彭楚才,周文哲,刘晓平,刘晓红,吴建良,刘康兴

(1.湖南理工学院 土木建筑工程学院,湖南 岳阳 414006;2.长沙理工大学 水利工程学院,湖南 长沙 410114)

0 引言

混凝土材料是我国工程建设中最重要的建筑材料之一,也是应用最广泛、最普通的建筑材料.大体积混凝土在浇筑过程中由于内外温度差而产生的热应力会直接影响浇筑质量,因此在施工中要对混凝土温度进行监控,并根据温度的变化情况采取相应的表面保温和内部降温措施[1,2].传统的温度监控方法是通过人工进行温度测量和采集,通过对数据的记录分析发现温度超标时再采取应对措施[3].这种方法存在记录不准确,无法实时掌控温度变化情况,无法对质量事件预警,缺乏异常工况分析处理能力等问题.

随着我国科学技术的不断发展,大型化、复杂化的建筑结构在工程中得到广泛应用,现有关于大型混凝土结构温度监控的方法已满足不了工程实际的需求,需要进一步加强对大体积混凝土温度应力与温度裂缝控制的研究[4].本文提出了一种基于BIM 的温控系统,该系统能根据设计与施工要求对建筑进行实体建模,建立温度场计算模型,实时监控温度数据进行分析预警,将工况信息及时提交至设计、施工、监测各方进行计算分析,辅助各方决策,解决传统方法中数据采集和数据处理分析滞后的问题,并可以根据监测与分析计算结果实时进行决策、干预,有利于施工过程的精细化管理.

1 BIM 技术在大体积混凝土温控中的应用

国家住建部指出,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.BIM 技术的发展为实时监测控制和数据整合分析提供了良好的平台.

基于BIM 技术设计大体积混凝土温控制系统需要满足以下几个方面的需求:(1)能够通过BIM 平台直观地看到温度的变化情况,包括实体的温度云图以及各部分温度变化曲线等;(2)能够实时将实测的大体积混凝土各部分温度及实际的施工效果图反馈给施工方和设计方;(3)遇到突发情况能够及时预警并根据情况自动选出备选方案进行温度调控;(4)对于紧急预警以及较为复杂的工况能够及时将数据发送到设计单位,并通过设计单位的计算分析给出应对措施,再将数据反馈到BIM平台;(5)效果直观明了,易于操作,便于多方交互分析.

在目前已有的解决方案中,已开始利用BIM 技术进行初步的远程监控分析,但是这类方案没有充分发挥BIM 在施工管理方面的优势,不能够将各参与方紧密结合,智能化程度较低;只能简单通过预先存储的数据库设置各个时间段的阀值,从而实现自动温度控制和预警.更直观更全面的应力云图往往需要通过有限元建模分析得到.传统的有限元软件建立有限元分析模型是一个独立的操作过程,容易面临复杂构件模型难以建立以及模型参数需多次修改、耗时较长等问题.而对建立的模型进行简化,又不能保证温度场的精确分析.更重要的是,多方信息交流的不及时和不对等也会造成工程中的突发情况不能够得到及时解决.

目前市场销售的BIM 软件一般只有建模、施工模拟、进度控制、造价等单一功能,要实现多方管理、交互操作就需要在现有平台上进行功能扩展或重新设计[5～7].随着5G 时代的到来,信息的传递速度已经能够保证大数据的在线即时传递,这样将有限元仿真计算数据[8,9]与BIM 的信息管理进行结合,开发具备事前计划、实时控制、动态管理的信息系统就成为了可能.

2 基于BIM 的大体积混凝土温控系统架构

基于BIM 的大体积混凝土温控系统技术路线如图1所示,其中BIM 数控与交互中心是整个系统的核心部分.BIM 信息管理平台构架如图2所示,由数据层、模型信息层、功能应用层三部分组成.数据层以数据库为基础,将BIM 模型每个构件的设计、技术、质量、安全、计价、日志等属性信息分类存储;模型信息层将BIM 模型几何信息、施工过程温度信息等以窗口形式可视化展示出来;功能应用层通过各个模块功能的设计,能实现BIM 建模、温度应力场仿真计算、温度监测数据收集、温度预警分析等,并能使各参建方进行信息共享与交流.

图1 BIM 温控系统技术路线

图2 BIM 信息管理平台架构

3 功能应用层模块设计

与传统的温度控制方法相比,基于BIM 的温控系统能够以三维的方式直观动态反应混凝土温度变化情况,且在BIM 实体模型中携带了各类物理信息与现场信息.BIM 温控系统平台主要由BIM 模型模块、混凝土浇筑温度监测模块、温度预警模块、温度应力场计算模块组成.

BIM 模型模块:以Revit 软件平台为基础,根据设计要求和施工工艺,分层分块对不同浇筑部位进行建模,最后拼装为整体模型.利用BIM 软件的施工模拟功能,可以对各个拼装块体之间的空间关系进行检查,从而优化施工过程.

混凝土浇筑温度监测模块:以湘江长沙综合枢纽工程船闸大体积混凝土施工为例,在混凝土浇筑前分层预埋测温元件,其中一个浇筑平面的预埋方案如图3所示,网格中每个节点预埋一个测温元件.测温设备实时采集的温度数据通过网络传入计算机中,并通过数据结构转换传输至BIM 系统平台,在已建BIM 模型的相应测温点位置同步反应混凝土温度变化,并将数据转化为温度云图,从而更好地观测温度的分布情况.图4即为混凝土浇筑后所监测平面的温度分布云图之一.

图3 温度计布置

图4 实测浇筑层温度分布

温度预警模块:一方面根据温度监测模块获得的温度监测数据,计算混凝土里外温度差,若结果大于预警阈值,则通过系统进行预警,提醒现场采取措施.另一方面,通过如图4所示温度云图,将温度梯度较大的部分找出,可更精确地找到需要进行温控处理的区域.当温度预警等级较低时,系统自动提供温控方案给施工方;当预警等级较高时,系统会向设计单位和施工单位发送紧急预警,并将实测温度数据和相关施工数据发送给设计单位.

仿真计算模块:将BIM 模型转换为有限元模型.考虑水化热温升、外界气温、弹性模量、外部约束条件、施工工艺等因素的影响,采用有限元仿真分析方法计算分析大体积混凝土水化热、内部温度曲线、节点应力等.对于突发情况(比如大幅度的降温),可以通过BIM 平台发送的预警信息和现场实测温度数据进行有限元模拟,如图5所示.初步判断各部分混凝土内外温差是否在允许范围内,同时可计算出外部保温或者内部散热所需要达到的临界温度.通过将模拟情况与实测情况进行对比分析,可以清楚地判断出现异常情况的部位.

在施工之前,设计单位通过BIM 软件建立模型,同时将模型数据导入有限元仿真软件对施工过程进行模拟,并将不同边界条件下的温度预测数据、预警判断标准数据以及相应预警条件下的处理方案存入数据库.在实施过程中,施工方根据设计方案进行现场施工,检测人员预埋的测温元件将温度检测数据通过网络自动传输到BIM 数控中心.当出现降雨、寒潮等特殊天气情况时,检测人员也可根据天气预报或现场实际情况提前将信息反馈给BIM 数控中心,数控中心通过数据库对温度检测信息进行初步判断.低预警等级情况下,数据库将直接给出推荐方案;高预警等级时,数据库将温度检测及相关数据发送给设计方,设计方根据测试数据、现场观测以及数值计算进行综合判断,并将分析结论反馈给系统平台和施工单位,从而采取合适的应对措施.

图5 水化热作用下混凝土温度分布

4 总结

温度监控是混凝土工程重要的质量检测手段之一.通过对BIM 技术的进一步开发,设计功能更加完整、更加智能化的温度监控系统,能够有效地整合信息资源,提高温度监控能力和应对能力.本文设计的温度控制系统将有限元分析软件与BIM 平台进行融合,将施工方和设计方更加紧密地联系在一起,施工方能够根据更精确的数据分析采取合适的施工方案,有效地预防各种突发情况下因温度控制不及时而引起的质量问题,实现施工过程精细化管理.随着5G 通讯技术的发展,加快计算分析软件与控制平台的数据传递和功能融合已成为一种趋势,该系统设计的提出也为今后更加广泛的智能化工程管理提供了参考.