基于ZigBee的高層建筑混凝土智能化養(yǎng)護系統(tǒng)設計

肖琳，謝江斌，鄧榮華

（1.湖南工學院；2.湖南雁星建筑工程有限公司）

1 引言

現(xiàn)澆混凝土裂縫表現(xiàn)為表面龜裂、縱向和橫向裂縫以及斜向裂縫，已被列為建筑行業(yè)人人皆知的通病。裂縫不僅有損外觀，而且會引起鋼架腐蝕，內部組織疏松，破壞整體結構，影響強度和耐久性，嚴重時會導致建筑質量事故。裂縫出現(xiàn)的主要原因有設計、施工、養(yǎng)護、使用等方面原因，經分析因養(yǎng)護不規(guī)范而發(fā)生裂縫的現(xiàn)象尤其突出，混凝土澆筑施工后養(yǎng)護過程中的溫度與濕度控制不當，將導致出現(xiàn)收縮性裂縫。針對上述混凝土養(yǎng)護問題，本項目基于ZigBee技術[1]設計了高層建筑混凝土智能化養(yǎng)護系統(tǒng)[2-3]，系統(tǒng)既能根據環(huán)境條件，進行定時、定量養(yǎng)護，又能滿足養(yǎng)護連續(xù)性和全面性，可以極大地降低人工重復勞動、克服養(yǎng)護隨意性等問題，還可防止高層建筑因晝夜養(yǎng)護導致的安全事故發(fā)生，符合建筑業(yè)新技術要求。

2 工藝設計組成

本高層建筑混凝土噴淋養(yǎng)護系統(tǒng)，包括供水系統(tǒng)、控制系統(tǒng)[2]、ZigBee模塊及用于安裝在梁板上檢測溫濕度的溫度和濕度檢測模塊，供水系統(tǒng)包括安裝在供水管道中并用于控制供水管路通斷的電磁閥門、供水管線、供水管道末端連接的360o自動旋轉噴淋頭和變頻加壓系統(tǒng)，溫度和濕度檢測模塊與ZigBee模塊連接，ZigBee模塊與控制系統(tǒng)連接（見圖1）。

圖1 混凝土噴淋養(yǎng)護系統(tǒng)原理圖

3 智能化控制原理

控制系統(tǒng)包括主控制芯片和噴淋繼電器；Zigbee模塊與主控制芯片連接，開關繼電器連接電磁閥門的供電電路，并控制電磁閥門的電流通斷，主控制芯片控制開關繼電器的閉合和斷開；即控制系統(tǒng)控制開關電器閉合，電磁閥門通電開啟，使得噴淋頭噴水以實現(xiàn)對混凝土梁板、剪力墻進行噴淋養(yǎng)護。供水系統(tǒng)還包括變頻加壓裝置，加壓裝置連接供水管路，控制系統(tǒng)還包括與主控制芯片連接供水繼電器，主控制芯片控制供水繼電器的閉合和斷開，供水繼電器連接加壓裝置的供電電路并控制加壓裝置的電流通斷（見圖2）。

圖2 主控制系統(tǒng)電路圖

系統(tǒng)中溫度和濕度檢測模塊為溫濕度傳感器，溫濕度傳感器與Zigbee模塊連接，在沒有障礙時自動接收信號最遠距離達到100m?？刂葡到y(tǒng)還包括串行調試接口和復位開關，串行調試接口連接主控制芯片，復位開關連接主控制芯片。主機采用施工用電直供，內設直流轉換電源，輸出安全電壓為24V。各傳感器用電采用可反復充放電蓄電池，方便安裝和確保地面整潔。噴頭繼電器電路如圖3所示，加壓繼電器的電路如圖4所示。

圖3 噴頭繼電器電路圖

圖4 加壓繼電器的電路圖

4 智能養(yǎng)護技術特點

4.1 系統(tǒng)安全實用

高層建筑施工工期緊、施工人員密集，工序搭接復雜，施工安全有嚴格要求，系統(tǒng)設計上充分考慮現(xiàn)場的特殊性，在供電和通信上盡量減少導線連接，實行整體封裝。設計采用安全電壓，其中主控制器構件和電磁閥門24V，溫濕度傳感器5V。數據通信基于ZigBee無線網絡技術傳輸。主控制器和溫濕度傳感器密水性好、安全實用。設計符合建筑工程項目安全施工規(guī)范規(guī)定。

4.2 系統(tǒng)安裝方便

供水支管網采用DN25 PPR給水管，快速活接頭連接，方便現(xiàn)場拆裝，降低施工難度、加快安裝進度。由于高層建筑中標準層結構及施工工藝等均一致，系統(tǒng)安裝時，一次性設計，更換樓層時，不需要破壞干管、支管及噴淋頭等，而是擰松活接頭，整體移層下一層便可直接使用，增加周轉次數，提高使用效率。

4.3 系統(tǒng)適用性強

系統(tǒng)設計變頻加壓系統(tǒng)，提供穩(wěn)定的供水水壓，選用了360o自動旋轉噴淋頭，確保噴淋養(yǎng)護均勻。在日常人工養(yǎng)護中，通常會遺漏對剪力墻及樓底間、電梯間等局部死角位置的養(yǎng)護，針對此情況需要先熟悉建筑物構造，然后有針對性地設置噴淋頭位置，通過調整噴頭的霧化半徑及霧化高度，達到真正的養(yǎng)護全覆蓋。在高層建筑混凝土養(yǎng)護中，系統(tǒng)克服了人的因素，定時、定量噴水，無死角、全方位自動養(yǎng)護，真正達到智能化，提高高層建筑混凝土養(yǎng)護質量。

4.4 系統(tǒng)可視性強

利用塔吊上的全景攝像頭和單獨安裝攝像頭，對混凝土養(yǎng)護區(qū)域進行監(jiān)視。施工人員通過手機終端，可隨時、隨地監(jiān)控智能化噴淋養(yǎng)護系統(tǒng)設備運行情況，了解混凝土養(yǎng)護狀況，降低了施工人員勞動強度，尤其是降低了高層建筑混凝土夜晚養(yǎng)護中的安全風險。

4.5 系統(tǒng)使用局限性

該系統(tǒng)隨著高層建筑施工過程中樓層的升高，要常更換樓層位置，因養(yǎng)護周期長于每層樓的建設時間，需要多套設備同時使用，工作過程中要注意監(jiān)控、維修。

5 與人工養(yǎng)護方法的比較

從養(yǎng)護效果、養(yǎng)護是否有規(guī)律、一次性投入成本、時間控制、溫度控制、濕度控制、循環(huán)適用和社會效益等8個方面與人工養(yǎng)護方法進行對比。智能化養(yǎng)護技術與人工養(yǎng)護方法的對比如表1所示。

表1 智能化養(yǎng)護技術與人工養(yǎng)護方法的對比

通過上表對比分析，智能化養(yǎng)護系統(tǒng)在高層建筑混凝土工程項目應用中對混凝土養(yǎng)護具有優(yōu)越性和實用性。

6 工程應用實例

本工程為衡陽市區(qū)某住宅建筑工程項目，建筑面積約 12.5 萬m2，其中剪力墻及梁板混凝土等級均為 C20～C45，樓高為 32 層。為了做好高層建筑混凝土的養(yǎng)護工作和測試系統(tǒng)的可行性，選取了5號樓的 15 層、19 層、23 層共3層樓安裝智能化混凝土養(yǎng)護系統(tǒng)。選用噴頭安裝高度20cm，單個噴頭工作面積約 40m2。一般每次噴淋養(yǎng)護 4min～6min 即能達到養(yǎng)護效果[5]，受天氣原因和樓層風量大小影響，養(yǎng)護的間隔時間稍許不同。適當調整噴頭布置密度，增加重疊區(qū)域，水霧能覆蓋到整個樓板、井道、樓梯間及平常難以養(yǎng)護到的地方，做到定時、定量和 24h 不間斷養(yǎng)護，且可達到養(yǎng)護要求，保證了混凝土的養(yǎng)護質量。

7 結論與展望

該智能化養(yǎng)護系統(tǒng)具有安全實用、安裝方便，使用穩(wěn)定、可視性強和適用性廣等特點，既能對高層建筑混凝土定時、定量進行養(yǎng)護，又能滿足養(yǎng)護全覆蓋，提高混凝土養(yǎng)護質量，確?；炷翉姸燃捌淠途眯缘确辖ㄔO設計要求。通過技術創(chuàng)新，推行新型智能養(yǎng)護工藝，減少人工影響，降低勞動強度，防范施工安全風險。系統(tǒng)設計上也充分考慮到高層建筑中標準層的一致性，養(yǎng)護設備一次投入，多次使用，符合綠色環(huán)保和建筑業(yè)新技術要求，可為同類工程提供參考，也可推廣到大面積的綠化智能化養(yǎng)護項目，既達到了養(yǎng)護效果，又節(jié)約了社會資源。