“互聯(lián)網(wǎng)+”在鋼桁梁柔性拱橋施工中的應(yīng)用

李浩+黎暉+白佳

摘 要：近年來(lái)信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以前所未有的速度滲透發(fā)展，本文將“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)應(yīng)用在橋梁施工領(lǐng)域，以滬通長(zhǎng)江大橋項(xiàng)目為工程實(shí)例構(gòu)建了橋梁施工監(jiān)控平臺(tái)，通過數(shù)據(jù)自動(dòng)采集分析、實(shí)時(shí)三維展示等功能實(shí)現(xiàn)了施工數(shù)據(jù)可視化，為施工管理提供了科學(xué)和合理的指導(dǎo)意見。

關(guān)鍵詞：互聯(lián)網(wǎng)+；橋梁施工；鋼桁梁柔性拱橋；云計(jì)算

中圖分類號(hào)：TN-9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006—7973（2018）3-0059-02

柔性拱剛性梁結(jié)構(gòu)在鐵路或公鐵兩用橋梁中較為常見，如九江長(zhǎng)江大橋、京滬高鐵濟(jì)南黃河大橋、合肥鐵路樞紐南環(huán)線跨合寧高速特大橋等，均為鋼桁梁柔性拱結(jié)構(gòu)。剛性梁柔性拱結(jié)構(gòu)多采用先梁后拱法施工，即先架設(shè)主梁再架設(shè)拱肋。拱肋安裝可采用梁上支架原位拼裝或依托扣掛系統(tǒng)懸臂拼裝，支架原位拼裝應(yīng)用較多，但施工時(shí)由于梁上作業(yè)面限制，加上支架高度較高，面臨較突出的穩(wěn)定性問題，懸臂拼裝拱肋則面臨拼裝精度控制難度大等難題，如果能夠?qū)崟r(shí)掌握到施工過程中橋梁各個(gè)關(guān)鍵構(gòu)件的狀態(tài)將為解決這些難題提供幫助。

本文以滬通長(zhǎng)江大橋天生港專用航道橋?yàn)槔谑┕がF(xiàn)場(chǎng)安裝了先進(jìn)的智能數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)備，利用“互聯(lián)網(wǎng)+”中的無(wú)線通信、云計(jì)算、Web服務(wù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)搭建了B/S互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了橋梁施工信息在項(xiàng)目各參建方之間的協(xié)同共享，通過平臺(tái)關(guān)聯(lián)橋梁三維模型全方位查看橋梁構(gòu)件上的傳感器量測(cè)信息，全面掌握橋梁構(gòu)件狀態(tài)信息，提高了橋梁施工決策的科學(xué)性和合理性。

1 工程概況及技術(shù)難點(diǎn)

滬通鐵路長(zhǎng)江大橋是新建滬通鐵路的控制性工程，為四線鐵路六車道公路合建橋梁，橋梁全長(zhǎng)11.072km。正橋鋼梁總長(zhǎng)5831.3m，由主航道橋、天生港航道橋、水中非通航孔橋組成。其中天生港專用航道橋采用（1.5+140+336+140+1.5）=619m鋼桁梁柔性拱橋方案。主桁采用剛性梁柔性拱的三主桁結(jié)構(gòu)，柔性拱設(shè)在336m通航孔。剛桁梁施工采用大型斜拉扣掛系統(tǒng)對(duì)稱懸拼，柔性拱采用梁上拼裝后采用豎轉(zhuǎn)成拱的方案，構(gòu)件尺寸、重量大，高空多點(diǎn)對(duì)位安裝對(duì)吊裝設(shè)備和吊裝工藝要求高。主梁為雙層板桁組合結(jié)構(gòu)，公路和鐵路行車面板都采用正交異性板，與主桁連接采用栓焊結(jié)合，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工拼裝匹配精度要求高。

2 橋梁施工監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)分三部分進(jìn)行設(shè)計(jì)：數(shù)據(jù)的采集與傳輸、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與計(jì)算、數(shù)據(jù)展示平臺(tái)的搭建。系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖如圖1所示。

2.1 施工數(shù)據(jù)的采集與傳輸

2.1.1 智能傳感器安裝方案

本橋鋼梁架設(shè)采用從主墩頂開始向中跨和邊墩對(duì)稱架設(shè)，先梁后拱，先架設(shè)完邊跨后中跨合龍。為控制結(jié)構(gòu)內(nèi)力，輔助以利用吊索塔架斜拉扣掛系統(tǒng)、柔性拱肋架設(shè)采用在鋼梁上成拱，再利用吊索塔架進(jìn)行豎向轉(zhuǎn)體。施工監(jiān)控內(nèi)容包括鋼桁梁懸臂安裝關(guān)鍵桿件應(yīng)力監(jiān)測(cè)、扣塔應(yīng)力及扣索索力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。關(guān)鍵桿件以及扣塔根部各布置一個(gè)傳感器，共計(jì)132個(gè)，柔性拱肋上選擇不利桿件布置傳感器36個(gè)。

2.1.2 施工數(shù)據(jù)采集

在本系統(tǒng)中，每座橋梁作為一個(gè)子系統(tǒng)由若干個(gè)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)組成，采用了高精度智能傳感器、數(shù)據(jù)自補(bǔ)償和預(yù)處理調(diào)理器設(shè)備，橋位處無(wú)電源條件下的自供電方式保證了全天實(shí)時(shí)自動(dòng)采集，解決了人工采集容易出錯(cuò)并且無(wú)法實(shí)時(shí)采集的問題。

2.1.3 施工數(shù)據(jù)傳輸

采集系統(tǒng)得到數(shù)據(jù)后通過無(wú)線發(fā)射設(shè)備將各種傳感器信號(hào)通過GSM/GPRS/WIFI的方式傳輸?shù)皆贫耍谠贫耸盏皆紨?shù)據(jù)的同時(shí)進(jìn)行處理并將處理后數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。在傳輸組網(wǎng)方面采用的是低功耗無(wú)線、傳輸距離遠(yuǎn)、可點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或一對(duì)多組網(wǎng)靈活的Lora節(jié)點(diǎn)和智能云盒等傳輸組網(wǎng)設(shè)備，用無(wú)線傳輸方式將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸并存儲(chǔ)到云端，解決了本過程過于依賴人工且數(shù)據(jù)易出錯(cuò)，易丟失的問題。

2.2 施工數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與計(jì)算

本系統(tǒng)中傳感器的數(shù)據(jù)采集頻率較高，因此每天都有大量的數(shù)據(jù)由無(wú)線設(shè)備傳輸?shù)皆贫诉M(jìn)行處理，由于橋梁結(jié)構(gòu)中每根桿件上安裝的傳感器位置和理論數(shù)據(jù)都不同，所以需要針對(duì)每個(gè)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。在數(shù)據(jù)庫(kù)中考慮到傳感器的各種狀態(tài)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的若干字段對(duì)其實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行描述，例如傳感器安裝位置、理論值、閾值和工作狀態(tài)等，同時(shí)安裝在同一區(qū)域的傳感器之間將進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比分析。所有傳輸?shù)皆贫说臄?shù)據(jù)均由一定的算法進(jìn)行計(jì)算后再存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中以供展示平臺(tái)進(jìn)行可視化處理。在服務(wù)器上還部署了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)預(yù)警系統(tǒng)，當(dāng)傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)超出閾值即出現(xiàn)橋梁桿件受力異常情況時(shí)會(huì)將該數(shù)據(jù)詳細(xì)信息以報(bào)警短信的方式發(fā)送到指定聯(lián)系人，實(shí)現(xiàn)了橋梁施工狀態(tài)全天24小時(shí)預(yù)警功能。

2.3 施工數(shù)據(jù)展示平臺(tái)的搭建

（1）三維建模：將目標(biāo)橋梁的二維圖紙文件導(dǎo)入到專業(yè)三維建模軟件中制作成橋梁初步三維模型，保持其與橋梁實(shí)際尺寸比例一致，然后進(jìn)行貼圖和渲染，生成可以與其它三維引擎平臺(tái)對(duì)接的模型文件。

（2）虛擬施工場(chǎng)景搭建：在虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)平臺(tái)中使用地形編輯器根據(jù)實(shí)際地形情況制作出一個(gè)虛擬地形，將橋梁模型文件導(dǎo)入到虛擬地形中，根據(jù)監(jiān)測(cè)方案在橋梁模型的制定位置放置一定數(shù)量的傳感器模型用來(lái)展示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

（3）邏輯編程與數(shù)據(jù)交互：編寫腳本文件使橋梁與傳感器模型根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)情況產(chǎn)生一定的動(dòng)態(tài)性，同時(shí)向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求，從而與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)產(chǎn)生數(shù)據(jù)交互，既能讀取實(shí)時(shí)橋梁施工監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)也能修改數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)值（如橋梁資料、施工進(jìn)度等）。

（4）客戶端發(fā)布上線：根據(jù)功能需要合理設(shè)計(jì)各個(gè)功能按鈕和狀態(tài)顯示欄，按照一定尺寸比例布局在屏幕上，保證整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所需的功能在屏幕上能夠一目了然。最后將設(shè)計(jì)好UI的虛擬現(xiàn)實(shí)橋梁施工場(chǎng)景打包成html文件發(fā)布至互聯(lián)網(wǎng)，用戶可以憑借指定的用戶名和密碼使用任意一臺(tái)電腦登錄監(jiān)測(cè)平臺(tái)。

3 橋梁施工監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用

本系統(tǒng)在2016年至2017年期間對(duì)滬通長(zhǎng)江大橋天生港專用航道橋施工過程進(jìn)行了全程監(jiān)控，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和施工監(jiān)控方案提前將智能傳感器安裝到相應(yīng)的關(guān)鍵性橋梁桿件和臨時(shí)結(jié)構(gòu)上，全天24小時(shí)不間斷采集施工數(shù)據(jù)，將溫度、應(yīng)力和傾角等信息通過監(jiān)控系統(tǒng)提供給各個(gè)項(xiàng)目參建方。滬通長(zhǎng)江大橋施工監(jiān)控系統(tǒng)主界面如圖2所示。

用戶可在系統(tǒng)中以各種角度查看橋梁三維模型中各個(gè)傳感器的安裝位置和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，還可以用三維漫游模式“進(jìn)入” 橋梁施工虛擬場(chǎng)景，根據(jù)需要選擇不同的工況檢查橋梁結(jié)構(gòu)在各個(gè)施工時(shí)間段的整體和分部狀態(tài)，如圖3所示。

在數(shù)據(jù)曲線功能中可以對(duì)傳感器的實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以確認(rèn)每個(gè)關(guān)鍵施工工序的正常進(jìn)行。預(yù)警功能在數(shù)據(jù)異常時(shí)也會(huì)及時(shí)發(fā)送警報(bào)短信到相關(guān)施工管理人員，現(xiàn)場(chǎng)施工人員馬上可以了解到問題所在并作出及時(shí)調(diào)整。

4 結(jié)語(yǔ)

在全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革中，互聯(lián)網(wǎng)已成為各行各業(yè)發(fā)展的新干線，“互聯(lián)網(wǎng)+”即互聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)行業(yè)的深度融合，傳統(tǒng)的橋梁工程也需要結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行轉(zhuǎn)型升級(jí)。目前大跨橋梁項(xiàng)目眾多且施工難度大，以往的施工數(shù)據(jù)人工采集和錄入方式具有效率低、實(shí)時(shí)分析效果差等問題，本系統(tǒng)將物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算等技術(shù)應(yīng)用在橋梁施工領(lǐng)域，構(gòu)建了橋梁施工實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)，通過數(shù)據(jù)自動(dòng)采集分析、用戶遠(yuǎn)程操控和實(shí)時(shí)三維展示等功能實(shí)現(xiàn)了橋梁施工監(jiān)測(cè)信息化，具有采集精度高、實(shí)時(shí)傳輸效果好、工作效率高等優(yōu)點(diǎn)，降低了施工風(fēng)險(xiǎn)和成本，提高了決策的科學(xué)性和合理性。

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