一種大體積混凝土測溫裝置的研制與應用

韓曉峰 崔亞超 康樂

國網山西送變電工程有限公司 山西 太原 030006

在變電土建施工中主變基礎、GIS基礎、配電樓筏板基礎等均為大體積混凝土，澆筑混凝土體量大，并要求一次性連續整體澆筑，施工組織難度挑戰性大。大體積混凝土在澆筑過程中由于內外溫度差而產生的熱應力，容易產生溫度裂紋，對結構的整體性、耐久性、抗滲性等重要性能造成嚴重影響。

目前電力行業土建工程傳統大體積混凝土施工多采用人工監控溫度。存在：存在數據采集處理不及時。數據分析量大、監測數據準確性差、受人為因素影響大、溫度控制效率低、無法很直觀傳達大體積混凝土內部溫度的變化的缺點。

項目結合工程實際情況，開發設計一種大體積混凝土測溫裝置。該裝置能解決混凝土測溫數據采集處理不及時，數據分析量大、監測數據準確性差、受人為因素影響大、溫度控制效率低、無法很直觀傳達大體積混凝土內部溫度的變化等問題。

1 主要用途

本裝置可實現模擬仿真、溫度監測、實時查看、報警統計等功能，避免變電施工大體積混凝土出現結構裂紋。

2 技術原理

基于 BIM 的大體積混凝土溫控系統技術路線如圖1所示，其中BIM 數控與交互中心是整個系統的核心部分。BIM信息管理平臺構架，由數據層、模型信息層、功能應用層三部分組成。

圖1 技術原理圖

數據層以數據庫為基礎, 將 BIM 模型每個構件的設計、技術、質量、日志等屬性信息分類存儲；模型信息層將3D、2D模型幾何信息、施工養護過程溫度動態采集信息、溫度預警信息等以窗口形式可視化展示出來；功能應用層通過各個模塊功能的設計，能實現建模、溫度數據收集、溫度預警分析、仿真模擬等。

3 模塊設計

BIM模型模塊：以通過Revit 軟件建模，根據設計要求和施工工藝，對大體積混凝土施工過程仿真建模，實現施工模擬，從而進一步優化施工過程，建模模型如圖2所示。

圖2 承臺基礎建模

溫度監測模塊：在混凝土澆筑前，提前在測溫點處預埋測溫導線，通過測溫裝置實時采集溫度數據，現場測溫裝置顯示屏不僅能顯示16個測點的實時數據，還可通過無線傳輸到廣聯達智慧工地系統決策平臺系統平臺, 在平臺3D圖形位置同步反應混凝土溫度變化，從而更好地觀測溫度的分布情況。

溫度預警模塊：根據現場裝置采集的溫度監測數據, 通過計算混凝土里外溫度差, 若結果大于設定的溫度預警閾值,系統會將預警信息通過可視化窗口顯示，提醒現場采取降溫措施。

仿真模擬計算：將 BIM 模型轉換為有限元模型，使用MIDAS FEA來計算基礎施工期內部溫度場及仿真應力場，如圖3所示。通過考慮比熱、容重、熱傳導率、外界溫度、澆筑溫度等參數的影響, 將基礎模擬成具有一定比熱和熱傳導率的結構，將澆筑混凝土后的170個小時分為5個步驟分別進行了水化熱分析。通過計算基礎施工期內部溫度場及仿真應力場，并根據計算結果制定不出現有害溫度裂縫的溫控標準和相應的溫控措施。模擬混凝土的澆注、成長過程，能考慮到澆筑溫度、施工間歇期、混凝土水化熱的散發規律、養護方式、外界氣溫變化、混凝土及基巖彈模變化、混凝土徐變等復雜因素。通過將模擬情況與實測情況進行對比分析, 可以清楚地判斷出現異常情況的部位。

圖3 基礎溫度場

4 關鍵技術與創新點

創新點1：提出大型有限元軟件MIDAS FEA來計算基礎施工期內部溫度場及仿真應力場，并根據計算結果制定不出現有害溫度裂縫的溫控標準和相應溫控措施。承臺基礎MIDAS FEA建模圖如圖4所示。

圖4 基礎建模

創新點2：研發基于NTC熱敏電阻的多路溫度無線監測設備，構建大體積混凝土的多路溫度采集和傳輸平臺。實時監測混凝土測溫點溫度和測溫曲線，同步傳送記錄相關數據至BIM工作平臺，數據可記錄、可追溯。設備電路板圖紙如圖5所示。

圖5 電路板圖

創新點3：提出在BIM系統中依據施工工藝要求對大體積混凝土進行3D建模，三維形式同步直觀反映相應測溫點位置混凝土溫度曲線變化，在智慧工地決策在線系統中顯示。如圖6所示。

圖6 智慧工地決策在線系統3D模圖

5 與同類先進成果主要技術指標比對

王培培等[1]提出了一種基于NTC熱敏電阻的溫度實時在線監測技術，利用IGBT模塊內部集成的負溫度系數(NTC)熱敏電阻，將溫度信號轉化為頻率信號，通過光纖隔離后輸入至邏輯處理芯片(CPLD)，經邏輯處理后在上位機進行溫度實時顯示。林文強[2]介紹了大體積混凝土澆筑完成后全自動多點溫度采集、無線遠距離傳輸和數據處理系統。吳林等[3]介紹了一種基于RS-485總線的溫度數據采集系統，實現了對工業現場多路溫度數據的采集、管理、顯示與打印等功能。包曉梅[4]以某預應力箱梁橋研究溫度分布對預應力混凝土結構的影響，采用自動遠程實時溫度采集系統采集現場溫度數據，并運用軟件ANSYS進行分析；中國水利水電研究院等提供了一種混凝土拌合樓骨料溫度和出機口混凝土溫度信息采集方法，根據現場的環境溫度、風速、濕度，對測量的溫度數據進行修正使溫度測量更準確。

綜上所敘述，傳統的有限元軟件建立有限元分析模型是一個獨立的操作過程, 容易面臨復雜構件模型難以建立以及模型參數需多次修改、耗時較長等問題，而且對建立的模型進行簡化，又不能保證溫度場的精確分析。將有限元仿真計算數據與 BIM 的信息管理進行結合, 開發具備事前計劃、實時控制、動態管理的信息系統就成為了可能。

本項目能對建筑進行實體建模, 運用數字化、信息化手段采集混凝土溫度、產量和消耗等數據，通過測溫點預先安裝測溫傳感器，將實時溫度上傳至信息平臺，實時展示并提示溫度超差預警, 解決傳統方法中數據采集和數據處理分析滯后的問題,從而有利于施工過程的精細化管理。對于提高變電站施工管理的智能化水平具有一定的現實意義。

6 推廣情況及前景

該裝置能實時監測混凝土內外溫度變化，通過智慧工地系統了解施工點位溫度、溫差、降溫速率，超過預警溫差值時，系統會及時報警，避免出現大體積混凝土結構質量事故。解決傳統方法中數據采集和數據處理分析滯后的問題，從而有利于施工過程的精細化管理。對于提高變電站施工管理的智能化水平、提升智慧施工應用深入具有一定的現實意義。

7 節能減排及經濟效益

7.1 經濟效益

在大同某500kV變電站新建工程、太原某220kV變電站新建工程中得到充分應用，大同某500kV新榮變電站主變、構架、GIS基礎大體積混凝土方量4160方，太原某220kV變電站筏板基礎方量約為3300方，混凝土內外溫差、溫度控制速率及溫度回升梯度滿足溫控要求，現場大體積混凝土施工完成后經復檢未發現裂縫，相關成本費用分析表如表1所示。

表1 成本節約費用分析表

7.2 社會效益

基于BIM+工作平臺的大體積混凝土溫控裝置能實時監測混凝土內外溫度變化，通過智慧工地系統了解施工點位溫度、溫差、降溫速率，并提示溫度超差預警, 解決傳統方法中數據采集和數據處理分析滯后的問題，從而有利于施工過程的精細化管理。對于變電土建施工的智能化管理具有重要意義和工程價值，對智慧工地施工具有十分重要的借鑒和推廣意義。

8 結論

本文設計的溫度控制系統將有限元分析軟件與BIM平臺、智慧工地進行融合，有效地預防因溫度控制不及時而引起的質量問題，實現施工過程精細化管理。隨著BIM技術的不斷發展，在施工過程控制中的應用將會更加廣泛，該系統設計的提出也為今后更加廣泛的智能化工程管理提供了參考。