基于ZigBee的高层建筑混凝土智能化养护系统设计

肖琳，谢江斌，邓荣华

（1.湖南工学院；2.湖南雁星建筑工程有限公司）

1 引言

现浇混凝土裂缝表现为表面龟裂、纵向和横向裂缝以及斜向裂缝，已被列为建筑行业人人皆知的通病。裂缝不仅有损外观，而且会引起钢架腐蚀，内部组织疏松，破坏整体结构，影响强度和耐久性，严重时会导致建筑质量事故。裂缝出现的主要原因有设计、施工、养护、使用等方面原因，经分析因养护不规范而发生裂缝的现象尤其突出，混凝土浇筑施工后养护过程中的温度与湿度控制不当，将导致出现收缩性裂缝。针对上述混凝土养护问题，本项目基于ZigBee技术[1]设计了高层建筑混凝土智能化养护系统[2-3]，系统既能根据环境条件，进行定时、定量养护，又能满足养护连续性和全面性，可以极大地降低人工重复劳动、克服养护随意性等问题，还可防止高层建筑因昼夜养护导致的安全事故发生，符合建筑业新技术要求。

2 工艺设计组成

本高层建筑混凝土喷淋养护系统，包括供水系统、控制系统[2]、ZigBee模块及用于安装在梁板上检测温湿度的温度和湿度检测模块，供水系统包括安装在供水管道中并用于控制供水管路通断的电磁阀门、供水管线、供水管道末端连接的360º自动旋转喷淋头和变频加压系统，温度和湿度检测模块与ZigBee模块连接，ZigBee模块与控制系统连接（见图1）。

图1 混凝土喷淋养护系统原理图

3 智能化控制原理

控制系统包括主控制芯片和喷淋继电器；Zigbee模块与主控制芯片连接，开关继电器连接电磁阀门的供电电路，并控制电磁阀门的电流通断，主控制芯片控制开关继电器的闭合和断开；即控制系统控制开关电器闭合，电磁阀门通电开启，使得喷淋头喷水以实现对混凝土梁板、剪力墙进行喷淋养护。供水系统还包括变频加压装置，加压装置连接供水管路，控制系统还包括与主控制芯片连接供水继电器，主控制芯片控制供水继电器的闭合和断开，供水继电器连接加压装置的供电电路并控制加压装置的电流通断（见图2）。

图2 主控制系统电路图

系统中温度和湿度检测模块为温湿度传感器，温湿度传感器与Zigbee模块连接，在没有障碍时自动接收信号最远距离达到100m。控制系统还包括串行调试接口和复位开关，串行调试接口连接主控制芯片，复位开关连接主控制芯片。主机采用施工用电直供，内设直流转换电源，输出安全电压为24V。各传感器用电采用可反复充放电蓄电池，方便安装和确保地面整洁。喷头继电器电路如图3所示，加压继电器的电路如图4所示。

图3 喷头继电器电路图

图4 加压继电器的电路图

4 智能养护技术特点

4.1 系统安全实用

高层建筑施工工期紧、施工人员密集，工序搭接复杂，施工安全有严格要求，系统设计上充分考虑现场的特殊性，在供电和通信上尽量减少导线连接，实行整体封装。设计采用安全电压，其中主控制器构件和电磁阀门24V，温湿度传感器5V。数据通信基于ZigBee无线网络技术传输。主控制器和温湿度传感器密水性好、安全实用。设计符合建筑工程项目安全施工规范规定。

4.2 系统安装方便

供水支管网采用DN25 PPR给水管，快速活接头连接，方便现场拆装，降低施工难度、加快安装进度。由于高层建筑中标准层结构及施工工艺等均一致，系统安装时，一次性设计，更换楼层时，不需要破坏干管、支管及喷淋头等，而是拧松活接头，整体移层下一层便可直接使用，增加周转次数，提高使用效率。

4.3 系统适用性强

系统设计变频加压系统，提供稳定的供水水压，选用了360º自动旋转喷淋头，确保喷淋养护均匀。在日常人工养护中，通常会遗漏对剪力墙及楼底间、电梯间等局部死角位置的养护，针对此情况需要先熟悉建筑物构造，然后有针对性地设置喷淋头位置，通过调整喷头的雾化半径及雾化高度，达到真正的养护全覆盖。在高层建筑混凝土养护中，系统克服了人的因素，定时、定量喷水，无死角、全方位自动养护，真正达到智能化，提高高层建筑混凝土养护质量。

4.4 系统可视性强

利用塔吊上的全景摄像头和单独安装摄像头，对混凝土养护区域进行监视。施工人员通过手机终端，可随时、随地监控智能化喷淋养护系统设备运行情况，了解混凝土养护状况，降低了施工人员劳动强度，尤其是降低了高层建筑混凝土夜晚养护中的安全风险。

4.5 系统使用局限性

该系统随着高层建筑施工过程中楼层的升高，要常更换楼层位置，因养护周期长于每层楼的建设时间，需要多套设备同时使用，工作过程中要注意监控、维修。

5 与人工养护方法的比较

从养护效果、养护是否有规律、一次性投入成本、时间控制、温度控制、湿度控制、循环适用和社会效益等8个方面与人工养护方法进行对比。智能化养护技术与人工养护方法的对比如表1所示。

表1 智能化养护技术与人工养护方法的对比

通过上表对比分析，智能化养护系统在高层建筑混凝土工程项目应用中对混凝土养护具有优越性和实用性。

6 工程应用实例

本工程为衡阳市区某住宅建筑工程项目，建筑面积约 12.5 万m2，其中剪力墙及梁板混凝土等级均为 C20～C45，楼高为 32 层。为了做好高层建筑混凝土的养护工作和测试系统的可行性，选取了5号楼的 15 层、19 层、23 层共3层楼安装智能化混凝土养护系统。选用喷头安装高度20cm，单个喷头工作面积约 40m2。一般每次喷淋养护 4min～6min 即能达到养护效果[5]，受天气原因和楼层风量大小影响，养护的间隔时间稍许不同。适当调整喷头布置密度，增加重叠区域，水雾能覆盖到整个楼板、井道、楼梯间及平常难以养护到的地方，做到定时、定量和 24h 不间断养护，且可达到养护要求，保证了混凝土的养护质量。

7 结论与展望

该智能化养护系统具有安全实用、安装方便，使用稳定、可视性强和适用性广等特点，既能对高层建筑混凝土定时、定量进行养护，又能满足养护全覆盖，提高混凝土养护质量，确保混凝土强度及其耐久性等符合建设设计要求。通过技术创新，推行新型智能养护工艺，减少人工影响，降低劳动强度，防范施工安全风险。系统设计上也充分考虑到高层建筑中标准层的一致性，养护设备一次投入，多次使用，符合绿色环保和建筑业新技术要求，可为同类工程提供参考，也可推广到大面积的绿化智能化养护项目，既达到了养护效果，又节约了社会资源。