基于ZigBee的高層建筑混凝土智能化養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

肖琳，謝江斌，鄧榮華

（1.湖南工學(xué)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(huì)引起鋼架腐蝕，內(nèi)部組織疏松，破壞整體結(jié)構(gòu)，影響強(qiáng)度和耐久性，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致建筑質(zhì)量事故。裂縫出現(xiàn)的主要原因有設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)、使用等方面原因，經(jīng)分析因養(yǎng)護(hù)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(hù)過(guò)程中的溫度與濕度控制不當(dāng)，將導(dǎo)致出現(xiàn)收縮性裂縫。針對(duì)上述混凝土養(yǎng)護(hù)問(wèn)題，本項(xiàng)目基于ZigBee技術(shù)[1]設(shè)計(jì)了高層建筑混凝土智能化養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)[2-3]，系統(tǒng)既能根據(jù)環(huán)境條件，進(jìn)行定時(shí)、定量養(yǎng)護(hù)，又能滿(mǎn)足養(yǎng)護(hù)連續(xù)性和全面性，可以極大地降低人工重復(fù)勞動(dòng)、克服養(yǎng)護(hù)隨意性等問(wèn)題，還可防止高層建筑因晝夜養(yǎng)護(hù)導(dǎo)致的安全事故發(fā)生，符合建筑業(yè)新技術(shù)要求。

2 工藝設(shè)計(jì)組成

本高層建筑混凝土噴淋養(yǎng)護(hù)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(cè)溫濕度的溫度和濕度檢測(cè)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(mén)、供水管線(xiàn)、供水管道末端連接的360o自動(dòng)旋轉(zhuǎn)噴淋頭和變頻加壓系統(tǒng)，溫度和濕度檢測(cè)模塊與ZigBee模塊連接，ZigBee模塊與控制系統(tǒng)連接（見(jiàn)圖1）。

圖1 混凝土噴淋養(yǎng)護(hù)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(kāi)關(guān)繼電器連接電磁閥門(mén)的供電電路，并控制電磁閥門(mén)的電流通斷，主控制芯片控制開(kāi)關(guān)繼電器的閉合和斷開(kāi)；即控制系統(tǒng)控制開(kāi)關(guān)電器閉合，電磁閥門(mén)通電開(kāi)啟，使得噴淋頭噴水以實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土梁板、剪力墻進(jìn)行噴淋養(yǎng)護(hù)。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(kāi)，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(jiàn)圖2）。

圖2 主控制系統(tǒng)電路圖

系統(tǒng)中溫度和濕度檢測(cè)模塊為溫濕度傳感器，溫濕度傳感器與Zigbee模塊連接，在沒(méi)有障礙時(shí)自動(dòng)接收信號(hào)最遠(yuǎn)距離達(dá)到100m?？刂葡到y(tǒng)還包括串行調(diào)試接口和復(fù)位開(kāi)關(guān)，串行調(diào)試接口連接主控制芯片，復(fù)位開(kāi)關(guān)連接主控制芯片。主機(jī)采用施工用電直供，內(nèi)設(shè)直流轉(zhuǎn)換電源，輸出安全電壓為24V。各傳感器用電采用可反復(fù)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(hù)技術(shù)特點(diǎn)

4.1 系統(tǒng)安全實(shí)用

高層建筑施工工期緊、施工人員密集，工序搭接復(fù)雜，施工安全有嚴(yán)格要求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)上充分考慮現(xiàn)場(chǎng)的特殊性，在供電和通信上盡量減少導(dǎo)線(xiàn)連接，實(shí)行整體封裝。設(shè)計(jì)采用安全電壓，其中主控制器構(gòu)件和電磁閥門(mén)24V，溫濕度傳感器5V。數(shù)據(jù)通信基于ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)傳輸。主控制器和溫濕度傳感器密水性好、安全實(shí)用。設(shè)計(jì)符合建筑工程項(xiàng)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(wǎng)采用DN25 PPR給水管，快速活接頭連接，方便現(xiàn)場(chǎng)拆裝，降低施工難度、加快安裝進(jìn)度。由于高層建筑中標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)及施工工藝等均一致，系統(tǒng)安裝時(shí)，一次性設(shè)計(jì)，更換樓層時(shí)，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(zhuǎn)次數(shù)，提高使用效率。

4.3 系統(tǒng)適用性強(qiáng)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)變頻加壓系統(tǒng)，提供穩(wěn)定的供水水壓，選用了360o自動(dòng)旋轉(zhuǎn)噴淋頭，確保噴淋養(yǎng)護(hù)均勻。在日常人工養(yǎng)護(hù)中，通常會(huì)遺漏對(duì)剪力墻及樓底間、電梯間等局部死角位置的養(yǎng)護(hù)，針對(duì)此情況需要先熟悉建筑物構(gòu)造，然后有針對(duì)性地設(shè)置噴淋頭位置，通過(guò)調(diào)整噴頭的霧化半徑及霧化高度，達(dá)到真正的養(yǎng)護(hù)全覆蓋。在高層建筑混凝土養(yǎng)護(hù)中，系統(tǒng)克服了人的因素，定時(shí)、定量噴水，無(wú)死角、全方位自動(dòng)養(yǎng)護(hù)，真正達(dá)到智能化，提高高層建筑混凝土養(yǎng)護(hù)質(zhì)量。

4.4 系統(tǒng)可視性強(qiáng)

利用塔吊上的全景攝像頭和單獨(dú)安裝攝像頭，對(duì)混凝土養(yǎng)護(hù)區(qū)域進(jìn)行監(jiān)視。施工人員通過(guò)手機(jī)終端，可隨時(shí)、隨地監(jiān)控智能化噴淋養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行情況，了解混凝土養(yǎng)護(hù)狀況，降低了施工人員勞動(dòng)強(qiáng)度，尤其是降低了高層建筑混凝土夜晚養(yǎng)護(hù)中的安全風(fēng)險(xiǎn)。

4.5 系統(tǒng)使用局限性

該系統(tǒng)隨著高層建筑施工過(guò)程中樓層的升高，要常更換樓層位置，因養(yǎng)護(hù)周期長(zhǎng)于每層樓的建設(shè)時(shí)間，需要多套設(shè)備同時(shí)使用，工作過(guò)程中要注意監(jiān)控、維修。

5 與人工養(yǎng)護(hù)方法的比較

從養(yǎng)護(hù)效果、養(yǎng)護(hù)是否有規(guī)律、一次性投入成本、時(shí)間控制、溫度控制、濕度控制、循環(huán)適用和社會(huì)效益等8個(gè)方面與人工養(yǎng)護(hù)方法進(jìn)行對(duì)比。智能化養(yǎng)護(hù)技術(shù)與人工養(yǎng)護(hù)方法的對(duì)比如表1所示。

表1 智能化養(yǎng)護(hù)技術(shù)與人工養(yǎng)護(hù)方法的對(duì)比

通過(guò)上表對(duì)比分析，智能化養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)在高層建筑混凝土工程項(xiàng)目應(yīng)用中對(duì)混凝土養(yǎng)護(hù)具有優(yōu)越性和實(shí)用性。

6 工程應(yīng)用實(shí)例

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

7 結(jié)論與展望

該智能化養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)具有安全實(shí)用、安裝方便，使用穩(wěn)定、可視性強(qiáng)和適用性廣等特點(diǎn)，既能對(duì)高層建筑混凝土定時(shí)、定量進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，又能滿(mǎn)足養(yǎng)護(hù)全覆蓋，提高混凝土養(yǎng)護(hù)質(zhì)量，確?；炷翉?qiáng)度及其耐久性等符合建設(shè)設(shè)計(jì)要求。通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新，推行新型智能養(yǎng)護(hù)工藝，減少人工影響，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，防范施工安全風(fēng)險(xiǎn)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)上也充分考慮到高層建筑中標(biāo)準(zhǔn)層的一致性，養(yǎng)護(hù)設(shè)備一次投入，多次使用，符合綠色環(huán)保和建筑業(yè)新技術(shù)要求，可為同類(lèi)工程提供參考，也可推廣到大面積的綠化智能化養(yǎng)護(hù)項(xiàng)目，既達(dá)到了養(yǎng)護(hù)效果，又節(jié)約了社會(huì)資源。