鋼平臺(tái)模架裝備遠(yuǎn)程安全監(jiān)控技術(shù)研究范文

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摘要：根據(jù)超高層建筑施工整體鋼平臺(tái)模架裝備遠(yuǎn)程監(jiān)控的技術(shù)要求，從監(jiān)控原則、對(duì)象、方法以及軟硬件集成等方面，開展了對(duì)模架裝備遠(yuǎn)程安全監(jiān)控技術(shù)的研究。并以南京金鷹天地廣場超高塔樓施工的鋼平臺(tái)模架裝備作為工程應(yīng)用范例，驗(yàn)證了研究成果的可行性和有效性。

關(guān)鍵詞：整體鋼平臺(tái)模架裝備；軟硬件集成；遠(yuǎn)程監(jiān)控；數(shù)據(jù)無線傳輸

1研究的必要性

整體爬升鋼平臺(tái)模架裝備具有整體性強(qiáng)、機(jī)械集成化程度高、施工安全性能好的特點(diǎn)，是目前我國超高層建筑結(jié)構(gòu)施工廣泛采用的核心施工裝備，大幅度提升了建筑行業(yè)機(jī)械化施工水平和施工效率，對(duì)于我國建筑業(yè)發(fā)展有重要意義。至目前為止，使用鋼平臺(tái)模架裝備進(jìn)行超高層建筑施工的過程中尚未出現(xiàn)致命性安全事故，但由于其超高空作以及作業(yè)過程中“擱置—爬升”這2種狀態(tài)反復(fù)切換的特點(diǎn)，存在發(fā)生重大安全事故的概率。因此，有必要對(duì)其進(jìn)行安全監(jiān)控技術(shù)研究，進(jìn)一步提升鋼平臺(tái)模架裝備的安全性水平，達(dá)到模架裝備施工風(fēng)險(xiǎn)提前預(yù)控的目的。

2鋼平臺(tái)模架裝備監(jiān)控原則

整體爬升鋼平臺(tái)模架裝備由鋼平臺(tái)子系統(tǒng)、筒架支撐子系統(tǒng)、吊腳手架子系統(tǒng)、鋼梁/鋼柱爬升子系統(tǒng)、筒架爬升子系統(tǒng)、模板子系統(tǒng)等6個(gè)子系統(tǒng)組成，共同形成內(nèi)外筒架交替向上爬升的大型施工設(shè)備。在應(yīng)用鋼平臺(tái)模架裝備施工的過程中，其受力狀態(tài)可分為擱置狀態(tài)和爬升狀態(tài)，分別對(duì)應(yīng)于不同的支撐結(jié)構(gòu)體系。監(jiān)控系統(tǒng)搭建的目標(biāo)就在于實(shí)現(xiàn)對(duì)2種支撐結(jié)構(gòu)有效性以及爬升機(jī)構(gòu)同步性的正確驗(yàn)證。實(shí)際工程中，考慮到直接對(duì)支撐結(jié)構(gòu)、爬升機(jī)構(gòu)監(jiān)測較為困難，且由于成本因素，不可能對(duì)所有的支撐結(jié)構(gòu)、爬升機(jī)構(gòu)進(jìn)行測點(diǎn)布設(shè)，因此，應(yīng)通過局部反饋整體、關(guān)鍵部位測點(diǎn)布設(shè)的方法進(jìn)行監(jiān)控方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)。基于鋼平臺(tái)模架裝備各子系統(tǒng)特征，并結(jié)合上述支撐結(jié)構(gòu)、爬升機(jī)構(gòu)監(jiān)測需求，并進(jìn)一步考慮監(jiān)測數(shù)據(jù)分析處理后的控制方向，形成如下監(jiān)控原則重點(diǎn)[1-5]。1）根據(jù)不同子系統(tǒng)發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)概率進(jìn)行劃定，關(guān)鍵的監(jiān)控對(duì)象應(yīng)包括鋼平臺(tái)子系統(tǒng)、筒架子系統(tǒng)、鋼梁/柱爬升子系統(tǒng)以及支撐子系統(tǒng)等，而其余子系統(tǒng)，包括吊腳手架子系統(tǒng)和模板子系統(tǒng)等應(yīng)作為輔助監(jiān)控對(duì)象。考慮到環(huán)境對(duì)鋼平臺(tái)正常施工的影響，應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測環(huán)境風(fēng)和環(huán)境溫濕度等參數(shù)。2）為全面反饋支撐結(jié)構(gòu)、爬升機(jī)構(gòu)的特征，應(yīng)針對(duì)包括鋼平臺(tái)模架裝備的關(guān)鍵構(gòu)件內(nèi)力、整體空間變形以及環(huán)境影響參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測。3）在數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性方面，為確保數(shù)據(jù)滿足實(shí)時(shí)性要求，需在數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)上定義延時(shí)限值，比如將數(shù)據(jù)延時(shí)控制在300～500ms范圍內(nèi)（分鐘級(jí)采樣）、50～100ms范圍內(nèi)（1Hz以上采樣）。延時(shí)的一個(gè)重要影響因素是數(shù)據(jù)傳輸路徑，因此，需要仔細(xì)規(guī)劃數(shù)據(jù)的傳輸路徑。4）在多測點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析時(shí)，應(yīng)選用同步采集的多測點(diǎn)數(shù)據(jù)。即必須實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步采集機(jī)制，并在同步采集的基礎(chǔ)上達(dá)成數(shù)據(jù)同步傳輸和實(shí)施傳輸。5）考慮到鋼平臺(tái)作業(yè)面空間狹小，物料如鋼筋等堆積較多，極易對(duì)信號(hào)傳輸線纜及傳感器設(shè)備等造成人為破壞。因此，必須對(duì)傳感器設(shè)備進(jìn)行全覆蓋保護(hù)，以及將信號(hào)傳輸線纜盡可能集中沿非施工位置布置，盡量降低施工造成的不利影響。

3鋼平臺(tái)模架裝備監(jiān)控對(duì)象

基于上述監(jiān)控原則，以各子系統(tǒng)的監(jiān)測內(nèi)容構(gòu)建整體爬升鋼平臺(tái)模架裝備監(jiān)測體系（圖1）。圖1詳細(xì)列舉了所有可行的監(jiān)測項(xiàng)，但成本因素和技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度綜合考慮下，一般僅能實(shí)現(xiàn)部分監(jiān)測項(xiàng)，更傾向于實(shí)現(xiàn)內(nèi)力、變形、位移和環(huán)境監(jiān)測等。針對(duì)監(jiān)測內(nèi)容的分析結(jié)果構(gòu)建整體爬升鋼平臺(tái)模架裝備的控制體系，在鋼平臺(tái)模架裝備控制方面，主要指爬升機(jī)構(gòu)的控制。基于爬升機(jī)構(gòu)的監(jiān)測內(nèi)容，面向爬升結(jié)構(gòu)可進(jìn)行的控制內(nèi)容包括裝備爬升狀態(tài)下的爬升速率、爬升平穩(wěn)度、爬升同步性、臨時(shí)擱置安全性以及裝備擱置作業(yè)狀態(tài)下各子系統(tǒng)的安全性、作業(yè)舒適度等。在環(huán)境風(fēng)速超限或內(nèi)外風(fēng)壓差距較大時(shí)，應(yīng)進(jìn)行施工工況控制（圖2）。

4監(jiān)控方法

鋼平臺(tái)模架裝備監(jiān)控從硬件組成方面可劃分為傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集傳輸子系統(tǒng)。如圖1中涉及的各種監(jiān)測項(xiàng)整體爬升鋼平臺(tái)模架裝備爬升狀態(tài)擱置狀態(tài)爬升速率爬升平穩(wěn)度爬升同步性臨時(shí)擱置安全性作業(yè)舒適度子系統(tǒng)安全性圖2整體鋼平臺(tái)模架裝備控制對(duì)象均通過傳感器子系統(tǒng)的合理配置實(shí)現(xiàn)，即從硬件層面配置的傳感器之間組合成為各種監(jiān)測項(xiàng)對(duì)應(yīng)的傳感器。國內(nèi)有文獻(xiàn)將監(jiān)測方法劃分為基于傳感器子系統(tǒng)的監(jiān)控方法以及基于監(jiān)測項(xiàng)的監(jiān)控方法，前者屬于硬件傳感范疇，后者屬于土木工程范疇。以下將從基于監(jiān)測項(xiàng)的監(jiān)控方法著手，討論傳感器布點(diǎn)方法；將從基于傳感器子系統(tǒng)的監(jiān)控方法著手，討論信號(hào)傳輸方法。針對(duì)傳感器布點(diǎn)方法設(shè)計(jì)，在鋼平臺(tái)監(jiān)測項(xiàng)中，關(guān)鍵構(gòu)件應(yīng)力應(yīng)變、平臺(tái)的整體空間變位、立柱傾斜度是重點(diǎn)監(jiān)測對(duì)象。針對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件應(yīng)力應(yīng)變，應(yīng)取鋼平臺(tái)在不同施工狀態(tài)的應(yīng)力最大及應(yīng)力幅度最大的構(gòu)件進(jìn)行布點(diǎn)監(jiān)測，計(jì)算一般可通過有限元分析進(jìn)行；針對(duì)整體空間變位監(jiān)測，一般指鋼平臺(tái)作業(yè)面的空間變位，其監(jiān)測可定義為2種情況：其一為監(jiān)測作業(yè)面豎向變位最大的一組點(diǎn)，用于控制鋼平臺(tái)最大豎向變位不超過限值；其二為選擇每個(gè)鋼平臺(tái)筒架的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測，用于控制多筒架之間的相對(duì)變形；針對(duì)立柱傾斜度，應(yīng)考慮單根立柱的傾斜度監(jiān)測與多根相鄰立柱的傾斜度監(jiān)測。通過上述考慮，可逐步進(jìn)行傳感器布點(diǎn)設(shè)計(jì)和布點(diǎn)方案的優(yōu)化。針對(duì)信號(hào)傳輸設(shè)計(jì)，可綜合考慮多種信號(hào)傳輸方法。一般可簡單劃分為有線傳輸和無線傳輸，其中有線傳輸包括信號(hào)傳輸電纜和光纖通信，而無線傳輸包括Zigbee、Lora、無線網(wǎng)橋、Wi-Fi等。信號(hào)傳輸電纜和光纖在布設(shè)、使用過程中均存在被破壞的可能性，但其穩(wěn)定性較好，在有條件時(shí)是最佳選擇；而無線傳輸方式穩(wěn)定性較差，如考慮鋼平臺(tái)模架裝備中鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的信號(hào)屏蔽作用，其穩(wěn)定性更會(huì)出現(xiàn)大幅度下降。因此，一般不建議全局采用無線傳輸技術(shù)。經(jīng)某鋼平臺(tái)現(xiàn)場測試，采用Lora技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)多層施工作業(yè)面間的數(shù)據(jù)透傳，是重點(diǎn)推薦的數(shù)據(jù)傳輸方式，但僅適用于小量靜態(tài)數(shù)據(jù)的傳輸；而Zigbee技術(shù)和Wi-Fi技術(shù)受限于其穿透性差的特性，基本上僅能在單個(gè)筒架內(nèi)使用；無線網(wǎng)橋可適用于完全無遮擋狀態(tài)下的大量數(shù)據(jù)高速傳輸，適用于視頻數(shù)據(jù)等，但擺放角度的靈活性限制使其僅能用于終端局域數(shù)據(jù)傳輸。此外，無線數(shù)據(jù)傳輸可被優(yōu)先考慮的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢在于其低功率特性，可使用鋰電池等供電設(shè)備實(shí)現(xiàn)長時(shí)間的正常工作，在鋼平臺(tái)模架裝備供電不穩(wěn)定時(shí)，是最優(yōu)的信號(hào)傳輸方案。

5監(jiān)控軟硬件集成

鋼平臺(tái)監(jiān)控過程中，通過傳感器子系統(tǒng)獲取現(xiàn)場數(shù)據(jù)，通過信號(hào)傳輸系統(tǒng)將數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸至現(xiàn)場服務(wù)器和中心服務(wù)器，再由現(xiàn)場服務(wù)器和中心服務(wù)器進(jìn)行不同程度的數(shù)據(jù)處理、分析和展示，這個(gè)過程可稱之為軟硬件集成。軟硬件集成包括3個(gè)層面：1）采集設(shè)備的嵌入式軟件。以應(yīng)力應(yīng)變采集過程為例，嵌入式軟件將采集到的振弦信號(hào)進(jìn)行離散化采樣，然后進(jìn)行頻譜分析，取出鋼弦基頻，并以數(shù)據(jù)字節(jié)形式發(fā)送至信號(hào)傳輸模塊（如信號(hào)傳輸線纜、Lora設(shè)備等），由信號(hào)傳輸模塊以各種方式透傳至現(xiàn)場服務(wù)器的接收模塊。2）現(xiàn)場服務(wù)器的數(shù)據(jù)采集軟件。現(xiàn)場服務(wù)器根據(jù)接收到的字節(jié)序列按照固有協(xié)議進(jìn)行解析，分離出各個(gè)通道的數(shù)據(jù)值，并將數(shù)據(jù)值存儲(chǔ)在本地?cái)?shù)據(jù)庫以及發(fā)送至中心服務(wù)器。3）中心服務(wù)器的可視化軟件。中心服務(wù)器一般位于遠(yuǎn)程，多以公有云服務(wù)器形式存在。現(xiàn)場數(shù)據(jù)發(fā)送至中心服務(wù)器，通過TCP或UDP協(xié)議接收后直接存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫或數(shù)據(jù)文件中；在中心服務(wù)器上建立Browser/Server架構(gòu)的軟件系統(tǒng)，從數(shù)據(jù)庫或數(shù)據(jù)文件中讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行展示以及讀取數(shù)據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行預(yù)警評(píng)估等。上述提及的軟硬件集成過程僅為一般常用過程，實(shí)際進(jìn)行軟硬件集成時(shí)，需要根據(jù)現(xiàn)場情況和數(shù)據(jù)采集要求進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，尋求最優(yōu)的軟硬件集成方案。

6工程應(yīng)用

以南京金鷹天地廣場T1塔樓鋼平臺(tái)為例，進(jìn)行了上述監(jiān)測技術(shù)的工程示范應(yīng)用。T1塔樓79層，高365.5m，采用筒架支撐式液壓爬升整體鋼平臺(tái)模架體系施工，核心筒施工工期約為1a。在T1塔樓鋼平臺(tái)應(yīng)用過程中，傳感器布點(diǎn)參照了有限元模型的計(jì)算結(jié)果，最大限度地實(shí)現(xiàn)了對(duì)支撐系統(tǒng)和爬升系統(tǒng)的監(jiān)測（圖3）。綜合應(yīng)用了有線傳輸技術(shù)和多種無線傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場數(shù)據(jù)由各個(gè)傳感器向局域網(wǎng)節(jié)點(diǎn)匯聚、局域網(wǎng)節(jié)點(diǎn)向現(xiàn)場服務(wù)器匯聚、現(xiàn)場服務(wù)器向遠(yuǎn)程云端中心服務(wù)器實(shí)時(shí)傳送的信號(hào)傳輸機(jī)制（圖4）。建立、完善了現(xiàn)場服務(wù)器的數(shù)據(jù)采集軟件和遠(yuǎn)程可視化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)現(xiàn)場采集和遠(yuǎn)程可視化處理的結(jié)合。

7結(jié)語

本文以南京金鷹天地廣場T1塔樓鋼平臺(tái)模架裝備為工程載體，進(jìn)行了整體鋼平臺(tái)模架裝備遠(yuǎn)程安全監(jiān)控技術(shù)的研究。通過對(duì)監(jiān)控原則、監(jiān)控對(duì)象、監(jiān)控方法以及軟硬件集成技術(shù)等方面的探索，形成了整套模架裝備遠(yuǎn)程安全監(jiān)控技術(shù)體系，能夠提升鋼平臺(tái)施工的安全性，降低其施工風(fēng)險(xiǎn)。應(yīng)當(dāng)提及，目前的工程應(yīng)用尚無法覆蓋所有的監(jiān)控對(duì)象，尤其是僅針對(duì)安全風(fēng)險(xiǎn)大的重要構(gòu)件進(jìn)行監(jiān)控，未考慮正常使用過程中的施工舒適性、環(huán)境保護(hù)性等因素。因此，有必要在未來的技術(shù)應(yīng)用過程中，逐漸擴(kuò)大實(shí)際監(jiān)控項(xiàng)范圍，在成本允許的情況下完善智能化和高安全性鋼平臺(tái)模架裝備，為超高層建筑工程服務(wù)。

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作者：趙一鳴 單位：上海建工集團(tuán)工程研究總院