基于ZigBee的高層建筑混凝土智能化養護系統設計

肖琳，謝江斌，鄧榮華

（1.湖南工學院；2.湖南雁星建筑工程有限公司）

1 引言

現澆混凝土裂縫表現為表面龜裂、縱向和橫向裂縫以及斜向裂縫，已被列為建筑行業人人皆知的通病。裂縫不僅有損外觀，而且會引起鋼架腐蝕，內部組織疏松，破壞整體結構，影響強度和耐久性，嚴重時會導致建筑質量事故。裂縫出現的主要原因有設計、施工、養護、使用等方面原因，經分析因養護不規范而發生裂縫的現象尤其突出，混凝土澆筑施工后養護過程中的溫度與濕度控制不當，將導致出現收縮性裂縫。針對上述混凝土養護問題，本項目基于ZigBee技術[1]設計了高層建筑混凝土智能化養護系統[2-3]，系統既能根據環境條件，進行定時、定量養護，又能滿足養護連續性和全面性，可以極大地降低人工重復勞動、克服養護隨意性等問題，還可防止高層建筑因晝夜養護導致的安全事故發生，符合建筑業新技術要求。

2 工藝設計組成

本高層建筑混凝土噴淋養護系統，包括供水系統、控制系統[2]、ZigBee模塊及用于安裝在梁板上檢測溫濕度的溫度和濕度檢測模塊，供水系統包括安裝在供水管道中并用于控制供水管路通斷的電磁閥門、供水管線、供水管道末端連接的360o自動旋轉噴淋頭和變頻加壓系統，溫度和濕度檢測模塊與ZigBee模塊連接，ZigBee模塊與控制系統連接（見圖1）。

圖1 混凝土噴淋養護系統原理圖

3 智能化控制原理

控制系統包括主控制芯片和噴淋繼電器；Zigbee模塊與主控制芯片連接，開關繼電器連接電磁閥門的供電電路，并控制電磁閥門的電流通斷，主控制芯片控制開關繼電器的閉合和斷開；即控制系統控制開關電器閉合，電磁閥門通電開啟，使得噴淋頭噴水以實現對混凝土梁板、剪力墻進行噴淋養護。供水系統還包括變頻加壓裝置，加壓裝置連接供水管路，控制系統還包括與主控制芯片連接供水繼電器，主控制芯片控制供水繼電器的閉合和斷開，供水繼電器連接加壓裝置的供電電路并控制加壓裝置的電流通斷（見圖2）。

圖2 主控制系統電路圖

系統中溫度和濕度檢測模塊為溫濕度傳感器，溫濕度傳感器與Zigbee模塊連接，在沒有障礙時自動接收信號最遠距離達到100m。控制系統還包括串行調試接口和復位開關，串行調試接口連接主控制芯片，復位開關連接主控制芯片。主機采用施工用電直供，內設直流轉換電源，輸出安全電壓為24V。各傳感器用電采用可反復充放電蓄電池，方便安裝和確保地面整潔。噴頭繼電器電路如圖3所示，加壓繼電器的電路如圖4所示。

圖3 噴頭繼電器電路圖

圖4 加壓繼電器的電路圖

4 智能養護技術特點

4.1 系統安全實用

高層建筑施工工期緊、施工人員密集，工序搭接復雜，施工安全有嚴格要求，系統設計上充分考慮現場的特殊性，在供電和通信上盡量減少導線連接，實行整體封裝。設計采用安全電壓，其中主控制器構件和電磁閥門24V，溫濕度傳感器5V。數據通信基于ZigBee無線網絡技術傳輸。主控制器和溫濕度傳感器密水性好、安全實用。設計符合建筑工程項目安全施工規范規定。

4.2 系統安裝方便

供水支管網采用DN25 PPR給水管，快速活接頭連接，方便現場拆裝，降低施工難度、加快安裝進度。由于高層建筑中標準層結構及施工工藝等均一致，系統安裝時，一次性設計，更換樓層時，不需要破壞干管、支管及噴淋頭等，而是擰松活接頭，整體移層下一層便可直接使用，增加周轉次數，提高使用效率。

4.3 系統適用性強

系統設計變頻加壓系統，提供穩定的供水水壓，選用了360o自動旋轉噴淋頭，確保噴淋養護均勻。在日常人工養護中，通常會遺漏對剪力墻及樓底間、電梯間等局部死角位置的養護，針對此情況需要先熟悉建筑物構造，然后有針對性地設置噴淋頭位置，通過調整噴頭的霧化半徑及霧化高度，達到真正的養護全覆蓋。在高層建筑混凝土養護中，系統克服了人的因素，定時、定量噴水，無死角、全方位自動養護，真正達到智能化，提高高層建筑混凝土養護質量。

4.4 系統可視性強

利用塔吊上的全景攝像頭和單獨安裝攝像頭，對混凝土養護區域進行監視。施工人員通過手機終端，可隨時、隨地監控智能化噴淋養護系統設備運行情況，了解混凝土養護狀況，降低了施工人員勞動強度，尤其是降低了高層建筑混凝土夜晚養護中的安全風險。

4.5 系統使用局限性

該系統隨著高層建筑施工過程中樓層的升高，要常更換樓層位置，因養護周期長于每層樓的建設時間，需要多套設備同時使用，工作過程中要注意監控、維修。

5 與人工養護方法的比較

從養護效果、養護是否有規律、一次性投入成本、時間控制、溫度控制、濕度控制、循環適用和社會效益等8個方面與人工養護方法進行對比。智能化養護技術與人工養護方法的對比如表1所示。

表1 智能化養護技術與人工養護方法的對比

通過上表對比分析，智能化養護系統在高層建筑混凝土工程項目應用中對混凝土養護具有優越性和實用性。

6 工程應用實例

本工程為衡陽市區某住宅建筑工程項目，建筑面積約 12.5 萬m2，其中剪力墻及梁板混凝土等級均為 C20～C45，樓高為 32 層。為了做好高層建筑混凝土的養護工作和測試系統的可行性，選取了5號樓的 15 層、19 層、23 層共3層樓安裝智能化混凝土養護系統。選用噴頭安裝高度20cm，單個噴頭工作面積約 40m2。一般每次噴淋養護 4min～6min 即能達到養護效果[5]，受天氣原因和樓層風量大小影響，養護的間隔時間稍許不同。適當調整噴頭布置密度，增加重疊區域，水霧能覆蓋到整個樓板、井道、樓梯間及平常難以養護到的地方，做到定時、定量和 24h 不間斷養護，且可達到養護要求，保證了混凝土的養護質量。

7 結論與展望

該智能化養護系統具有安全實用、安裝方便，使用穩定、可視性強和適用性廣等特點，既能對高層建筑混凝土定時、定量進行養護，又能滿足養護全覆蓋，提高混凝土養護質量，確保混凝土強度及其耐久性等符合建設設計要求。通過技術創新，推行新型智能養護工藝，減少人工影響，降低勞動強度，防范施工安全風險。系統設計上也充分考慮到高層建筑中標準層的一致性，養護設備一次投入，多次使用，符合綠色環保和建筑業新技術要求，可為同類工程提供參考，也可推廣到大面積的綠化智能化養護項目，既達到了養護效果，又節約了社會資源。