基于BIM+技术的排水泵站混凝土温控解决方案研究

梅 斌，邓文华

（1.浙江省水利水电勘测设计院，浙江 杭州 310002；2.浙江省水电建设安装有限公司，浙江 杭州 310052）

泵站在城市防洪排涝、水资源管理等方面发挥着举足轻重的作用[1]。泵站主体结构为现浇大体积混凝土,混凝土内部在水化热作用下积累大量热量,容易产生温度裂缝,因此混凝土温控是泵站建设过程中的重点问题[2-4]。目前,已有较多泵站温控的研究与实践,这些成果具有较高的参考价值,为泵站施工温控提供了丰富的可行方案[5-8]。本文结合扩大杭嘉湖南排—八堡排水泵站工程,进一步探索以BIM技术为核心的泵站温控的系统解决方案。

1 工程概况

扩大杭嘉湖南排工程位于浙江省杭嘉湖东部平原,其中八堡排水泵站工程位于航运部门规划京杭运河二通道一线船闸东侧,排水河道利用规划京杭运河二通道,排水口设在头格村附近的钱塘江北岸海塘上。该工程系堤身式泵站,排涝设计流量为200 m3/s,为I等工程,主要建筑物为1 级建筑物。八堡泵站鸟瞰图见图1。

图1 八堡泵站鸟瞰图

本文以八堡排水泵站的底板结构为例,研究BIM、有限元数值分析和信息化监控技术在泵站大体积混凝土结构中的综合应用,以探索和总结适用于泵站大体积混凝土结构的温控设计、分析和监测的技术与经验。

2 BIM设计

本工程从施工图设计阶段就采用BIM技术进行三维协同设计,并在项目的建设管理过程中延续使用BIM模型,实现项目全生命周期信息的传递与贯通,图2 为泵站地下部分的整体BIM模型。泵站流道结构异形且复杂,软件自身的建模功能无法完全满足泵站精确建模的需求,通过软件二次开发拓展几何处理能力或利用其他三维软件等多方案保证精确建模,见图3。

图2 泵站地下部分的全专业BIM模型

图3 泵组异形外壳

3 施工过程数值模拟

以主机段底板部分为例,图4 为泵站下部结构的BIM模型。使用有限元方法进行施工期温度场和温度应力的分析。计算过程考虑冬季浇筑、内部无冷却水管和表面无保温措施的工况。其中,首道水平施工缝以下结构的有限元计算模型见图5。热力学计算参数见表1,其中C30 混凝土弹性模量增长公式为E（） = 38.0×（1-e-1.050.4）GPa,C30 混凝土抗拉强度增长公式为ft（） = 3.25×（1-e-0.290.88）GPa,绝热温升（） = 50×（1-e-1.350.7）℃。与空气对流的表面,未拆木模板时,表面放热系数取12.5kJ/（m2·h·℃）；拆模后,考虑风速影响,表面放热系数取63.09 kJ/（m2·h·℃）。

表1 底板大体积混凝土热力学计算参数

图4 主机段流道及底板的BIM模型

图5 底板首道水平施工缝以下结构的有限元模型

图6为Y=13.7 m处（即沿Y轴中部）的温度场云图,图7 分别为Y=13.7 m特征点1 （见图2 ）处的温度和应力历史曲线,其中应力历史曲线伴有混凝土抗拉强度的对比。

图6 =13.7 m处温度场云图

图7 =13.7 m特征点1处温度和应力历时曲线

由计算分析结果可知,虽然在冬季浇筑,但在不采取任何温控防裂措施的工况下,底板混凝土内部温度最高可升至58.5 ℃,且内外温差达到约20 ℃,最大拉应力达到5.0 MPa,超过混凝土抗拉强度,具有开裂的风险。

4 温控技术方案的比选

通水冷却是常用的大体积混凝土内部温控措施之一,通过合理的管线布置和通水方案,混凝土内部的温度可以得到有效控制[2]。拟定多个通水冷却方案进行比选,最终选择可以满足绝热温升降低18 ℃要求的方案：冷却水管间距为0.6 m×0.6 m； 采用10 ℃的水进行冷却；通水7 d,前4 d通水流量为120 m3/d, 4 d后通水流量为48 m3/d,每隔12 h换一次冷却水流方向。

通水冷却的计算分析结果显示,根据图8,离水管最远点的温度最高温度达到了46 ℃。然而,在没有使用通水冷却的情况下,混凝土在绝热状态下可达到的最高温度为65 ℃,通水冷却达到了使绝热温升降低19 ℃的效果。

图8 离水管最远点处温度历时曲线

5 方案的实施与馈控

本工程在建设中,为实时监控施工过程中温度变化,控制内部温升满足温控指标的要求,对底板和流道部分的大体积混凝土进行温度监测[3]。监测结果同步传输至温度监测平台,实时分析监测点处的温度变化,并结合BIM模型直观地显示温度变化过程,见图9和图10。

图9 底板混凝土温度监控平台页面

图10 流道混凝土温度监控平台页面

基于此温度监测平台,可实时直观地掌握混凝土内部监测点处温度的变化,及时调整通水流量与水温,以达到控制温度、预防裂缝的目标,实践效果较为理想。

6 结语

（1）泵站主体结构为大体积混凝土结构,在水化热作用下,易积累大量的热量,使得混凝土具有开裂的风险,需要采用适当的温控措施以防开裂；

（2）通水冷却是常用的大体积混凝土温度控制措施,合理的水管布置和通水方案能够有效控制混凝土内部在施工期的温度增长；

（3）BIM技术可为泵站结构的温控提供较为可靠的信息模型,该模型可贯穿温控计算、设计、监测的全过程；

（4）信息化技术结合监测提供了实时直观的温度监测方案,为温控和施工决策节约时间,带来便利。