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

關鍵詞：整體鋼平臺模架裝備；軟硬件集成；遠程監(jiān)控；數(shù)據(jù)無線傳輸

1研究的必要性

整體爬升鋼平臺模架裝備具有整體性強、機械集成化程度高、施工安全性能好的特點，是目前我國超高層建筑結構施工廣泛采用的核心施工裝備，大幅度提升了建筑行業(yè)機械化施工水平和施工效率，對于我國建筑業(yè)發(fā)展有重要意義。至目前為止，使用鋼平臺模架裝備進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)反復切換的特點，存在發(fā)生重大安全事故的概率。因此，有必要對其進行安全監(jiān)控技術研究，進一步提升鋼平臺模架裝備的安全性水平，達到模架裝備施工風險提前預控的目的。

2鋼平臺模架裝備監(jiān)控原則

整體爬升鋼平臺模架裝備由鋼平臺子系統(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備。在應用鋼平臺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)，分別對應于不同的支撐結構體系。監(jiān)控系統(tǒng)搭建的目標就在于實現(xiàn)對2種支撐結構有效性以及爬升機構同步性的正確驗證。實際工程中，考慮到直接對支撐結構、爬升機構監(jiān)測較為困難，且由于成本因素，不可能對所有的支撐結構、爬升機構進行測點布設，因此，應通過局部反饋整體、關鍵部位測點布設的方法進行監(jiān)控方案的優(yōu)化設計。基于鋼平臺模架裝備各子系統(tǒng)特征，并結合上述支撐結構、爬升機構監(jiān)測需求，并進一步考慮監(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[1-5]。1）根據(jù)不同子系統(tǒng)發(fā)生風險概率進行劃定，關鍵的監(jiān)控對象應包括鋼平臺子系統(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)等應作為輔助監(jiān)控對象。考慮到環(huán)境對鋼平臺正常施工的影響，應重點監(jiān)測環(huán)境風和環(huán)境溫濕度等參數(shù)。2）為全面反饋支撐結構、爬升機構的特征，應針對包括鋼平臺模架裝備的關鍵構件內(nèi)力、整體空間變形以及環(huán)境影響參數(shù)進行實時動態(tài)監(jiān)測。3）在數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性方面，為確保數(shù)據(jù)滿足實時性要求，需在數(shù)據(jù)傳輸延時上定義延時限值，比如將數(shù)據(jù)延時控制在300～500ms范圍內(nèi)（分鐘級采樣）、50～100ms范圍內(nèi)（1Hz以上采樣）。延時的一個重要影響因素是數(shù)據(jù)傳輸路徑，因此，需要仔細規(guī)劃數(shù)據(jù)的傳輸路徑。4）在多測點數(shù)據(jù)對比分析時，應選用同步采集的多測點數(shù)據(jù)。即必須實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步采集機制，并在同步采集的基礎上達成數(shù)據(jù)同步傳輸和實施傳輸。5）考慮到鋼平臺作業(yè)面空間狹小，物料如鋼筋等堆積較多，極易對信號傳輸線纜及傳感器設備等造成人為破壞。因此，必須對傳感器設備進行全覆蓋保護，以及將信號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鋼平臺模架裝備監(jiān)控對象

基于上述監(jiān)控原則，以各子系統(tǒng)的監(jiān)測內(nèi)容構建整體爬升鋼平臺模架裝備監(jiān)測體系（圖1）。圖1詳細列舉了所有可行的監(jiān)測項，但成本因素和技術實現(xiàn)難度綜合考慮下，一般僅能實現(xiàn)部分監(jiān)測項，更傾向于實現(xiàn)內(nèi)力、變形、位移和環(huán)境監(jiān)測等。針對監(jiān)測內(nèi)容的分析結果構建整體爬升鋼平臺模架裝備的控制體系，在鋼平臺模架裝備控制方面，主要指爬升機構的控制。基于爬升機構的監(jiān)測內(nèi)容，面向爬升結構可進行的控制內(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)境風速超限或內(nèi)外風壓差距較大時，應進行施工工況控制（圖2）。

4監(jiān)控方法

鋼平臺模架裝備監(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)測項整體爬升鋼平臺模架裝備爬升狀態(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整體鋼平臺模架裝備控制對象均通過傳感器子系統(tǒng)的合理配置實現(xiàn)，即從硬件層面配置的傳感器之間組合成為各種監(jiān)測項對應的傳感器。國內(nèi)有文獻將監(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)測項的監(jiān)控方法著手，討論傳感器布點方法；將從基于傳感器子系統(tǒng)的監(jiān)控方法著手，討論信號傳輸方法。針對傳感器布點方法設計，在鋼平臺監(jiān)測項中，關鍵構件應力應變、平臺的整體空間變位、立柱傾斜度是重點監(jiān)測對象。針對關鍵構件應力應變，應取鋼平臺在不同施工狀態(tài)的應力最大及應力幅度最大的構件進行布點監(jiān)測，計算一般可通過有限元分析進行；針對整體空間變位監(jiān)測，一般指鋼平臺作業(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，用于控制鋼平臺最大豎向變位不超過限值；其二為選擇每個鋼平臺筒架的一個標準點進行監(jiān)測，用于控制多筒架之間的相對變形；針對立柱傾斜度，應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，可逐步進行傳感器布點設計和布點方案的優(yōu)化。針對信號傳輸設計，可綜合考慮多種信號傳輸方法。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。信號傳輸電纜和光纖在布設、使用過程中均存在被破壞的可能性，但其穩(wěn)定性較好，在有條件時是最佳選擇；而無線傳輸方式穩(wěn)定性較差，如考慮鋼平臺模架裝備中鋼結構網(wǎng)格的信號屏蔽作用，其穩(wěn)定性更會出現(xiàn)大幅度下降。因此，一般不建議全局采用無線傳輸技術。經(jīng)某鋼平臺現(xiàn)場測試，采用Lora技術可以實現(xiàn)多層施工作業(yè)面間的數(shù)據(jù)透傳，是重點推薦的數(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技術和Wi-Fi技術受限于其穿透性差的特性，基本上僅能在單個筒架內(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)先考慮的一個關鍵優(yōu)勢在于其低功率特性，可使用鋰電池等供電設備實現(xiàn)長時間的正常工作，在鋼平臺模架裝備供電不穩(wěn)定時，是最優(yōu)的信號傳輸方案。

5監(jiān)控軟硬件集成

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

6工程應用

以南京金鷹天地廣場T1塔樓鋼平臺為例，進行了上述監(jiān)測技術的工程示范應用。T1塔樓79層，高365.5m，采用筒架支撐式液壓爬升整體鋼平臺模架體系施工，核心筒施工工期約為1a。在T1塔樓鋼平臺應用過程中，傳感器布點參照了有限元模型的計算結果，最大限度地實現(xiàn)了對支撐系統(tǒng)和爬升系統(tǒng)的監(jiān)測（圖3）。綜合應用了有線傳輸技術和多種無線傳輸技術，實現(xiàn)了現(xiàn)場數(shù)據(jù)由各個傳感器向局域網(wǎng)節(jié)點匯聚、局域網(wǎng)節(jié)點向現(xiàn)場服務器匯聚、現(xiàn)場服務器向遠程云端中心服務器實時傳送的信號傳輸機制（圖4）。建立、完善了現(xiàn)場服務器的數(shù)據(jù)采集軟件和遠程可視化系統(tǒng)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)現(xiàn)場采集和遠程可視化處理的結合。

7結語

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

參考文獻

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作者：趙一鳴 單位：上海建工集團工程研究總院