玻璃幕墻風(fēng)壓檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用*

宋心智, 王海文, 陳子琦

(1.陜西金信建筑工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司,陜西 西安 710086; 2.陜西省機(jī)械研究院,陜西 咸陽(yáng) 712099;3.西安工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,陜西 西安 710086)

0 引 言

隨著建筑科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步以及城市土地使用的限制，高層建筑越來越多的出現(xiàn)在世界各大城市，而且大多數(shù)的高層建筑都采用大型建筑幕墻來進(jìn)行裝飾和減輕重量。因建筑幕墻破裂、墜落等問題導(dǎo)致的傷人事件屢見不鮮，為了保證幕墻自身性能和安全性，確保人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，建筑幕墻檢測(cè)隨之發(fā)展起來。參照國(guó)家相關(guān)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)[1]，幕墻檢測(cè)主要是對(duì)建筑幕墻進(jìn)行物理三性測(cè)試，包括空氣滲透、雨水滲漏和抗風(fēng)壓三種特性實(shí)驗(yàn)。其中建筑幕墻檢測(cè)所用的風(fēng)壓加載系統(tǒng)是整個(gè)檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)中最關(guān)鍵的部分。

筆者重點(diǎn)介紹風(fēng)壓檢測(cè)系統(tǒng)的主要組成部分，著重介紹正負(fù)壓切換機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路和工作方式。通過隱框玻璃幕墻物理性能檢測(cè)試驗(yàn)，證明了此風(fēng)壓系統(tǒng)的可行性，對(duì)玻璃幕墻風(fēng)壓檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

1 風(fēng)壓系統(tǒng)的主要構(gòu)成

玻璃幕墻檢測(cè)的基本原理為：將玻璃幕墻試件安裝在靜壓箱體上，其靜壓箱體為五面封閉墻體，一面預(yù)留開口供玻璃幕墻的安裝；通過風(fēng)壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)和風(fēng)管路系統(tǒng)完成對(duì)靜壓箱體內(nèi)空氣壓力的控制，通過供壓系統(tǒng)向靜壓箱體內(nèi)提供不同壓力差，并利用相關(guān)傳感器測(cè)出相關(guān)參數(shù)，以此完成玻璃幕墻檢測(cè)[2]。玻璃幕墻檢測(cè)風(fēng)壓系統(tǒng)主要作用是使玻璃幕墻兩側(cè)產(chǎn)生不同的壓力差及周期變化的壓力差，以模仿實(shí)際工況下風(fēng)載荷的變化[3]。玻璃幕墻檢測(cè)風(fēng)壓系統(tǒng)主要由供壓系統(tǒng)、測(cè)量裝置、控制系統(tǒng)等部分組成。如圖1所示。

圖1 風(fēng)壓系統(tǒng)主要構(gòu)成

1.1 供壓系統(tǒng)

供壓系統(tǒng)主要由風(fēng)機(jī)、正負(fù)壓切換機(jī)構(gòu)、變頻控制器、風(fēng)管路系統(tǒng)等組成，其可向靜壓箱體施加正負(fù)兩個(gè)方向的壓力差[4]。如圖2所示。采用高壓通用風(fēng)機(jī)并利用風(fēng)管路系統(tǒng)為靜壓箱體供壓。風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度由風(fēng)機(jī)變頻器控制，利用正負(fù)壓切換裝置及風(fēng)量控制裝置準(zhǔn)確控制玻璃幕墻兩側(cè)壓力差。同時(shí)利用相關(guān)傳感器測(cè)量氣密、位移變形數(shù)據(jù)并上傳到計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，方便后續(xù)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)保存及分析[5]。

圖2 玻璃幕墻檢測(cè)供壓系統(tǒng)

1.2 正負(fù)壓切換裝置

正負(fù)壓切換裝置是玻璃幕墻檢測(cè)風(fēng)壓系統(tǒng)中最為重要的一環(huán)[6]。其工作原理為：風(fēng)機(jī)按照一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，持續(xù)為靜壓箱體提供風(fēng)壓，以滿足檢測(cè)時(shí)風(fēng)壓的要求，并通過控制風(fēng)壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)中伺服閥門開啟的角度改變壓力箱內(nèi)風(fēng)壓的方向和大小，如圖3所示為正負(fù)壓切換機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

圖3 正負(fù)壓切換機(jī)構(gòu)

如果要降低箱體內(nèi)工作風(fēng)壓，在風(fēng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)，將閥門2和4開啟，關(guān)閉閥門1和3。通過降低風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和改變伺服閥門的角度實(shí)現(xiàn)對(duì)工作風(fēng)壓的調(diào)節(jié)。同時(shí)在風(fēng)管路中安裝泄壓閥和流量計(jì)，滿足控制風(fēng)壓的安全性和方便性要求。并在進(jìn)、出氣口配備消音裝置，降低工作噪聲。

根據(jù)該正負(fù)壓切換裝置的工作原理，該裝置具有以下優(yōu)點(diǎn)。

(1) 風(fēng)機(jī)始終沿同一方向運(yùn)轉(zhuǎn)，不需要改變運(yùn)轉(zhuǎn)方向來實(shí)現(xiàn)風(fēng)壓方向的改變。解決了通過頻繁改變風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向?qū)崿F(xiàn)正負(fù)壓切換的方式，同時(shí)提高了風(fēng)機(jī)的可靠性，延長(zhǎng)了使用時(shí)間。

(2) 系統(tǒng)響應(yīng)快，通過控制伺服閥門開啟的角度以控制靜壓箱體內(nèi)的壓力變化，這樣比通過控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速以實(shí)現(xiàn)箱體內(nèi)風(fēng)壓的變化所需的響應(yīng)時(shí)間更快。

(3) 控制組合方式多，伺服閥門和風(fēng)機(jī)構(gòu)成靜壓箱體控制風(fēng)壓的主要輸入量，可通過改變輸入量的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)壓的靈活控制，增加了控制方式的多樣性和靈活性。

(4) 安全性高，因安裝了流量計(jì)及泄壓閥，在風(fēng)壓達(dá)到警戒值時(shí)可通過泄壓閥完成對(duì)壓力的釋放，以保證整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的安全可控，保證了玻璃幕墻檢測(cè)的安全。

1.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

幕墻檢測(cè)風(fēng)壓系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要采集箱體內(nèi)外的壓力差和空氣流量，主要由空氣壓力傳感器、空氣流量傳感器和信號(hào)采集模塊構(gòu)成。

(1) 空氣壓力傳感器：空氣壓力傳感器的主要作用是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)靜壓箱體內(nèi)空氣壓力的變化情況，將監(jiān)測(cè)數(shù)值上傳到計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。因玻璃幕墻檢測(cè)風(fēng)壓范圍為0～6 000 Pa左右，因此選擇空氣壓力傳感器的測(cè)量范圍為0～8 000 Pa。根據(jù)檢測(cè)要求選擇空氣壓力傳感器基本誤差為0.2%，如圖4所示。

圖4 空氣壓力傳感器 圖5 空氣流量傳感器

(2) 空氣流量傳感器：在對(duì)玻璃幕墻進(jìn)行檢測(cè)時(shí)需要對(duì)風(fēng)管路內(nèi)的氣體流量進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。根據(jù)風(fēng)管路內(nèi)的氣體流量選用合適的空氣流量傳感器，本次選用熱感式流量傳感器。其測(cè)量量程為：1～50 m/s，其基本誤差為1%，如圖5所示。

(3) 信號(hào)采集模塊：它可以獲取檢測(cè)試驗(yàn)過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)，并將相關(guān)數(shù)據(jù)上傳到計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，完成對(duì)箱體壓力、空氣流量數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)同時(shí)上傳到計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。

1.4 應(yīng)用控制系統(tǒng)

應(yīng)用控制系統(tǒng)其工作原理為：利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中各種傳感器采集到的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和供壓系統(tǒng)中的控制信號(hào)，對(duì)各種試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理并對(duì)供壓系統(tǒng)進(jìn)行控制，以完成對(duì)玻璃幕墻的檢測(cè)。

2 玻璃幕墻檢測(cè)風(fēng)壓系統(tǒng)工作原理

玻璃幕墻檢測(cè)風(fēng)壓系統(tǒng)工作時(shí)，先啟動(dòng)應(yīng)用控制系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)檢測(cè)箱體內(nèi)風(fēng)壓情況。根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和檢測(cè)時(shí)不同的風(fēng)壓要求，應(yīng)用控制系統(tǒng)控制供壓裝置向靜壓箱體供壓。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)箱體內(nèi)的風(fēng)壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、閥門，以實(shí)現(xiàn)對(duì)靜壓箱體風(fēng)壓的實(shí)時(shí)控制。系統(tǒng)工作原理如圖6所示。

圖6 幕墻檢測(cè)風(fēng)壓系統(tǒng)工作原理

3 玻璃幕墻檢測(cè)風(fēng)壓系統(tǒng)的構(gòu)成

3.1 供壓系統(tǒng)構(gòu)成

玻璃幕墻檢測(cè)風(fēng)壓系統(tǒng)由風(fēng)機(jī)、正負(fù)壓切換裝置、風(fēng)機(jī)變頻器以及管道組成。根據(jù)檢測(cè)要求，供壓系統(tǒng)需要向靜壓箱體提供至少9 000 Pa的風(fēng)壓。因此為實(shí)現(xiàn)最大測(cè)試風(fēng)壓，選擇1臺(tái)9-26-710D/50kW高速離心風(fēng)機(jī)，如圖7所示。該風(fēng)機(jī)可為不同尺寸的幕墻提供檢測(cè)風(fēng)壓。變頻器選擇西門子MM440 110 kW風(fēng)機(jī)專用變頻器，它可以極大地降低了風(fēng)機(jī)的使用噪音，降低風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)扭矩，增加使用壽命，減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊。由于風(fēng)管路較長(zhǎng)，為了減少風(fēng)壓損失，風(fēng)管采用直徑為500 mm的鋼管。

圖7 高速離心風(fēng)機(jī)

3.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要作用是采集現(xiàn)場(chǎng)各種數(shù)據(jù)信號(hào)，通過工業(yè)以太網(wǎng)和通訊現(xiàn)場(chǎng)總線傳遞傳感器數(shù)據(jù)及設(shè)備控制信號(hào)，系統(tǒng)可以簡(jiǎn)化布線工作，有效提高各種傳感器信號(hào)的抗干擾性[7]?？諝鈮毫鞲衅鳌⒖諝饬髁總鞲衅饕约皵?shù)據(jù)采集卡是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要組成部分。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的空氣壓力基本誤差為0.2%、空氣流量基本誤差為1%，可實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)自動(dòng)采集等功能。

3.3 應(yīng)用控制系統(tǒng)構(gòu)成

應(yīng)用控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是分析處理采集的相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，控制供壓系統(tǒng)中的風(fēng)機(jī)、閥門、變頻器的運(yùn)轉(zhuǎn)[8]。其主要由BL1800控制器、PLC以及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成。其中BL1800將相關(guān)傳感器采集到的風(fēng)壓、氣體流量等數(shù)據(jù)發(fā)送給計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)靜壓箱體內(nèi)風(fēng)壓的監(jiān)測(cè)和控制。PLC主要負(fù)責(zé)將控制命令傳送給風(fēng)機(jī)變頻器，以便控制風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。應(yīng)用控制系統(tǒng)完成整個(gè)幕墻檢測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)處理、顯示和控制過程，應(yīng)用控制系統(tǒng)界面如圖8所示。

圖8 應(yīng)用控制系統(tǒng)

4 風(fēng)壓檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用

借助設(shè)計(jì)的玻璃幕墻風(fēng)壓檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)現(xiàn)有的玻璃幕墻物理性能試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行改造，在此試驗(yàn)臺(tái)上完成對(duì)隱框玻璃幕墻物理三性的檢測(cè)，如圖9所示。在檢測(cè)過程中，風(fēng)壓系統(tǒng)能滿足國(guó)標(biāo)中對(duì)風(fēng)壓的要求。其檢測(cè)結(jié)果如表1、2、3所示。從表1、2的可知，試驗(yàn)測(cè)得幕墻試件空氣滲透量隨壓差不斷增加而增大，且大體呈線性增加趨勢(shì)。表3中單位面積空氣滲透量作為判斷指標(biāo)，可以判斷幕墻試件的氣密等級(jí)。通過對(duì)隱框玻璃幕墻的物理性能的試驗(yàn)，證明了此設(shè)計(jì)的可行性。

圖9 隱框玻璃幕墻檢測(cè)

表1 正壓空氣滲透數(shù)據(jù)

表2 負(fù)壓空氣滲透數(shù)據(jù)

表3 空氣滲透量參數(shù)計(jì)算

5 結(jié) 語(yǔ)

文中將玻璃幕墻檢測(cè)的基本原理作為設(shè)計(jì)依據(jù)，完成了對(duì)風(fēng)壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。對(duì)其各分系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，其中風(fēng)機(jī)和正負(fù)切換機(jī)構(gòu)是整個(gè)系統(tǒng)中核心部分；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成整個(gè)檢測(cè)過程中數(shù)據(jù)信號(hào)的采集，并上傳至計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)；應(yīng)用控制系統(tǒng)完成整個(gè)檢測(cè)過程中信號(hào)的處理、顯示以及控制。文中對(duì)幕墻檢測(cè)風(fēng)壓系統(tǒng)的研究，為保障幕墻的安全提供了可靠的檢測(cè)手段，促進(jìn)了建筑幕墻的健康、可持續(xù)發(fā)展。