基于BIM+技術(shù)的排水泵站混凝土溫控解決方案研究

梅 斌，鄧文華

（1.浙江省水利水電勘測設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310002；2.浙江省水電建設(shè)安裝有限公司，浙江 杭州 310052）

泵站在城市防洪排澇、水資源管理等方面發(fā)揮著舉足輕重的作用[1]。泵站主體結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆大體積混凝土,混凝土內(nèi)部在水化熱作用下積累大量熱量,容易產(chǎn)生溫度裂縫,因此混凝土溫控是泵站建設(shè)過程中的重點(diǎn)問題[2-4]。目前,已有較多泵站溫控的研究與實(shí)踐,這些成果具有較高的參考價(jià)值,為泵站施工溫控提供了豐富的可行方案[5-8]。本文結(jié)合擴(kuò)大杭嘉湖南排—八堡排水泵站工程,進(jìn)一步探索以BIM技術(shù)為核心的泵站溫控的系統(tǒng)解決方案。

1 工程概況

擴(kuò)大杭嘉湖南排工程位于浙江省杭嘉湖東部平原,其中八堡排水泵站工程位于航運(yùn)部門規(guī)劃京杭運(yùn)河二通道一線船閘東側(cè),排水河道利用規(guī)劃京杭運(yùn)河二通道,排水口設(shè)在頭格村附近的錢塘江北岸海塘上。該工程系堤身式泵站,排澇設(shè)計(jì)流量為200 m3/s,為I等工程,主要建筑物為1 級建筑物。八堡泵站鳥瞰圖見圖1。

圖1 八堡泵站鳥瞰圖

本文以八堡排水泵站的底板結(jié)構(gòu)為例,研究BIM、有限元數(shù)值分析和信息化監(jiān)控技術(shù)在泵站大體積混凝土結(jié)構(gòu)中的綜合應(yīng)用,以探索和總結(jié)適用于泵站大體積混凝土結(jié)構(gòu)的溫控設(shè)計(jì)、分析和監(jiān)測的技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)。

2 BIM設(shè)計(jì)

本工程從施工圖設(shè)計(jì)階段就采用BIM技術(shù)進(jìn)行三維協(xié)同設(shè)計(jì),并在項(xiàng)目的建設(shè)管理過程中延續(xù)使用BIM模型,實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目全生命周期信息的傳遞與貫通,圖2 為泵站地下部分的整體BIM模型。泵站流道結(jié)構(gòu)異形且復(fù)雜,軟件自身的建模功能無法完全滿足泵站精確建模的需求,通過軟件二次開發(fā)拓展幾何處理能力或利用其他三維軟件等多方案保證精確建模,見圖3。

圖2 泵站地下部分的全專業(yè)BIM模型

圖3 泵組異形外殼

3 施工過程數(shù)值模擬

以主機(jī)段底板部分為例,圖4 為泵站下部結(jié)構(gòu)的BIM模型。使用有限元方法進(jìn)行施工期溫度場和溫度應(yīng)力的分析。計(jì)算過程考慮冬季澆筑、內(nèi)部無冷卻水管和表面無保溫措施的工況。其中,首道水平施工縫以下結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算模型見圖5。熱力學(xué)計(jì)算參數(shù)見表1,其中C30 混凝土彈性模量增長公式為E（） = 38.0×（1-e-1.050.4）GPa,C30 混凝土抗拉強(qiáng)度增長公式為ft（） = 3.25×（1-e-0.290.88）GPa,絕熱溫升（） = 50×（1-e-1.350.7）℃。與空氣對流的表面,未拆木模板時(shí),表面放熱系數(shù)取12.5kJ/（m2·h·℃）；拆模后,考慮風(fēng)速影響,表面放熱系數(shù)取63.09 kJ/（m2·h·℃）。

表1 底板大體積混凝土熱力學(xué)計(jì)算參數(shù)

圖4 主機(jī)段流道及底板的BIM模型

圖5 底板首道水平施工縫以下結(jié)構(gòu)的有限元模型

圖6為Y=13.7 m處（即沿Y軸中部）的溫度場云圖,圖7 分別為Y=13.7 m特征點(diǎn)1 （見圖2 ）處的溫度和應(yīng)力歷史曲線,其中應(yīng)力歷史曲線伴有混凝土抗拉強(qiáng)度的對比。

圖6 =13.7 m處溫度場云圖

圖7 =13.7 m特征點(diǎn)1處溫度和應(yīng)力歷時(shí)曲線

由計(jì)算分析結(jié)果可知,雖然在冬季澆筑,但在不采取任何溫控防裂措施的工況下,底板混凝土內(nèi)部溫度最高可升至58.5 ℃,且內(nèi)外溫差達(dá)到約20 ℃,最大拉應(yīng)力達(dá)到5.0 MPa,超過混凝土抗拉強(qiáng)度,具有開裂的風(fēng)險(xiǎn)。

4 溫控技術(shù)方案的比選

通水冷卻是常用的大體積混凝土內(nèi)部溫控措施之一,通過合理的管線布置和通水方案,混凝土內(nèi)部的溫度可以得到有效控制[2]。擬定多個(gè)通水冷卻方案進(jìn)行比選,最終選擇可以滿足絕熱溫升降低18 ℃要求的方案：冷卻水管間距為0.6 m×0.6 m； 采用10 ℃的水進(jìn)行冷卻；通水7 d,前4 d通水流量為120 m3/d, 4 d后通水流量為48 m3/d,每隔12 h換一次冷卻水流方向。

通水冷卻的計(jì)算分析結(jié)果顯示,根據(jù)圖8,離水管最遠(yuǎn)點(diǎn)的溫度最高溫度達(dá)到了46 ℃。然而,在沒有使用通水冷卻的情況下,混凝土在絕熱狀態(tài)下可達(dá)到的最高溫度為65 ℃,通水冷卻達(dá)到了使絕熱溫升降低19 ℃的效果。

圖8 離水管最遠(yuǎn)點(diǎn)處溫度歷時(shí)曲線

5 方案的實(shí)施與饋控

本工程在建設(shè)中,為實(shí)時(shí)監(jiān)控施工過程中溫度變化,控制內(nèi)部溫升滿足溫控指標(biāo)的要求,對底板和流道部分的大體積混凝土進(jìn)行溫度監(jiān)測[3]。監(jiān)測結(jié)果同步傳輸至溫度監(jiān)測平臺,實(shí)時(shí)分析監(jiān)測點(diǎn)處的溫度變化,并結(jié)合BIM模型直觀地顯示溫度變化過程,見圖9和圖10。

圖9 底板混凝土溫度監(jiān)控平臺頁面

圖10 流道混凝土溫度監(jiān)控平臺頁面

基于此溫度監(jiān)測平臺,可實(shí)時(shí)直觀地掌握混凝土內(nèi)部監(jiān)測點(diǎn)處溫度的變化,及時(shí)調(diào)整通水流量與水溫,以達(dá)到控制溫度、預(yù)防裂縫的目標(biāo),實(shí)踐效果較為理想。

6 結(jié)語

（1）泵站主體結(jié)構(gòu)為大體積混凝土結(jié)構(gòu),在水化熱作用下,易積累大量的熱量,使得混凝土具有開裂的風(fēng)險(xiǎn),需要采用適當(dāng)?shù)臏乜卮胧┮苑篱_裂；

（2）通水冷卻是常用的大體積混凝土溫度控制措施,合理的水管布置和通水方案能夠有效控制混凝土內(nèi)部在施工期的溫度增長；

（3）BIM技術(shù)可為泵站結(jié)構(gòu)的溫控提供較為可靠的信息模型,該模型可貫穿溫控計(jì)算、設(shè)計(jì)、監(jiān)測的全過程；

（4）信息化技術(shù)結(jié)合監(jiān)測提供了實(shí)時(shí)直觀的溫度監(jiān)測方案,為溫控和施工決策節(jié)約時(shí)間,帶來便利。