混凝土管片蒸養窯熱環境模擬及溫控研究

溫付友

摘要：混凝土管片蒸養需要消耗大量的熱能，熱能過程控制成為混凝土管片綠色生產過程中的關鍵環節。對混凝土管片蒸養窯建筑結構及構件屬性進行分析，基于熱工分析系統Ecotect Analysis進行BIM建模，并對建筑結構模型進行熱工參數賦值。通過模擬混凝土管片蒸養窯被動組分得熱、溫度/得熱對比等熱工過程，對模擬結果分析評價。結果發現，成都地區夏季太陽輻射相對充足，而冬季可以吸收輻射相對較少，自然通風情況下，混凝土蒸養窯室內溫度會因吸收輻射的量產生變化。可分別采用增加通風機和保溫毯的方法做好相應的溫控措施，使混凝土管片在適宜的溫度下蒸養，確保混凝土管片的質量。

Abstract： Steaming of concrete segments requires a large amount of thermal energy， and thermal process control has become a key link in the green production process of concrete segments. Analyzing the structure and component properties of the concrete segment steam curing kiln， the BIM modeling is performed based on the thermal analysis system Ecotect Analysis， and the thermal structure parameters of the building structural model are assigned.The simulation results were analyzed and evaluated by simulating thermal processes such as heat gain and temperature / heat gain comparison of the passive components of the concrete segment steam curing kiln.The results show that the solar radiation in Chengdu is relatively sufficient in summer and relatively little radiation can be absorbed in winter. Under natural ventilation， the temperature in the concrete steam curing kiln will change due to the amount of radiation absorbed.The method of adding ventilator and insulation blanket can be adopted separately to control temperature，so that the concrete segments can be steam-cured at a suitable temperature to ensure the quality of concrete segments.

關鍵詞：混凝土管片;蒸養窯;熱環境;模擬;溫控

Key words： concrete segment;steaming kiln;thermal environment;simulation;temperature control

中圖分類號：TU528.064 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）06-0204-03

0 ?引言

隨著國民經濟水平的提高，大規模城鎮化在推動軌道交通建設的同時，也有力地促進了地鐵工程技術的發展。地鐵工程施工的重點是盾構隧道，大體量、高品質的管片作為盾構隧道的主體結構之一，對保證地鐵網線建設工程質量具有重要作用。國內大部分混凝土管片均采用蒸汽養護的方法，以提高管片構件的生產效率[1]。但若蒸汽養護溫度控制不當，則會給混凝土管片的性能帶來弊端，進而影響到力學性能及耐久性，同時給綠色施工帶來不利影響。可見，分析混凝土管片蒸養窯的熱工過程，對于控制蒸養溫度、保證構件質量和綠色施工至關重要。

近年來，關于混凝土管片蒸養的研究已經成為了一個熱點。為完善管片混凝土的蒸養工藝，呂根喜等[2]提出了一種能嚴格按照靜停、升溫、恒溫、降溫進行蒸汽養護的獨立單元窯式管片養護工藝模式，以期為混凝土管片生產流水線的技術提升提供參考。王浩[3]從設施布置、蒸養室內溫度的控制及管片成型后堆放靜養等方面闡述了溫度對管片質量的影響，并提出相應的質量保障措施，使管片廠在保證質量的同時達到日產量最大化。李雪梅等[4]提出蒸養過程中，礦物摻合料種類、摻量及復摻比例等配合比參數將影響管片混凝土的抗壓強度，經實驗發現，摻合料復合摻加混凝土力學性能好于單摻混凝土。相關文獻對于混凝土管片蒸養的研究多集中于蒸養技術的優化，缺少對混凝土管片蒸養窯熱工過程模擬優化的研究。

鑒于此，本文基于熱工分析系統Ecotect Analysis進行BIM建模，通過對建筑結構模型進行熱工參數賦值，模擬混凝土管片蒸養窯主要區域被動組分得熱、溫度/得熱對比等熱工過程，并對模擬結果分析評價，為管片廠蒸養制度設計提供依據。

1 ?研究背景

以中國水利水電第七工程局有限公司新津管片廠為對象進行研究。該管片廠位于成都市新津縣，地理位置位于北緯30.67°，東經104.06°。成都屬亞熱帶季風氣候，具有春早、夏熱、秋涼、冬暖的氣候特點，年平均氣溫16℃。管片廠自投入運行以來，總體狀況良好，但也出現了一些值得關注的問題，如混凝土管片在蒸養過程中難以掌握混凝土蒸養窯能源消耗情況。分析建筑室內熱環境對于控制室內各區域溫度而言尤為重要，同時能為建筑節能提供參考。本文通過實地調研，結合Ecotect Analysis軟件進行BIM建模，分析混凝土蒸養窯熱工性能，對混凝土蒸養窯提出溫控措施，為混凝土蒸養窯的維護提供依據。

2 ?研究方法

前期對成都市新津縣新建混凝土管片廠蒸養窯進行實地調研，考察該混凝土蒸養窯內部圍護結構及其他構件的屬性。后期結合實地調研結果，利用BIM技術中的Revit軟件建模，并采用Ecotect Analysis軟件對混凝土蒸養窯進行熱環境分析。

2.1 管片廠混凝土蒸養窯BIM模型建立

Revit是BIM技術中最具有代表性并且是目前為止應用最廣泛的三維模型軟件，應用BIM技術能夠給工程項目帶來價值的關鍵就是在Revit軟件中建立三維模型，創建一個可以信息化交流的平臺。Revit可以參數化表示每一個建筑構件，并提供參數化的修改模式，清晰、真實的表達出實際工程項目的完整的面貌。新津管片廠混凝土管片養護窯的Revit模型，如圖1所示。將建立的BIM模型導入Ecotect Analysis軟件中，并對模型各部分賦予材質。

2.2 材質及氣象參數導入

在Ecotect Analysis軟件的材質選擇欄分別選擇墻體、窗戶、門、天花板、屋頂、地板并導入材質。Ecotect Analysis提供了專用的氣象策略分析工具：Weather Tool，同時它提供中國270個城市的氣象數據文件（Weather Data）。在Weather Data中將成都市氣象數據導入到Ecotect Analysis。

2.3 熱工計算

加載成都地區的氣候參數，進行熱環境分析。在進行熱工模擬計算之前，區域屬性的設置大部分參數為系統默認值。室內設計條件（Internal design condition）包括了衣著量（Clothing）系統默認值1，相對濕度（Humidity）60%，風速（Wind Speed）為0.5m/s。人員與運行等條件的設置包括人員情況（Occupancy）為3人，室內得熱情況（Internal Gainss）系統默認值，居住建筑使用全天。熱環境屬性的設置包括系統類型（Type of system），選擇自然通風，因為混凝土蒸養窯的門窗春夏秋冬都開。運行時間（Hours of operation）全天使用選擇（No Schedule）選項。

3 ?模型熱環境分析

3.1 混凝土管片蒸養窯被動組分得熱分析

Ecotect軟件中通過選定日期范圍可以清楚了解不同來源得熱的逐日變化情況以及各自準確的所占比例。同時能夠通過分析得到建筑冬、夏季時的主要熱源來自何處，利用利弊合理處理，營造相對舒適的物理環境同時有效地節約能源。

對混凝土管片蒸養窯各區域作如圖2的被動組分得熱分析。

對于靜養保溫區、蒸養升溫區、蒸養保溫區，全年得熱來源主要為蒸養窯內部吸收的熱輻射，失熱主要由通風及區域間空氣流動造成。對于蒸養降溫區，得熱來源主要為蒸養窯內部所吸收的熱輻射及區域間空氣流動，失熱的原因主要為通風及空氣流動。各區域被動組分得熱所占比例見表1。

由表1數據可得，各蒸養主要區域中，主要得熱組分占比和與主要失熱組分占比和均超過90%，從空氣流動與通風的角度優化蒸養窯熱環境是控制溫度的關鍵。

3.2 混凝土管片蒸養窯溫度/得熱對比分析

混凝土管片蒸養窯維護結構的溫度/得熱對比如圖3所示。

圖3為所有區域的結構部件得熱情況。圖中橫坐標為室外溫度情況，縱坐標為室內的得熱情況，綠色虛線的走勢代表了理想狀態下該蒸養窯室內區域的隨外界溫度變化得熱情況，紅色點與藍色點分別代表了該蒸養窯區域的失熱與得熱情況，點的密集與否代表了該走勢的離散程度。由圖3可知，分區門及墻體的設計在冬季對于室內保溫起到了一定的作用。

3.3 混凝土管片蒸養窯溫控措施

從上述分析中易得，自然通風情況下，夏季時間段光照時間偏長，墻體吸收熱輻射多，可以采用在室內增加通風機的方法，通過排風帶走余熱來降溫。冬季時間段太陽光照時間相對較少，冷空氣流動導致圍護墻體散熱快，可以采用增加保溫毯，改進蒸養窯分區門材質的方法，減少熱量的流失以控制溫度[5]。

4 ?小結

Ecotect Analysis基于BIM技術構造建筑模型，在熱環境分析方面提供了計算被動組分得熱、溫度/得熱對比分析等熱工指標，通過分析這些指標的模擬結果，可以有效地為工作人員對混凝土蒸養窯的溫度控制提供依據。從上述熱工指標分析中，可以得出以下結論：

①從各區域被動組分得熱分析模擬結果可以清楚地了解到靜養保溫區、蒸養升溫區、蒸養恒溫區的被動組分得熱情況相近，全年得熱主要通過內部得熱，失熱主要由通風得熱和區域間得熱造成。對于蒸養降溫區，得熱主要通過內部得熱和區域間得熱，失熱主要由通風得熱和區域間得熱造成。

②對比蒸養窯所有區域的總得熱情況和所有區域的結構部件得熱情況，我們可以直觀的了解到分區門、墻體的設計在冬季對于室內保溫起到了一定的作用。將原分區門的木材質替換為保溫效果更好的材質，可使室內保溫效果會進一步提升。

參考文獻：

[1]朱瑤宏，等.蒸養管片混凝土物理力學性能的影響因素研究[J].鐵道建筑，2013（01）：33-35.

[2]呂根喜，等.獨立單元窯式養護混凝土管片生產流水線[J].混凝土與水泥制品，2018（05））：38-41.

[3]王浩.淺談溫度控制對管片質量的影響[J].四川水力發電， 2016，35（05）：19-20，38.

[4]李雪梅，齊莉莉.礦物摻合料對管片蒸養混凝土強度的影響[J].低溫建筑技術，2018，40（07）：14-15，18.

[5]向敏，楊從娟.混凝土箱形梁蒸汽養護溫度控制研究[J].鐵道建筑，2009（02）：15-17.