溫控系統(tǒng)

2.1 BIM溫控系統(tǒng)設(shè)計原理

與傳統(tǒng)冷卻通水溫控方法相比，在基于BIM的溫度控制系統(tǒng)中，工作人員通過自動控制平臺對冷卻水的通斷進行遠程控制，改善傳統(tǒng)方法中主要依靠人工采集、錄入和處理數(shù)據(jù)的問題，減少了數(shù)據(jù)傳遞過程中人為因素的影響；通過BIM溫控平臺和工業(yè)控制協(xié)議的結(jié)合，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時動態(tài)采集和反饋，可解決傳統(tǒng)方法中數(shù)據(jù)采集、處理滯后的問題，提高數(shù)據(jù)處理的效率；BIM實體模型攜帶各類物理信息與現(xiàn)場信息，以三維模式直觀、動態(tài)反映混凝土溫度變化情況，改善了傳統(tǒng)溫控中二維、抽象的數(shù)據(jù)分析方法。BIM溫控系統(tǒng)主要設(shè)計原理為：首先依據(jù)施工工藝進行3D建模，在BIM虛擬環(huán)境中按照施工組織設(shè)計進行施工模擬，以檢驗并優(yōu)化構(gòu)件之間的空間關(guān)系；然后搭建BIM溫控信息平臺，建設(shè)BIM溫控模塊，在混凝土中放置測溫元件，將信息平臺與現(xiàn)場測溫設(shè)備通過計算機相連接，經(jīng)監(jiān)測儀器實時采集溫度數(shù)據(jù)，并通過通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換傳輸至BIM信息平臺中，在已建3D建筑信息模型相應(yīng)測溫點位置中同步直觀反映混凝土溫度變化；最后在BIM溫控系統(tǒng)中建立溫度預(yù)警機制，搭載人工智能控制算法，系統(tǒng)自動判別溫度是否異常并通過無線傳輸發(fā)送指令，實現(xiàn)冷卻水管閥門的自動開關(guān)，從而實時調(diào)節(jié)水量并達到控制混凝土內(nèi)部溫度、減少混凝土內(nèi)外溫差的目的。

2.2 溫控系統(tǒng)組成

BIM溫控系統(tǒng)是作為BIM信息化管控平臺中的溫控模塊而建立，該平臺以歐特克公司Revit建模平臺作為模型的創(chuàng)建載體，在此基礎(chǔ)上利用Microsoft .NET Framework、Javascript及HTML、C++、Autodesk CAD、Autodesk Revit、Naviswork等搭建而成。平臺整體界面如圖1所示。開發(fā)該BIM信息化管控平臺時，針對橋梁錨碇大體積混凝土施工設(shè)置了溫度測控模塊。溫度測控模塊是利用控制計算機、溫度采集儀（KJ8215A）、溫度傳感器（ZT8911C）、自控閥門循環(huán)水泵（具備ModBus控制通訊協(xié)議）、無線網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備、無線網(wǎng)絡(luò)橋接設(shè)備、工業(yè)集成軟件服務(wù)器及客戶機等搭建而成，溫度測控模塊軟件底層采用C++進行跨平臺開發(fā)，可支持Windows、Linux、Mac OS以及Android等多系統(tǒng)設(shè)備，整個平臺在物理設(shè)備的架構(gòu)上充分考慮使用環(huán)境的復(fù)雜度，使用ModBus及TCP/IP通用協(xié)議，可通過無線、有線、3G網(wǎng)絡(luò)單個或混合整合進行工作，便于在復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境中平滑切換、靈活運用，溫控模塊構(gòu)架圖見圖2、圖3。

2.3 BIM溫控系統(tǒng)特點

1）為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，且結(jié)合施工現(xiàn)場環(huán)境的復(fù)雜性及廣闊性的特點，通訊方式采用無線橋接模式，某個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點故障不影響整個系統(tǒng)平臺網(wǎng)絡(luò)通訊。

2）系統(tǒng)供電除常規(guī)電源外，配備UPS電源，且UPS電源容量保證整套通訊設(shè)備在斷電情況下穩(wěn)定運行30 min以上。

3）溫度采集儀、自控閥門、無線網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備等關(guān)鍵設(shè)備采用一備一用方式，保證系統(tǒng)硬件出現(xiàn)故障后及時更換。

4）系統(tǒng)軟件在正常運行情況下，采用自動控制模式控制閥門。網(wǎng)絡(luò)不通暢達到5 min時，可自動切換到手動模式，并發(fā)出預(yù)警。

5）溫度采集儀配備存儲設(shè)備，在網(wǎng)絡(luò)不通暢時，可儲存2 h溫度數(shù)據(jù)，以最大限度保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的完整性。

2.4 工作流程設(shè)置

BIM溫控系統(tǒng)的工作流程設(shè)置如圖4所示。

3 BIM溫控系統(tǒng)的應(yīng)用

以重慶寸灘大橋北錨碇大體積混凝土施工為例進行說明。

3.1 BIM參數(shù)化模型的建立

北錨碇BIM建模采用Revit2014軟件平臺，完全按照現(xiàn)場施工工藝進行，主要分為基礎(chǔ)建模、錨碇建模以及后澆帶的建模?；A(chǔ)建模采取分塊分層方法，分塊方法：基礎(chǔ)豎向劃分為8層，下3層對稱均勻分成4塊，在縱、橫橋向中線上均設(shè)置2 m寬的后澆帶。錨碇建模又分為錨塊及壓重塊、散索鞍支墩、錨室施工、錨桿及后錨梁；錨塊及壓重塊建模豎向分為12層，后澆段建模在索鞍支墩之后，共6 m分4層建立；錨室豎向按4.5 m高共劃分為5層建模，側(cè)墻帶錨室頂蓋一起建模；再分別對錨桿及后錨梁建模，完成后進行定位安裝如圖5。

3.2 溫度標準設(shè)定

BIM溫度控制系統(tǒng)的溫度標準依據(jù)傳統(tǒng)方法設(shè)定，即結(jié)合傳統(tǒng)的溫度控制原則和主要施工部位混凝土絕熱溫控計算結(jié)果設(shè)定。

混凝土內(nèi)部點和邊界點的早期溫度有相似的變化規(guī)律，當混凝土澆注后，溫度迅速上升，根據(jù)《大體積混凝土施工規(guī)范》（GB 50469—2009）規(guī)定，混凝土澆筑體基于入模溫度的溫升值不宜大于50 ℃、里表溫差不宜大于25 ℃、降溫速率不宜大于2 ℃/d、表面與大氣溫差不宜大于20 ℃[10]。在澆筑混凝土前，各測溫元件所傳輸?shù)漠斚碌臏囟葹榄h(huán)境溫度，從混凝土澆筑時起，所測的溫度為混凝土入模溫度，后續(xù)測得的溫度最大值與入模溫度之差即為溫升值，溫度控制要以盡量降低混凝土溫升、延緩最高溫度出現(xiàn)時間、控制降溫速率為原則[11]。

1） 絕熱溫控計算。

針對北錨碇建立計算公式及有限元模型，根據(jù)混凝土物理、熱學(xué)性能試驗同時考慮混凝土絕熱升溫值、彈性模量、徐變度、放熱系數(shù)等參數(shù)[12]，并進行北錨大體積混凝土的內(nèi)部溫度場及仿真應(yīng)力場計算，采用MIDAS/FEA進行有限元計算分析大體積混凝土水化熱、內(nèi)部溫度曲線、節(jié)點應(yīng)力等，最終經(jīng)計算分析得到每層混凝土內(nèi)部最高溫度、內(nèi)外最大溫差及最高溫度發(fā)生的時間和位置等，從而初步判斷混凝土內(nèi)外溫差是否在允許范圍內(nèi)。統(tǒng)計后最終計算分析結(jié)果如圖6所示。

根據(jù)計算模型結(jié)果，混凝土內(nèi)部最高溫度為55 ℃，混凝土溫升峰值基本在第20～32 h內(nèi)到達，即在混凝土水化熱初期，內(nèi)部混凝土溫度與表面混凝土溫度具有較大的差值，在此時應(yīng)加強溫度監(jiān)測并及時采取措施。

2）溫度標準設(shè)定。

根據(jù)對混凝土的溫升計算分析，結(jié)合預(yù)估入模溫度得到混凝土內(nèi)部預(yù)估的最高溫度，從而在系統(tǒng)中進行標準軟件的編寫，作為溫控的標準，編制溫度標準曲線。對于最大溫升的掌握，視施工時天氣條件下入模溫度的高低力求靈活機動[13]（混凝土的入模溫度應(yīng)視氣溫而調(diào)整，最好能控制在25 ℃以內(nèi)，不應(yīng)超過28 ℃）。冷卻過程分為一期、中期、二期進行，通過一期冷卻降低水化熱溫升，即在混凝土澆筑后立刻通水進行降溫，使混凝土內(nèi)部最高溫度不大于50 ℃，內(nèi)外溫差小于25 ℃；中期冷卻為防止一期降溫后溫度回升；二期則為使混凝土冷卻到最終穩(wěn)定溫度。BIM溫控系統(tǒng)中溫度標準曲線示意圖如圖7所示。

3.3 溫度測控

3.3.1 溫度監(jiān)測

溫度監(jiān)測是實時檢驗混凝土溫度變化是否符合溫度標準、溫控措施是否有效的重要工作。溫度監(jiān)測的實現(xiàn)基礎(chǔ)是溫度數(shù)據(jù)的采集，采用MODBUS總線串口通訊結(jié)構(gòu)的測量系統(tǒng)，根據(jù)大體積混凝土溫度規(guī)范要求布置測點，將溫度感應(yīng)器（ZT8911C）埋入混凝土，北錨碇壓重塊第4層傳感器平面布置圖如圖8所示。在BIM模型相同位置上設(shè)置測溫點，澆筑混凝土?xí)r冷卻管進口采用每管一閥，每閥通過溫度測控系統(tǒng)進行單獨控制，如圖9所示。溫度采集儀依據(jù)預(yù)先設(shè)定的溫度傳感器編號，每間隔1 s采集1次溫度傳感器的溫度值。溫度信號從傳感器傳入PID調(diào)節(jié)器，通過MODBUS通訊協(xié)議將溫度數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為計算機可識別信號，自動錄入BIM模型中進行數(shù)據(jù)分析處理，并作出進一步控制措施，采用自動化的數(shù)據(jù)處理方法，一方面節(jié)約了人力，避免人工錄入可能造成的數(shù)據(jù)遺失或精確度不高等影響。以重慶寸灘大橋北錨碇壓重塊第4層混凝土溫度控制為例，根據(jù)測溫點傳來的數(shù)據(jù)在模型中自動生成曲線圖形如圖10所示，包括每個測點內(nèi)部溫度、頂面溫度、環(huán)境溫度及冷卻水管出水口、入水口溫度。溫度數(shù)據(jù)將與材料信息、進度信息等一同作為BIM模型數(shù)據(jù)庫中的一部分，無論是前期的分析計算還是后期的查詢調(diào)取都體現(xiàn)了BIM技術(shù)即時化、可視化、動態(tài)控制的特點。

3.3.2 溫度預(yù)警

測控裝置搭載算法軟件后儲存溫控設(shè)計要求、水溫與流量、混凝土溫度等數(shù)據(jù)，對通水降溫的效率進行計算，并將混凝土內(nèi)部溫度與設(shè)計要求的目標溫度進行比較[1416]。當混凝土傳輸至計算機的溫度超過相應(yīng)點設(shè)定的限值時，模型中對應(yīng)的監(jiān)測點會在周邊區(qū)域內(nèi)以顏色變化（呈現(xiàn)紅色）的形式預(yù)警（圖11），每個測溫點的溫度數(shù)據(jù)均在BIM模型中直觀反映，溫度出現(xiàn)異常的傳感器編號、時間點、數(shù)值大小、與標準溫度的差值都呈現(xiàn)在溫控平臺上。以重慶寸灘大橋北錨碇壓重塊第4層混凝土溫度控制為例，共設(shè)8個測溫點，測溫點起始溫度較正常，峰值溫度過后一段時間內(nèi)溫度偏離標準溫度，則模型中測溫區(qū)域紅色亮顯提示，表明需及時采取控制措施。當測溫點較多或多處工程部位同時施工時，溫控系統(tǒng)優(yōu)勢更為明顯，可以根據(jù)BIM模型更為直觀的查看各處溫度情況，每一次預(yù)警情況及處理情況相關(guān)的信息都儲存在系統(tǒng)中，作為后期進行分析總結(jié)和優(yōu)化方案研究的參考資料。

3.3.3 溫度控制

系統(tǒng)中預(yù)警發(fā)出后，系統(tǒng)會自動給出指令采取降溫措施，算法軟件根據(jù)對數(shù)據(jù)的分析確定降溫水的流量大小，控制閥門開關(guān)調(diào)整通水量，并保證數(shù)據(jù)監(jiān)測持續(xù)不間斷，待溫度回落至正常范圍內(nèi)后，則預(yù)警取消，閥門關(guān)閉。整個遠程控制指令的操作由控制電動閥實現(xiàn)，電動閥使用電能作為動力，通過電動執(zhí)行機構(gòu)來驅(qū)動閥門，實現(xiàn)閥門的開關(guān)動作，從而達到對管道介質(zhì)的開關(guān)目的。如果是在控制室控制電動閥，把轉(zhuǎn)換開關(guān)打到REMOTE位置，然后通過SCADA系統(tǒng)控制電動閥的開關(guān)。

3.4 應(yīng)用效果分析

系統(tǒng)在實際工程中的應(yīng)用表明：

1）測試中，環(huán)境溫度在21～27 ℃之間變化，冷卻水管進出口溫差在1.2～10.8 ℃之間變化，表面溫度最高為27.6 ℃，混凝土內(nèi)部溫度峰值在混凝土澆筑后1 d后出現(xiàn)，峰值為53.5 ℃，隨后溫度逐步下降并維持在22～26 ℃，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)場大體積混凝土施工完成后經(jīng)復(fù)檢未發(fā)現(xiàn)裂縫。

2）BIM溫控系統(tǒng)通過計算機終端直接采集溫度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)及時、準確，便于管理人員掌握現(xiàn)場動態(tài)情況，并實現(xiàn)遠程自動控制。

3）系統(tǒng)對測溫點數(shù)據(jù)進行分析，自動生成同步溫度變化曲線，同時，每個測溫點都在BIM實體模型中對應(yīng)位置以三維形式顯示，使整個控制過程更為直觀、形象。

4）溫度信息存儲于BIM管控平臺，便于后期查詢、分析和管理。

4 結(jié) 論

通過BIM溫控系統(tǒng)采集的溫度數(shù)據(jù)及時、準確，且通過3D模型處理數(shù)據(jù)更為直觀，提高了溫控精細化程度，也有效降低了人工勞動強度，提高了工作效率。隨著BIM技術(shù)的不斷發(fā)展，在施工過程控制中的應(yīng)用將會更加廣泛，為工程活動帶來更多技術(shù)和社會效益。

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（編輯 胡英奎）