混凝土管片蒸养窑热环境模拟及温控研究

温付友

摘要：混凝土管片蒸养需要消耗大量的热能，热能过程控制成为混凝土管片绿色生产过程中的关键环节。对混凝土管片蒸养窑建筑结构及构件属性进行分析，基于热工分析系统Ecotect Analysis進行BIM建模，并对建筑结构模型进行热工参数赋值。通过模拟混凝土管片蒸养窑被动组分得热、温度/得热对比等热工过程，对模拟结果分析评价。结果发现，成都地区夏季太阳辐射相对充足，而冬季可以吸收辐射相对较少，自然通风情况下，混凝土蒸养窑室内温度会因吸收辐射的量产生变化。可分别采用增加通风机和保温毯的方法做好相应的温控措施，使混凝土管片在适宜的温度下蒸养，确保混凝土管片的质量。

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.

关键词：混凝土管片;蒸养窑;热环境;模拟;温控

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

中图分类号：TU528.064                                 文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）06-0204-03

0  引言

随着国民经济水平的提高，大规模城镇化在推动轨道交通建设的同时，也有力地促进了地铁工程技术的发展。地铁工程施工的重点是盾构隧道，大体量、高品质的管片作为盾构隧道的主体结构之一，对保证地铁网线建设工程质量具有重要作用。国内大部分混凝土管片均采用蒸汽养护的方法，以提高管片构件的生产效率[1]。但若蒸汽养护温度控制不当，则会给混凝土管片的性能带来弊端，进而影响到力学性能及耐久性，同时给绿色施工带来不利影响。可见，分析混凝土管片蒸养窑的热工过程，对于控制蒸养温度、保证构件质量和绿色施工至关重要。

近年来，关于混凝土管片蒸养的研究已经成为了一个热点。为完善管片混凝土的蒸养工艺，吕根喜等[2]提出了一种能严格按照静停、升温、恒温、降温进行蒸汽养护的独立单元窑式管片养护工艺模式，以期为混凝土管片生产流水线的技术提升提供参考。王浩[3]从设施布置、蒸养室内温度的控制及管片成型后堆放静养等方面阐述了温度对管片质量的影响，并提出相应的质量保障措施，使管片厂在保证质量的同时达到日产量最大化。李雪梅等[4]提出蒸养过程中，矿物掺合料种类、掺量及复掺比例等配合比参数将影响管片混凝土的抗压强度，经实验发现，掺合料复合掺加混凝土力学性能好于单掺混凝土。相关文献对于混凝土管片蒸养的研究多集中于蒸养技术的优化，缺少对混凝土管片蒸养窑热工过程模拟优化的研究。

鉴于此，本文基于热工分析系统Ecotect Analysis进行BIM建模，通过对建筑结构模型进行热工参数赋值，模拟混凝土管片蒸养窑主要区域被动组分得热、温度/得热对比等热工过程，并对模拟结果分析评价，为管片厂蒸养制度设计提供依据。

1  研究背景

以中国水利水电第七工程局有限公司新津管片厂为对象进行研究。该管片厂位于成都市新津县，地理位置位于北纬30.67°，东经104.06°。成都属亚热带季风气候，具有春早、夏热、秋凉、冬暖的气候特点，年平均气温16℃。管片厂自投入运行以来，总体状况良好，但也出现了一些值得关注的问题，如混凝土管片在蒸养过程中难以掌握混凝土蒸养窑能源消耗情况。分析建筑室内热环境对于控制室内各区域温度而言尤为重要，同时能为建筑节能提供参考。本文通过实地调研，结合Ecotect Analysis软件进行BIM建模，分析混凝土蒸养窑热工性能，对混凝土蒸养窑提出温控措施，为混凝土蒸养窑的维护提供依据。

2  研究方法

前期对成都市新津县新建混凝土管片厂蒸养窑进行实地调研，考察该混凝土蒸养窑内部围护结构及其他构件的属性。后期结合实地调研结果，利用BIM技术中的Revit软件建模，并采用Ecotect Analysis软件对混凝土蒸养窑进行热环境分析。

2.1 管片厂混凝土蒸养窑BIM模型建立

Revit是BIM技术中最具有代表性并且是目前为止应用最广泛的三维模型软件，应用BIM技术能够给工程项目带来价值的关键就是在Revit软件中建立三维模型，创建一个可以信息化交流的平台。Revit可以参数化表示每一个建筑构件，并提供参数化的修改模式，清晰、真实的表达出实际工程项目的完整的面貌。新津管片厂混凝土管片养护窑的Revit模型，如图1所示。将建立的BIM模型导入Ecotect Analysis软件中，并对模型各部分赋予材质。

2.2 材质及气象参数导入

在Ecotect Analysis软件的材质选择栏分别选择墙体、窗户、门、天花板、屋顶、地板并导入材质。Ecotect Analysis提供了专用的气象策略分析工具：Weather Tool，同时它提供中国270个城市的气象数据文件（Weather Data）。在Weather Data中将成都市气象数据導入到Ecotect Analysis。

2.3 热工计算

加载成都地区的气候参数，进行热环境分析。在进行热工模拟计算之前，区域属性的设置大部分参数为系统默认值。室内设计条件（Internal design condition）包括了衣着量（Clothing）系统默认值1，相对湿度（Humidity）60%，风速（Wind Speed）为0.5m/s。人员与运行等条件的设置包括人员情况（Occupancy）为3人，室内得热情况（Internal Gainss）系统默认值，居住建筑使用全天。热环境属性的设置包括系统类型（Type of system），选择自然通风，因为混凝土蒸养窑的门窗春夏秋冬都开。运行时间（Hours of operation）全天使用选择（No Schedule）选项。

3  模型热环境分析

3.1 混凝土管片蒸养窑被动组分得热分析

Ecotect软件中通过选定日期范围可以清楚了解不同来源得热的逐日变化情况以及各自准确的所占比例。同时能够通过分析得到建筑冬、夏季时的主要热源来自何处，利用利弊合理处理，营造相对舒适的物理环境同时有效地节约能源。

对混凝土管片蒸养窑各区域作如图2的被动组分得热分析。

对于静养保温区、蒸养升温区、蒸养保温区，全年得热来源主要为蒸养窑内部吸收的热辐射，失热主要由通风及区域间空气流动造成。对于蒸养降温区，得热来源主要为蒸养窑内部所吸收的热辐射及区域间空气流动，失热的原因主要为通风及空气流动。各区域被动组分得热所占比例见表1。

由表1数据可得，各蒸养主要区域中，主要得热组分占比和与主要失热组分占比和均超过90%，从空气流动与通风的角度优化蒸养窑热环境是控制温度的关键。

3.2 混凝土管片蒸养窑温度/得热对比分析

混凝土管片蒸养窑维护结构的温度/得热对比如图3所示。

图3为所有区域的结构部件得热情况。图中横坐标为室外温度情况，纵坐标为室内的得热情况，绿色虚线的走势代表了理想状态下该蒸养窑室内区域的随外界温度变化得热情况，红色点与蓝色点分别代表了该蒸养窑区域的失热与得热情况，点的密集与否代表了该走势的离散程度。由图3可知，分区门及墙体的设计在冬季对于室内保温起到了一定的作用。

3.3 混凝土管片蒸养窑温控措施

从上述分析中易得，自然通风情况下，夏季时间段光照时间偏长，墙体吸收热辐射多，可以采用在室内增加通风机的方法，通过排风带走余热来降温。冬季时间段太阳光照时间相对较少，冷空气流动导致围护墙体散热快，可以采用增加保温毯，改进蒸养窑分区门材质的方法，减少热量的流失以控制温度[5]。

4  小结

Ecotect Analysis基于BIM技术构造建筑模型，在热环境分析方面提供了计算被动组分得热、温度/得热对比分析等热工指标，通过分析这些指标的模拟结果，可以有效地为工作人员对混凝土蒸养窑的温度控制提供依据。从上述热工指标分析中，可以得出以下结论：

①从各区域被动组分得热分析模拟结果可以清楚地了解到静养保温区、蒸养升温区、蒸养恒温区的被动组分得热情况相近，全年得热主要通过内部得热，失热主要由通风得热和区域间得热造成。对于蒸养降温区，得热主要通过内部得热和区域间得热，失热主要由通风得热和区域间得热造成。

②对比蒸养窑所有区域的总得热情况和所有区域的结构部件得热情况，我们可以直观的了解到分区门、墙体的设计在冬季对于室内保温起到了一定的作用。将原分区门的木材质替换为保温效果更好的材质，可使室内保温效果会进一步提升。

参考文献：

[1]朱瑶宏，等.蒸养管片混凝土物理力学性能的影响因素研究[J].铁道建筑，2013（01）：33-35.

[2]吕根喜，等.独立单元窑式养护混凝土管片生产流水线[J].混凝土与水泥制品，2018（05））：38-41.

[3]王浩.浅谈温度控制对管片质量的影响[J].四川水力发电， 2016，35（05）：19-20，38.

[4]李雪梅，齐莉莉.矿物掺合料对管片蒸养混凝土强度的影响[J].低温建筑技术，2018，40（07）：14-15，18.

[5]向敏，杨从娟.混凝土箱形梁蒸汽养护温度控制研究[J].铁道建筑，2009（02）：15-17.