揭秘世界建筑奇迹背后的混凝土黑科技！

随着建筑业的快速发展，一座座超高层和大体量建筑拔地而起，但一些处于闹市区的工程项目经常会面临施工难题。中国建筑第八工程局有限公司首创的溜管法不仅能够绿色环保地实现混凝土浇筑，而且极大地提高了施工效率，缩短了工期。在改进施工工艺过程中，中建八局应用 COMSOL Multiphysics® 多物理场仿真软件进行了模拟实验，为施工方案的快速优化及实施提供了极大帮助。

“全球人工海拔最低的超五星级深坑酒店”——上海佘山世茂洲际酒店

混凝土是建筑施工中最常见的材料，广泛应用于建筑、水利、地铁等各类基础设施。混凝土应用中最重要的一步就是浇筑。在施工过程中，通过泵车的臂架，将车内的混凝土运送到盖楼的模具中直至塑化，因为整个过程耗时较长，所以浇筑不彻底就会影响建筑的整体质量，并对建筑物的使用寿命产生巨大的影响。因此，通过先进工艺提升混凝土浇筑的效率和质量成为了建筑行业研究的热点问题。中国建筑第八工程局有限公司在混凝土浇筑施工技术上进行创新，借助 COMSOL Multiphysics® 多物理场仿真软件有效提升了施工进度和质量。

中国建筑第八工程局有限公司（中建八局）是隶属于中国建筑股份公司的国有大型建筑骨干企业。中建八局对于技术研发创新极为重视，拥有数百项专利技术，并荣获了建筑行业多项国家级殊荣。迄今为止，中建八局相继承建了众多具有重要影响力的建设项目，其中包括被称为被称为“全球人工海拔最低的超五星级深坑酒店”——上海佘山世茂洲际酒店、中国第一座由国内建筑商总承包施工的超高层钢结构工程大连远洋大厦、东盟10+1论坛的永久性会址南宁国际会展中心、中国国家疾病预防控制中心工程、荣获国家科技进步一等奖的酒泉卫星发射基地火箭垂直总装测试厂房工程、名列中国十大建设成就的广州新白云国际机场航站楼、“国家十三五”规划建设最大的民用运输枢纽机场项目成都天府国际机场工程等。

左：开罗 Iconic Tower；右：成都天府国际机场。

溜管法的高效优化

溜管浇筑基础底板大体积混凝土的方法已经在建筑施工领域得到广泛应用。与传统的汽车泵、固定泵浇筑方法相比，溜管浇筑法更加绿色环保，占用场地面积小，可实现混凝土输送过程的低噪声、油电零消耗，废气排放量大幅降低。此外，大口径钢制溜管全部可以回收再利用，用作建筑垃圾后期排放管道。

但是溜管法存在许多需要改进的地方，比如浇筑方向单一、浇筑速度慢等，极大地降低了施工效率。中建八局在工程项目中首创了应用工具化大口径溜管快速浇筑新技术，利用重力直接将混凝土运送至浇筑面。结合施工现场实际条件，沿基坑四周设置多道溜管，实现基坑大范围覆盖浇筑，可以大幅提高混凝土浇筑速度。

为了实现对溜管法浇筑混凝土方案的优化实施，在正式施工之前中建八局首先应用 COMSOL 多物理场仿真软件对实验进行仿真分析。中建八局工程研究院工程师王进博士表示：“在确定溜管法浇筑混凝土最终施工方案之前，我们利用 COMSOL 软件进行了多次模拟仿真实验，反复对比实验结果，找出缺陷和不足并加以改进，为施工方案的优化提供科学的依据，为保障工程质量打下良好的基础。”

此外，在实施溜管法浇筑混凝土过程中，还需注意混凝土的离析和堵管情况，所以要进行坍落度实验来控制混凝土质量。坍落度实验，是用一个上口直径 100mm、下口直径 200mm、高 300mm的喇叭状坍落度桶，分三次灌入混凝土进行填装，每次填装后用捣棒由外向内均匀插捣25次，捣实后抹平。然后拔起桶，混凝土因自重产生坍落现象，用桶高 (300mm) 减去塌落后混凝土最高点的高度，就是坍落度。例如，如果差值为 100mm，则坍落度为 100。坍落度实验效果图如图1所示，作为基准模型对比仿真结果与文献数据的一致性。

图 1  坍落度实验效果图

在进行坍落度实验的同时，需要观察混凝土拌合物的黏聚性、保水性，以便全面地评估混凝土拌合物的和易性。

黏聚性的评估方法是：用捣棒在已坍落的混凝土锥体侧面轻轻敲打，若锥体逐渐下沉，则表示黏聚性良好。保水性是以混凝土拌合物中的稀水泥浆析出的程度来评估。如坍落度筒提起后无稀水泥浆，或仅有少量稀水泥浆自底部析出，则表示此混凝土拌合物保水性良好。

通过仿真分析可以得出混凝土流变学参数与现场质量控制实验参数的对应关系，如图 2 所示，计算结果与实验数据和解析值一致。通过仿真，进一步绘制出动态黏度、坍落度与坍落时间之间的三维曲面对应关系，这些混凝土流变学参数为后续现场质量控制提供参考依据。

图 2 COMSOL Multiphysics 仿真实验结果分析

图 2 中上图散点表示实验数据，实线表示解析结果，点线表示仿真结果；下图为仿真得到的黏度、坍落度及坍落时间等混凝土流变学参数之间的对应关系。

为了验证 COMSOL 软件仿真的准确性，王进博士基于文献中的数据和结果，通过水平集方法两相流模型，建立坍落度实验的基准模型，计算得到锥体扩展后的宽度与高度的对应数值，仿真结果与文献中的数据完全吻合。

在多数情况下，溜管形状和尺寸采用的是固定设计方案，为了提高施工速度和质量，可以调节混凝土的流变学材料属性，满足施工标准。王进博士应用 COMSOL 软件对溜管施工方案进行了优化。对于高度为h的集料斗，倾角固定为 θ1 和 θ2 的溜管，通过仿真，研究了改变塑性黏度得到的不同施工流速和体积分数变化，如图 3 所示。

图 3 改变仿真模型中的塑性黏度得到的流速和体积分数变化

应用 COMSOL 软件对上述实验过程进行仿真分析，最终确定了主溜管的角度，通过模拟得到优化后的集料斗的高度；集料斗中混凝土的流速分布，判断出流速较低的区域；并通过模拟实验提出了混凝土现场质量控制的参数。

大体积混凝土施工

大体积混凝土不仅结构厚度大，混凝土的使用量大，而且对施工的要求十分高，在施工过程中必须严格控制温度，防止出现裂缝。

大体积混凝土最典型的特征是由于水泥水化时会释放出大量的水化热，从而会使混凝土产生出较大温度应变，同时由于混凝土性能的特点产生收缩变形，当这部分应变受到约束产生的应力超出混凝土的承载极限时，便会造成混凝土开裂，随着裂缝的出现，混凝土结构的整体性、耐久性和防水抗渗性必然会受到严重影响。所以，在大体积混凝土施工时，必须采取有效地措施防止裂缝的产生。

图 4 应用 COMSOL Multiphysics 进行模拟的结果

混凝土在水化反应中逐渐硬化，期间伴随着温度的升高，而温度的变化过程会对混凝土早期和后期的开裂产生重要影响。设计优化的一个重要目的是控制水化过程的最高温度、里表温差和表外温差，降低损伤概率。

中建八局对大体积混凝土施工方案制定的工作流程为：首先对材料进行温升实验，对参数进行拟合，然后应用 COMSOL 软件进行仿真，根据仿真结果采用足尺实验修正模型，最后进行施工方案设计。

王进博士根据足尺实验创建了一个等尺寸模型，应用 COMSOL 软件进行建模分析，希望能够通过仿真结果来指导施工方案，更加科学地控制混凝土质量。王进博士总结道：“通过对不同混凝土水化热模型和大体积混凝土早期温度变化的仿真，能够给大体积混凝土相关的投标、设计和施工方案优化提供依据。”王进博士通过建立水化热模型，模拟实际的散热条件，优化配合比，得到不同的水化热模型下水化度参数和温度随时间的演化过程。他表示，下一步计划是通过更多的实验数据可以来验证和修正模型，并依据仿真结果优化施工过程，尤其是养护过程；通过和湿度场、应变场的耦合，可以建立起可靠的混凝土早期变形预测模型。

建筑工程中由于涉及到的尺寸较大，现场工况复杂，通过实验来进行优化设计的成本很高，实现难度也很大。中建八局通过仿真模拟降低了前期设计优化的成本，提高了施工的安全可靠性。

对于现场工程师，有时对参数进行微小的修改就能大大提高生产效率。王进博士计划在前期的仿真模型基础上，根据现场需求，利用 COMSOL 软件快速开发定制不同的仿真 APP，提供给现场工程师使用。比如溜管优化 APP，现场工程师即使没有流体相关的仿真经验，也只需要在仿真 APP 界面上根据现场情况修改不同的夹角参数，点击计算按钮即可得到对应的流动仿真结果，从而确认现场控制参数是否符合施工要求，快速获得最优的施工方案。

COMSOL 软件在溜管法浇筑混凝土施工方案优化过程中发挥了重要的作用，为中建八局对大体积混凝土施工方案的设计优化做出了重要贡献。中建八局已经将该技术成功应用于合肥离子医学中心、成都天府国际机场、以及开罗 Iconic Tower 等工程项目中。

结束语

在 COMSOL Multiphysics® 多物理场仿真软件的帮助下，中建八局大幅提高了施工效率和建筑质量，不仅提高了自身核心技术竞争力，也为建筑的行业在今后施工优化实验中对仿真工艺的应用提供了借鉴。

来源：COMSOL