大体积混凝土BIM智能温控系统的研究与应用

廖哲男　魏巍�┱粤� 张亚婷

摘 要：

传统大体积混凝土通水冷却施工多采用人工监控温度，存在数据采集处理不及时、监测数据准确性差、温度控制效率低等问题，针对这些问题，开发一种BIM智能温控系统。具体方法为：选择Revit、Navisworks等BIM软件进行二次开发；利用控制计算机、温度数据采集设备、自控阀门循环水泵、无线网络通讯及桥接设备、工业集成软件服务器及客户机等搭建温度测控系统；建立温度预警机制并搭载人工智能控制算法，通过无线传输接收测温元件传递的数据，系统自动判别温度异常情况并控制冷却水管阀门的开关；在BIM实体模型中标记实际测温点的相对应位置，使系统以三维形式同步直观反映相应测温点位置混凝土温度曲线变化，并提供预警功能。系统在寸滩长江大桥中进行了测试，结果表明，系统采集数据准确灵敏且预警及时，温度采集的精确度和效率均得到提高，温度控制较为理想。

关键词：

BIM技术；大体积混凝土；可视化；智能控制

中图分类号：TU712.2

文献标志码：A 文章编号：16744764（2016）04013207

大体积混凝土在施工阶段产生的温度应力往往超过外荷载引起的结构应力，使混凝土产生温度裂缝，对结构的整体性、耐久性、抗渗性等重要性能造成严重影响。因此，大体积混凝土的施工质量是一个重要的控制点。常用的大体积混凝土温度控制方法主要有分层浇筑、预埋冷却水管、跳仓法施工、骨料预冷等[1]。其中，预埋水管通水冷却是以散热降温为出发点的一种人工温度控制措施，即利用冷却水流动使热量在尽量短的时间内耗散[2]。传统的通水冷却方法多采用人工监控，现场数据、信息都需手动采集，存在监测数据准确性差、温度控制效率低、受人为因素影响大等缺点，且工作人员距离浇筑点较近，有安全隐患[3]。

现代信息化技术的发展为这些弊端提供了解决方案，人们已经在不断探求一种实时高效、智能精确的温度控制方法。林鹏等[4]提出建立一种大体积混凝土通水冷却智能温度控制方法与系统，实现远程实时、在线复杂通水信息的自动采集与反馈控制。陈志远等[5]提出通过预设温度变化过程线和实测混凝土温度进行冷却水流的通断决策，提出对冷却通水的自动控制的新方法。Jing等[6]提出建立用于温度控制和裂纹预防的数据库系统。杜小凯等[7]建立了一种动态智能温控系统，利用GPS技术、网络技术、数据库技术、自动化监测技术和数值仿真技术对动态智能温控进行了分析与探究。住建部2015年6月指出施工企业要全面推行基于BIM应用的施工管理模式和协同工作机制，综合应用数字监控、移动通讯和物联网技术，实现施工现场集成通讯与动态监管，进一步提高施工精度、效率和安全保障水平[8]。BIM技术与实时监测控制的集成研究日趋深入，在现场施工、资源管理、进度控制等方面在不断尝试多种实时控制系统，并与RFID及GPS结合形成各种资源跟踪技术[9]。笔者在结合传统的大体积混凝土施工温控技术方法基础上，提出BIM技术与冷却水管相结合的大体积混凝土温控方案，开发出具有数据存储、信息查询、数据分析、预警和自动控制等功能的大体积混凝土BIM智能温控系统。该系统在重庆寸滩长江大桥北锚碇施工中进行了试用，取得了较好了效果。

1 工程概况

重庆寸滩长江大桥总长1.6 km，跨江主桥主跨880 m，桥面宽度38 m，南北两岸引桥总长720 m，属特大悬索桥。两岸锚碇均为重力式锚碇，明挖扩大基础，其中，北锚碇基础平面尺寸为56 m×58 m，基座以上扣除锚体需要空间，均采用片石混凝土压重，基底采用阶梯式，整个锚体在平面呈U 形，锚块、鞍部均采用实体结构。锚碇基础、压重块、锚块等均属大体积混凝土施工。

2 基于BIM的大体积混凝土温控系统

2.1 BIM温控系统设计原理

与传统冷却通水温控方法相比，在基于BIM的温度控制系统中，工作人员通过自动控制平台对冷却水的通断进行远程控制，改善传统方法中主要依靠人工采集、录入和处理数据的问题，减少了数据传递过程中人为因素的影响；通过BIM温控平台和工业控制协议的结合，实现数据的实时动态采集和反馈，可解决传统方法中数据采集、处理滞后的问题，提高数据处理的效率；BIM实体模型携带各类物理信息与现场信息，以三维模式直观、动态反映混凝土温度变化情况，改善了传统温控中二维、抽象的数据分析方法。BIM温控系统主要设计原理为：首先依据施工工艺进行3D建模，在BIM虚拟环境中按照施工组织设计进行施工模拟，以检验并优化构件之间的空间关系；然后搭建BIM温控信息平台，建设BIM温控模块，在混凝土中放置测温元件，将信息平台与现场测温设备通过计算机相连接，经监测仪器实时采集温度数据，并通过通讯协议转换传输至BIM信息平台中，在已建3D建筑信息模型相应测温点位置中同步直观反映混凝土温度变化；最后在BIM温控系统中建立温度预警机制，搭载人工智能控制算法，系统自动判别温度是否异常并通过无线传输发送指令，实现冷却水管阀门的自动开关，从而实时调节水量并达到控制混凝土内部温度、减少混凝土内外温差的目的。

2.2 温控系统组成

BIM温控系统是作为BIM信息化管控平台中的温控模块而建立，该平台以欧特克公司Revit建模平台作为模型的创建载体，在此基础上利用Microsoft .NET Framework、Javascript及HTML、C++、Autodesk CAD、Autodesk Revit、Naviswork等搭建而成。平台整体界面如图1所示。开发该BIM信息化管控平台时，针对桥梁锚碇大体积混凝土施工设置了温度测控模块。温度测控模块是利用控制计算机、温度采集仪（KJ8215A）、温度传感器（ZT8911C）、自控阀门循环水泵（具备ModBus控制通讯协议）、无线网络通讯设备、无线网络桥接设备、工业集成软件服务器及客户机等搭建而成，温度测控模块软件底层采用C++进行跨平台开发，可支持Windows、Linux、Mac OS以及Android等多系统设备，整个平台在物理设备的架构上充分考虑使用环境的复杂度，使用ModBus及TCP/IP通用协议，可通过无线、有线、3G网络单个或混合整合进行工作，便于在复杂应用环境中平滑切换、灵活运用，温控模块构架图见图2、图3。

2.3 BIM温控系统特点

1）为保证系统的稳定运行，且结合施工现场环境的复杂性及广阔性的特点，通讯方式采用无线桥接模式，某个网络节点故障不影响整个系统平台网络通讯。

2）系统供电除常规电源外，配备UPS电源，且UPS电源容量保证整套通讯设备在断电情况下稳定运行30 min以上。

3）温度采集仪、自控阀门、无线网络通讯设备等关键设备采用一备一用方式，保证系统硬件出现故障后及时更换。

4）系统软件在正常运行情况下，采用自动控制模式控制阀门。网络不通畅达到5 min时，可自动切换到手动模式，并发出预警。

5）温度采集仪配备存储设备，在网络不通畅时，可储存2 h温度数据，以最大限度保证系统数据的完整性。

2.4 工作流程设置

BIM温控系统的工作流程设置如图4所示。

3 BIM温控系统的应用

以重庆寸滩大桥北锚碇大体积混凝土施工为例进行说明。

3.1 BIM参数化模型的建立

北锚碇BIM建模采用Revit2014软件平台，完全按照现场施工工艺进行，主要分为基础建模、锚碇建模以及后浇带的建模。基础建模采取分块分层方法，分块方法：基础竖向划分为8层，下3层对称均匀分成4块，在纵、横桥向中线上均设置2 m宽的后浇带。锚碇建模又分为锚块及压重块、散索鞍支墩、锚室施工、锚杆及后锚梁；锚块及压重块建模竖向分为12层，后浇段建模在索鞍支墩之后，共6 m分4层建立；锚室竖向按4.5 m高共划分为5层建模，侧墙带锚室顶盖一起建模；再分别对锚杆及后锚梁建模，完成后进行定位安装如图5。

3.2 温度标准设定

BIM温度控制系统的温度标准依据传统方法设定，即结合传统的温度控制原则和主要施工部位混凝土绝热温控计算结果设定。

混凝土内部点和边界点的早期温度有相似的变化规律，当混凝土浇注后，温度迅速上升，根据《大体积混凝土施工规范》（GB 50469—2009）规定，混凝土浇筑体基于入模温度的温升值不宜大于50 ℃、里表温差不宜大于25 ℃、降温速率不宜大于2 ℃/d、表面与大气温差不宜大于20 ℃[10]。在浇筑混凝土前，各测温元件所传输的当下的温度为环境温度，从混凝土浇筑时起，所测的温度为混凝土入模温度，后续测得的温度最大值与入模温度之差即为温升值，温度控制要以尽量降低混凝土温升、延缓最高温度出现时间、控制降温速率为原则[11]。

1） 绝热温控计算。

针对北锚碇建立计算公式及有限元模型，根据混凝土物理、热学性能试验同时考虑混凝土绝热升温值、弹性模量、徐变度、放热系数等参数[12]，并进行北锚大体积混凝土的内部温度场及仿真应力场计算，采用MIDAS/FEA进行有限元计算分析大体积混凝土水化热、内部温度曲线、节点应力等，最终经计算分析得到每层混凝土内部最高温度、内外最大温差及最高温度发生的时间和位置等，从而初步判断混凝土内外温差是否在允许范围内。统计后最终计算分析结果如图6所示。

根据计算模型结果，混凝土内部最高温度为55 ℃，混凝土温升峰值基本在第20～32 h内到达，即在混凝土水化热初期，内部混凝土温度与表面混凝土温度具有较大的差值，在此时应加强温度监测并及时采取措施。

2）温度标准设定。

根据对混凝土的温升计算分析，结合预估入模温度得到混凝土内部预估的最高温度，从而在系统中进行标准软件的编写，作为温控的标准，编制温度标准曲线。对于最大温升的掌握，视施工时天气条件下入模温度的高低力求灵活机动[13]（混凝土的入模温度应视气温而调整，最好能控制在25 ℃以内，不应超过28 ℃）。冷却过程分为一期、中期、二期进行，通过一期冷却降低水化热温升，即在混凝土浇筑后立刻通水进行降温，使混凝土内部最高温度不大于50 ℃，内外温差小于25 ℃；中期冷却为防止一期降温后温度回升；二期则为使混凝土冷却到最终稳定温度。BIM温控系统中温度标准曲线示意图如图7所示。

3.3 温度测控

3.3.1 温度监测

温度监测是实时检验混凝土温度变化是否符合温度标准、温控措施是否有效的重要工作。温度监测的实现基础是温度数据的采集，采用MODBUS总线串口通讯结构的测量系统，根据大体积混凝土温度规范要求布置测点，将温度感应器（ZT8911C）埋入混凝土，北锚碇压重块第4层传感器平面布置图如图8所示。在BIM模型相同位置上设置测温点，浇筑混凝土时冷却管进口采用每管一阀，每阀通过温度测控系统进行单独控制，如图9所示。温度采集仪依据预先设定的温度传感器编号，每间隔1 s采集1次温度传感器的温度值。温度信号从传感器传入PID调节器，通过MODBUS通讯协议将温度数字信号转化为计算机可识别信号，自动录入BIM模型中进行数据分析处理，并作出进一步控制措施，采用自动化的数据处理方法，一方面节约了人力，避免人工录入可能造成的数据遗失或精确度不高等影响。以重庆寸滩大桥北锚碇压重块第4层混凝土温度控制为例，根据测温点传来的数据在模型中自动生成曲线图形如图10所示，包括每个测点内部温度、顶面温度、环境温度及冷却水管出水口、入水口温度。温度数据将与材料信息、进度信息等一同作为BIM模型数据库中的一部分，无论是前期的分析计算还是后期的查询调取都体现了BIM技术即时化、可视化、动态控制的特点。

3.3.2 温度预警

测控装置搭载算法软件后储存温控设计要求、水温与流量、混凝土温度等数据，对通水降温的效率进行计算，并将混凝土内部温度与设计要求的目标温度进行比较[1416]。当混凝土传输至计算机的温度超过相应点设定的限值时，模型中对应的监测点会在周边区域内以颜色变化（呈现红色）的形式预警（图11），每个测温点的温度数据均在BIM模型中直观反映，温度出现异常的传感器编号、时间点、数值大小、与标准温度的差值都呈现在温控平台上。以重庆寸滩大桥北锚碇压重块第4层混凝土温度控制为例，共设8个测温点，测温点起始温度较正常，峰值温度过后一段时间内温度偏离标准温度，则模型中测温区域红色亮显提示，表明需及时采取控制措施。当测温点较多或多处工程部位同时施工时，温控系统优势更为明显，可以根据BIM模型更为直观的查看各处温度情况，每一次预警情况及处理情况相关的信息都储存在系统中，作为后期进行分析总结和优化方案研究的参考资料。

3.3.3 温度控制

系统中预警发出后，系统会自动给出指令采取降温措施，算法软件根据对数据的分析确定降温水的流量大小，控制阀门开关调整通水量，并保证数据监测持续不间断，待温度回落至正常范围内后，则预警取消，阀门关闭。整个远程控制指令的操作由控制电动阀实现，电动阀使用电能作为动力，通过电动执行机构来驱动阀门，实现阀门的开关动作，从而达到对管道介质的开关目的。如果是在控制室控制电动阀，把转换开关打到REMOTE位置，然后通过SCADA系统控制电动阀的开关。

3.4 应用效果分析

系统在实际工程中的应用表明：

1）测试中，环境温度在21～27 ℃之间变化，冷却水管进出口温差在1.2～10.8 ℃之间变化，表面温度最高为27.6 ℃，混凝土内部温度峰值在混凝土浇筑后1 d后出现，峰值为53.5 ℃，随后温度逐步下降并维持在22～26 ℃，内外温差、温度控制速率及温度回升梯度满足温控要求，现场大体积混凝土施工完成后经复检未发现裂缝。

2）BIM温控系统通过计算机终端直接采集温度数据，数据及时、准确，便于管理人员掌握现场动态情况，并实现远程自动控制。

3）系统对测温点数据进行分析，自动生成同步温度变化曲线，同时，每个测温点都在BIM实体模型中对应位置以三维形式显示，使整个控制过程更为直观、形象。

4）温度信息存储于BIM管控平台，便于后期查询、分析和管理。

4 结 论

通过BIM温控系统采集的温度数据及时、准确，且通过3D模型处理数据更为直观，提高了温控精细化程度，也有效降低了人工劳动强度，提高了工作效率。随着BIM技术的不断发展，在施工过程控制中的应用将会更加广泛，为工程活动带来更多技术和社会效益。

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（编辑 胡英奎）