隨著建筑業(yè)的快速發(fā)展，一座座超高層和大體量建筑拔地而起，但一些處于鬧市區(qū)的工程項(xiàng)目經(jīng)常會面臨施工難題。中國建筑第八工程局有限公司首創(chuàng)的溜管法不僅能夠綠色環(huán)保地實(shí)現(xiàn)混凝土澆筑，而且極大地提高了施工效率，縮短了工期。在改進(jìn)施工工藝過程中，中建八局應(yīng)用 COMSOL Multiphysics? 多物理場仿真軟件進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)，為施工方案的快速優(yōu)化及實(shí)施提供了極大幫助。

“全球人工海拔最低的超五星級深坑酒店”——上海佘山世茂洲際酒店

混凝土是建筑施工中最常見的材料，廣泛應(yīng)用于建筑、水利、地鐵等各類基礎(chǔ)設(shè)施。混凝土應(yīng)用中最重要的一步就是澆筑。在施工過程中，通過泵車的臂架，將車內(nèi)的混凝土運(yùn)送到蓋樓的模具中直至塑化，因?yàn)檎麄€(gè)過程耗時(shí)較長，所以澆筑不徹底就會影響建筑的整體質(zhì)量，并對建筑物的使用壽命產(chǎn)生巨大的影響。因此，通過先進(jìn)工藝提升混凝土澆筑的效率和質(zhì)量成為了建筑行業(yè)研究的熱點(diǎn)問題。中國建筑第八工程局有限公司在混凝土澆筑施工技術(shù)上進(jìn)行創(chuàng)新，借助 COMSOL Multiphysics? 多物理場仿真軟件有效提升了施工進(jìn)度和質(zhì)量。

中國建筑第八工程局有限公司（中建八局）是隸屬于中國建筑股份公司的國有大型建筑骨干企業(yè)。中建八局對于技術(shù)研發(fā)創(chuàng)新極為重視，擁有數(shù)百項(xiàng)專利技術(shù)，并榮獲了建筑行業(yè)多項(xiàng)國家級殊榮。迄今為止，中建八局相繼承建了眾多具有重要影響力的建設(shè)項(xiàng)目，其中包括被稱為被稱為“全球人工海拔最低的超五星級深坑酒店”——上海佘山世茂洲際酒店、中國第一座由國內(nèi)建筑商總承包施工的超高層鋼結(jié)構(gòu)工程大連遠(yuǎn)洋大廈、東盟10+1論壇的永久性會址南寧國際會展中心、中國國家疾病預(yù)防控制中心工程、榮獲國家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)的酒泉衛(wèi)星發(fā)射基地火箭垂直總裝測試廠房工程、名列中國十大建設(shè)成就的廣州新白云國際機(jī)場航站樓、“國家十三五”規(guī)劃建設(shè)最大的民用運(yùn)輸樞紐機(jī)場項(xiàng)目成都天府國際機(jī)場工程等。

左：開羅 Iconic Tower；右：成都天府國際機(jī)場。

溜管法的高效優(yōu)化

溜管澆筑基礎(chǔ)底板大體積混凝土的方法已經(jīng)在建筑施工領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)的汽車泵、固定泵澆筑方法相比，溜管澆筑法更加綠色環(huán)保，占用場地面積小，可實(shí)現(xiàn)混凝土輸送過程的低噪聲、油電零消耗，廢氣排放量大幅降低。此外，大口徑鋼制溜管全部可以回收再利用，用作建筑垃圾后期排放管道。

但是溜管法存在許多需要改進(jìn)的地方，比如澆筑方向單一、澆筑速度慢等，極大地降低了施工效率。中建八局在工程項(xiàng)目中首創(chuàng)了應(yīng)用工具化大口徑溜管快速澆筑新技術(shù)，利用重力直接將混凝土運(yùn)送至澆筑面。結(jié)合施工現(xiàn)場實(shí)際條件，沿基坑四周設(shè)置多道溜管，實(shí)現(xiàn)基坑大范圍覆蓋澆筑，可以大幅提高混凝土澆筑速度。

為了實(shí)現(xiàn)對溜管法澆筑混凝土方案的優(yōu)化實(shí)施，在正式施工之前中建八局首先應(yīng)用 COMSOL 多物理場仿真軟件對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真分析。中建八局工程研究院工程師王進(jìn)博士表示：“在確定溜管法澆筑混凝土最終施工方案之前，我們利用 COMSOL 軟件進(jìn)行了多次模擬仿真實(shí)驗(yàn)，反復(fù)對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果，找出缺陷和不足并加以改進(jìn)，為施工方案的優(yōu)化提供科學(xué)的依據(jù)，為保障工程質(zhì)量打下良好的基礎(chǔ)。”

此外，在實(shí)施溜管法澆筑混凝土過程中，還需注意混凝土的離析和堵管情況，所以要進(jìn)行坍落度實(shí)驗(yàn)來控制混凝土質(zhì)量。坍落度實(shí)驗(yàn)，是用一個(gè)上口直徑 100mm、下口直徑 200mm、高 300mm的喇叭狀坍落度桶，分三次灌入混凝土進(jìn)行填裝，每次填裝后用搗棒由外向內(nèi)均勻插搗25次，搗實(shí)后抹平。然后拔起桶，混凝土因自重產(chǎn)生坍落現(xiàn)象，用桶高 (300mm) 減去塌落后混凝土最高點(diǎn)的高度，就是坍落度。例如，如果差值為 100mm，則坍落度為 100。坍落度實(shí)驗(yàn)效果圖如圖1所示，作為基準(zhǔn)模型對比仿真結(jié)果與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的一致性。

圖 1  坍落度實(shí)驗(yàn)效果圖

在進(jìn)行坍落度實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，需要觀察混凝土拌合物的黏聚性、保水性，以便全面地評估混凝土拌合物的和易性。

黏聚性的評估方法是：用搗棒在已坍落的混凝土錐體側(cè)面輕輕敲打，若錐體逐漸下沉，則表示黏聚性良好。保水性是以混凝土拌合物中的稀水泥漿析出的程度來評估。如坍落度筒提起后無稀水泥漿，或僅有少量稀水泥漿自底部析出，則表示此混凝土拌合物保水性良好。

通過仿真分析可以得出混凝土流變學(xué)參數(shù)與現(xiàn)場質(zhì)量控制實(shí)驗(yàn)參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，如圖 2 所示，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和解析值一致。通過仿真，進(jìn)一步繪制出動(dòng)態(tài)黏度、坍落度與坍落時(shí)間之間的三維曲面對應(yīng)關(guān)系，這些混凝土流變學(xué)參數(shù)為后續(xù)現(xiàn)場質(zhì)量控制提供參考依據(jù)。

圖 2 COMSOL Multiphysics 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖 2 中上圖散點(diǎn)表示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)線表示解析結(jié)果，點(diǎn)線表示仿真結(jié)果；下圖為仿真得到的黏度、坍落度及坍落時(shí)間等混凝土流變學(xué)參數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系。

為了驗(yàn)證 COMSOL 軟件仿真的準(zhǔn)確性，王進(jìn)博士基于文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)和結(jié)果，通過水平集方法兩相流模型，建立坍落度實(shí)驗(yàn)的基準(zhǔn)模型，計(jì)算得到錐體擴(kuò)展后的寬度與高度的對應(yīng)數(shù)值，仿真結(jié)果與文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)完全吻合。

在多數(shù)情況下，溜管形狀和尺寸采用的是固定設(shè)計(jì)方案，為了提高施工速度和質(zhì)量，可以調(diào)節(jié)混凝土的流變學(xué)材料屬性，滿足施工標(biāo)準(zhǔn)。王進(jìn)博士應(yīng)用 COMSOL 軟件對溜管施工方案進(jìn)行了優(yōu)化。對于高度為h的集料斗，傾角固定為 θ1 和 θ2 的溜管，通過仿真，研究了改變塑性黏度得到的不同施工流速和體積分?jǐn)?shù)變化，如圖 3 所示。

圖 3 改變仿真模型中的塑性黏度得到的流速和體積分?jǐn)?shù)變化

應(yīng)用 COMSOL 軟件對上述實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行仿真分析，最終確定了主溜管的角度，通過模擬得到優(yōu)化后的集料斗的高度；集料斗中混凝土的流速分布，判斷出流速較低的區(qū)域；并通過模擬實(shí)驗(yàn)提出了混凝土現(xiàn)場質(zhì)量控制的參數(shù)。

大體積混凝土施工

大體積混凝土不僅結(jié)構(gòu)厚度大，混凝土的使用量大，而且對施工的要求十分高，在施工過程中必須嚴(yán)格控制溫度，防止出現(xiàn)裂縫。

大體積混凝土最典型的特征是由于水泥水化時(shí)會釋放出大量的水化熱，從而會使混凝土產(chǎn)生出較大溫度應(yīng)變，同時(shí)由于混凝土性能的特點(diǎn)產(chǎn)生收縮變形，當(dāng)這部分應(yīng)變受到約束產(chǎn)生的應(yīng)力超出混凝土的承載極限時(shí)，便會造成混凝土開裂，隨著裂縫的出現(xiàn)，混凝土結(jié)構(gòu)的整體性、耐久性和防水抗?jié)B性必然會受到嚴(yán)重影響。所以，在大體積混凝土施工時(shí)，必須采取有效地措施防止裂縫的產(chǎn)生。

圖 4 應(yīng)用 COMSOL Multiphysics 進(jìn)行模擬的結(jié)果

混凝土在水化反應(yīng)中逐漸硬化，期間伴隨著溫度的升高，而溫度的變化過程會對混凝土早期和后期的開裂產(chǎn)生重要影響。設(shè)計(jì)優(yōu)化的一個(gè)重要目的是控制水化過程的最高溫度、里表溫差和表外溫差，降低損傷概率。

中建八局對大體積混凝土施工方案制定的工作流程為：首先對材料進(jìn)行溫升實(shí)驗(yàn)，對參數(shù)進(jìn)行擬合，然后應(yīng)用 COMSOL 軟件進(jìn)行仿真，根據(jù)仿真結(jié)果采用足尺實(shí)驗(yàn)修正模型，最后進(jìn)行施工方案設(shè)計(jì)。

王進(jìn)博士根據(jù)足尺實(shí)驗(yàn)創(chuàng)建了一個(gè)等尺寸模型，應(yīng)用 COMSOL 軟件進(jìn)行建模分析，希望能夠通過仿真結(jié)果來指導(dǎo)施工方案，更加科學(xué)地控制混凝土質(zhì)量。王進(jìn)博士總結(jié)道：“通過對不同混凝土水化熱模型和大體積混凝土早期溫度變化的仿真，能夠給大體積混凝土相關(guān)的投標(biāo)、設(shè)計(jì)和施工方案優(yōu)化提供依據(jù)。”王進(jìn)博士通過建立水化熱模型，模擬實(shí)際的散熱條件，優(yōu)化配合比，得到不同的水化熱模型下水化度參數(shù)和溫度隨時(shí)間的演化過程。他表示，下一步計(jì)劃是通過更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以來驗(yàn)證和修正模型，并依據(jù)仿真結(jié)果優(yōu)化施工過程，尤其是養(yǎng)護(hù)過程；通過和濕度場、應(yīng)變場的耦合，可以建立起可靠的混凝土早期變形預(yù)測模型。

建筑工程中由于涉及到的尺寸較大，現(xiàn)場工況復(fù)雜，通過實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的成本很高，實(shí)現(xiàn)難度也很大。中建八局通過仿真模擬降低了前期設(shè)計(jì)優(yōu)化的成本，提高了施工的安全可靠性。

對于現(xiàn)場工程師，有時(shí)對參數(shù)進(jìn)行微小的修改就能大大提高生產(chǎn)效率。王進(jìn)博士計(jì)劃在前期的仿真模型基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)場需求，利用 COMSOL 軟件快速開發(fā)定制不同的仿真 APP，提供給現(xiàn)場工程師使用。比如溜管優(yōu)化 APP，現(xiàn)場工程師即使沒有流體相關(guān)的仿真經(jīng)驗(yàn)，也只需要在仿真 APP 界面上根據(jù)現(xiàn)場情況修改不同的夾角參數(shù)，點(diǎn)擊計(jì)算按鈕即可得到對應(yīng)的流動(dòng)仿真結(jié)果，從而確認(rèn)現(xiàn)場控制參數(shù)是否符合施工要求，快速獲得最優(yōu)的施工方案。

COMSOL 軟件在溜管法澆筑混凝土施工方案優(yōu)化過程中發(fā)揮了重要的作用，為中建八局對大體積混凝土施工方案的設(shè)計(jì)優(yōu)化做出了重要貢獻(xiàn)。中建八局已經(jīng)將該技術(shù)成功應(yīng)用于合肥離子醫(yī)學(xué)中心、成都天府國際機(jī)場、以及開羅 Iconic Tower 等工程項(xiàng)目中。

結(jié)束語

在 COMSOL Multiphysics? 多物理場仿真軟件的幫助下，中建八局大幅提高了施工效率和建筑質(zhì)量，不僅提高了自身核心技術(shù)競爭力，也為建筑的行業(yè)在今后施工優(yōu)化實(shí)驗(yàn)中對仿真工藝的應(yīng)用提供了借鑒。

來源：COMSOL