跨域决策支持系统：用于大型交通基础设施项目中垃圾填埋场选址

《AUTOMATION IN CONSTRUCTION》：Cross-domain decision support system for spoil dumpsite selection in mega transportation infrastructure projects

　　混凝土成熟方法传感器数据驱动的决策支持系统研究及其经济环境影响评估

　　
本文提出了一套基于传感器数据驱动的决策支持系统，用于评估混凝土成熟度方法在经济和环境效益方面的潜力。该系统整合了四阶段操作流程和专门的环境影响评估方法论（IAM），在巴塞罗那某高架桥工程中验证了其实际应用价值。

### 1. 研究背景与意义
随着全球城市化进程加快，混凝土作为主要建筑材料的需求持续增长。传统实验室检测方法存在样本与实际结构差异大、测试成本高、周期长等问题。通过温度传感器实时监测混凝土性能，结合成熟度方法（Maturity Method）进行动态评估，能够显著优化施工流程。该研究通过整合物联网技术与生命周期成本分析，首次系统量化了成熟度方法的经济效益和环境效益，填补了理论与实践之间的鸿沟。

### 2. 核心创新点
#### （1）四阶段实施框架
1. **试点验证阶段**：通过部署50个无线温度传感器，对比实验室试块与实际结构强度发展曲线。研究发现， pier结构因体积效应导致水化热累积，实际强度较试块提前1.5-2.5倍达到10MPa基准强度。
2. **效益预评估阶段**：采用标准化成本模型，计算潜在节省。案例显示单方混凝土可节省48.15欧元，年减排量相当于120辆燃油车停驶。
3. **实时监控阶段**：持续跟踪42个浇筑点数据，动态调整施工计划。通过对比传统试块检测与实时监测，发现前者导致约30%的材料浪费。
4. **后评估阶段**：项目结束后进行全维度核算，验证前期预测的准确性。此阶段数据可用于优化后续项目决策。

#### （2）环境影响量化模型
采用EN 15804和EN 16757标准构建生命周期评估模型，创新性纳入以下维度：
- **传感器全生命周期分析**：涵盖生产、运输、安装、运维及报废各阶段碳排放
- **施工活动间接影响**：计算临时办公室、安保设施等辅助设施的能耗
- **材料替代效应**：对比优化前后混凝土配方的全生命周期碳排放（数据表明每立方米混凝土减少1.59kg等量碳排放）

### 3. 工程案例实证
#### （1）项目概况
- 建设内容：14个 pier结构（总混凝土量691m3）
- 特殊需求：采用滑模施工技术，需精确控制脱模时间
- 地理气候：地中海气候（冬季均温5-8℃，夏季22-28℃）

#### （2）技术实施要点
- **传感器部署**：在每段浇筑体50mm深处安装传感器，形成三维监测网络
- **数据采集**：连续记录温度变化，每2小时更新成熟度指数
- **模型校准**：通过15×15×15cm3标准试块建立Nurse-Saul模型，拟合参数A=-0.05，B=17.73
- **异常处理**：设置传感器冗余部署（每个浇筑点配置2个传感器），数据中断时采用移动端蓝牙补采

#### （3）关键成果指标
| 指标类型 | 具体数据 | 行业对比 |
|----------------|-------------------------|-------------------|
| 经济效益 | 单方混凝土节省48.15欧元 | 传统方法成本基准 |
| 碳排放减少 | 1.59kg CO?-eq/m3 | EU 2050目标值 |
| 水资源节约 | 0.031m3/m3混凝土 | 碳中和技术路线 |
| 工期优化 | 总节省5天（39h54min） | 行业平均效率 |

### 4. 方法论突破
#### （1）成本核算体系创新
- **显性成本**：传感器（7500欧元）、培训（180欧元）、试块测试（264.6欧元）
- **隐性成本**：间接管理费用（2.8万欧元）、设备租赁效率损失（5985欧元）
- **效益结构**：
- 材料节省：减少试块测试（年省1.2万欧元）
- 人力优化：缩短工期节省3.2万欧元/年
- 机械效率提升：通过实时数据减少设备空转（年省5800欧元）

#### （2）环境影响评估创新
- **碳足迹追踪**：建立从传感器生产到废弃处理的完整碳核算链
- **水效评估**：结合混凝土循环利用率计算虚拟水消耗
- **气候敏感分析**：建立冬夏两季参数修正系数（冬季+18%，夏季-22%）

### 5. 实施挑战与优化建议
#### （1）现存问题
- **数据采集瓶颈**：传感器信号强度受建筑结构遮挡影响（案例中信号丢失率达23%）
- **成本敏感性**：系统初期投资回收期长达14个月（与行业平均8个月存在差距）
- **标准缺失**：缺乏统一的传感器数据接口标准（当前项目需定制开发40%接口）

#### （2）优化路径
1. **技术升级**：采用LoRa+NB-IoT双模传输（预计降低运维成本35%）
2. **商业模式创新**：推行传感器租赁服务（按施工进度计费）
3. **标准建设**：建议制定《智能施工传感器应用规范》国家标准

### 6. 行业推广价值
#### （1）经济效益模型
- **投资回报**：案例显示3年内可通过材料节约和工期缩短收回初始投资
- **边际效益曲线**：显示单方混凝土节约成本随项目规模扩大而递减（规模经济效应达27%）

#### （2）环境效益延伸
- **碳抵消潜力**：每立方米混凝土可产生约1.8个碳积分（按欧盟碳市场标准）
- **水资源循环**：结合该系统可建立混凝土虚拟水银行（案例节水相当于50个家庭年用水量）

#### （3）技术适配性
- **气候适应性**：经算法优化后，可在-20℃至60℃环境中稳定工作
- **结构兼容性**：已验证适用于桥梁、高层建筑、地下工程等8类典型结构

### 7. 未来发展方向
1. **智能决策系统**：集成机器学习算法，实现施工参数自动优化（预计提升决策效率40%）
2. **区块链溯源**：建立建材全生命周期区块链档案（试点项目已节省15%纠纷处理成本）
3. **能源耦合**：探索太阳能供电传感器网络（实验室测试显示能耗降低62%）

本研究为智能建造提供了可量化的决策工具，其核心价值在于：
- **数据驱动**：通过实时监测将传统"试错"模式转变为"预测"模式
- **成本透明化**：建立全项目周期的成本核算模型（误差率<5%）
- **环境可量化**：首次将施工过程碳排放纳入单方混凝土成本核算

该框架已在3个国家的7个项目中验证，平均成本回收期为11个月，碳排放强度降低18%-25%。建议行业联盟建立技术标准与数据共享平台，推动该系统在基础设施领域的规模化应用。