一种大体积混凝土测温装置的研制与应用

韩晓峰 崔亚超 康乐

国网山西送变电工程有限公司 山西 太原 030006

在变电土建施工中主变基础、GIS基础、配电楼筏板基础等均为大体积混凝土，浇筑混凝土体量大，并要求一次性连续整体浇筑，施工组织难度挑战性大。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，容易产生温度裂纹，对结构的整体性、耐久性、抗渗性等重要性能造成严重影响。

目前电力行业土建工程传统大体积混凝土施工多采用人工监控温度。存在：存在数据采集处理不及时。数据分析量大、监测数据准确性差、受人为因素影响大、温度控制效率低、无法很直观传达大体积混凝土内部温度的变化的缺点。

项目结合工程实际情况，开发设计一种大体积混凝土测温装置。该装置能解决混凝土测温数据采集处理不及时，数据分析量大、监测数据准确性差、受人为因素影响大、温度控制效率低、无法很直观传达大体积混凝土内部温度的变化等问题。

1 主要用途

本装置可实现模拟仿真、温度监测、实时查看、报警统计等功能，避免变电施工大体积混凝土出现结构裂纹。

2 技术原理

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，由数据层、模型信息层、功能应用层三部分组成。

图1 技术原理图

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、日志等属性信息分类存储；模型信息层将3D、2D模型几何信息、施工养护过程温度动态采集信息、温度预警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，能实现建模、温度数据收集、温度预警分析、仿真模拟等。

3 模块设计

BIM模型模块：以通过Revit 软件建模，根据设计要求和施工工艺，对大体积混凝土施工过程仿真建模，实现施工模拟，从而进一步优化施工过程，建模模型如图2所示。

图2 承台基础建模

温度监测模块：在混凝土浇筑前，提前在测温点处预埋测温导线，通过测温装置实时采集温度数据，现场测温装置显示屏不仅能显示16个测点的实时数据，还可通过无线传输到广联达智慧工地系统决策平台系统平台, 在平台3D图形位置同步反应混凝土温度变化，从而更好地观测温度的分布情况。

温度预警模块：根据现场装置采集的温度监测数据, 通过计算混凝土里外温度差, 若结果大于设定的温度预警阈值,系统会将预警信息通过可视化窗口显示，提醒现场采取降温措施。

仿真模拟计算：将 BIM 模型转换为有限元模型，使用MIDAS FEA来计算基础施工期内部温度场及仿真应力场，如图3所示。通过考虑比热、容重、热传导率、外界温度、浇筑温度等参数的影响, 将基础模拟成具有一定比热和热传导率的结构，将浇筑混凝土后的170个小时分为5个步骤分别进行了水化热分析。通过计算基础施工期内部温度场及仿真应力场，并根据计算结果制定不出现有害温度裂缝的温控标准和相应的温控措施。模拟混凝土的浇注、成长过程，能考虑到浇筑温度、施工间歇期、混凝土水化热的散发规律、养护方式、外界气温变化、混凝土及基岩弹模变化、混凝土徐变等复杂因素。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。

图3 基础温度场

4 关键技术与创新点

创新点1：提出大型有限元软件MIDAS FEA来计算基础施工期内部温度场及仿真应力场，并根据计算结果制定不出现有害温度裂缝的温控标准和相应温控措施。承台基础MIDAS FEA建模图如图4所示。

图4 基础建模

创新点2：研发基于NTC热敏电阻的多路温度无线监测设备，构建大体积混凝土的多路温度采集和传输平台。实时监测混凝土测温点温度和测温曲线，同步传送记录相关数据至BIM工作平台，数据可记录、可追溯。设备电路板图纸如图5所示。

图5 电路板图

创新点3：提出在BIM系统中依据施工工艺要求对大体积混凝土进行3D建模，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，在智慧工地决策在线系统中显示。如图6所示。

图6 智慧工地决策在线系统3D模图

5 与同类先进成果主要技术指标比对

王培培等[1]提出了一种基于NTC热敏电阻的温度实时在线监测技术，利用IGBT模块内部集成的负温度系数(NTC)热敏电阻，将温度信号转化为频率信号，通过光纤隔离后输入至逻辑处理芯片(CPLD)，经逻辑处理后在上位机进行温度实时显示。林文强[2]介绍了大体积混凝土浇筑完成后全自动多点温度采集、无线远距离传输和数据处理系统。吴林等[3]介绍了一种基于RS-485总线的温度数据采集系统，实现了对工业现场多路温度数据的采集、管理、显示与打印等功能。包晓梅[4]以某预应力箱梁桥研究温度分布对预应力混凝土结构的影响，采用自动远程实时温度采集系统采集现场温度数据，并运用软件ANSYS进行分析；中国水利水电研究院等提供了一种混凝土拌合楼骨料温度和出机口混凝土温度信息采集方法，根据现场的环境温度、风速、湿度，对测量的温度数据进行修正使温度测量更准确。

综上所叙述，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，而且对建立的模型进行简化，又不能保证温度场的精确分析。将有限元仿真计算数据与 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。

本项目能对建筑进行实体建模, 运用数字化、信息化手段采集混凝土温度、产量和消耗等数据，通过测温点预先安装测温传感器，将实时温度上传至信息平台，实时展示并提示温度超差预警, 解决传统方法中数据采集和数据处理分析滞后的问题,从而有利于施工过程的精细化管理。对于提高变电站施工管理的智能化水平具有一定的现实意义。

6 推广情况及前景

该装置能实时监测混凝土内外温度变化，通过智慧工地系统了解施工点位温度、温差、降温速率，超过预警温差值时，系统会及时报警，避免出现大体积混凝土结构质量事故。解决传统方法中数据采集和数据处理分析滞后的问题，从而有利于施工过程的精细化管理。对于提高变电站施工管理的智能化水平、提升智慧施工应用深入具有一定的现实意义。

7 节能减排及经济效益

7.1 经济效益

在大同某500kV变电站新建工程、太原某220kV变电站新建工程中得到充分应用，大同某500kV新荣变电站主变、构架、GIS基础大体积混凝土方量4160方，太原某220kV变电站筏板基础方量约为3300方，混凝土内外温差、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，相关成本费用分析表如表1所示。

表1 成本节约费用分析表

7.2 社会效益

基于BIM+工作平台的大体积混凝土温控装置能实时监测混凝土内外温度变化，通过智慧工地系统了解施工点位温度、温差、降温速率，并提示温度超差预警, 解决传统方法中数据采集和数据处理分析滞后的问题，从而有利于施工过程的精细化管理。对于变电土建施工的智能化管理具有重要意义和工程价值，对智慧工地施工具有十分重要的借鉴和推广意义。

8 结论

本文设计的温度控制系统将有限元分析软件与BIM平台、智慧工地进行融合，有效地预防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，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。