基于信息化監(jiān)測的高大模架施工技術(shù)應(yīng)用

王永祥

0 引言

隨著中國城市化進(jìn)程逐步加快，群眾對建筑的各項(xiàng)要求越來越高，對大體量工程、高大空間及功能性用房的需求日益增長，導(dǎo)致建筑設(shè)計(jì)多樣、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，涉及高大模架施工的區(qū)域越來越多。高大模板支撐體系是建筑施工過程中的重大危險(xiǎn)源之一，常常因?yàn)楦叽竽０逯误w系坍塌造成安全事故，引起大量人員傷亡并造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，給社會帶來巨大的負(fù)面影響。雖然高大模架的相應(yīng)規(guī)范要求及模架計(jì)算時(shí)的安全系數(shù)不斷提升和完善，但相對于高大模架的理論計(jì)算，且在施工過程中的監(jiān)控及預(yù)警仍然是高大模架安全管理中的薄弱環(huán)節(jié)。

為了降低高大模架安全事故發(fā)生概率，減輕事故傷亡程度，同時(shí)也得益于信息化監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，交底可視化、二維碼掃描、放樣機(jī)器人、三維掃描儀、智能無線監(jiān)測系統(tǒng)等信息化手段正逐步融入高大模架施工中，實(shí)現(xiàn)了高大模架在實(shí)施過程中的定量化監(jiān)測。但高大模架區(qū)域結(jié)構(gòu)及模架模型的建立、監(jiān)測點(diǎn)位的選擇、報(bào)警閾值的設(shè)定以及監(jiān)測傳感器的數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)的分析尚未有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。依托于中國電建西部科創(chuàng)中心建設(shè)項(xiàng)目高大模架工程中信息化監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用，本文設(shè)計(jì)制作了一種標(biāo)準(zhǔn)化、可拆卸、高周轉(zhuǎn)的高大模架監(jiān)測系統(tǒng)及裝置，對利用信息化手段實(shí)現(xiàn)高大模架安全施工進(jìn)行了全面探究，最終形成了一套基于信息化監(jiān)測的高大模架施工技術(shù)[1]。

1 項(xiàng)目概況

中國電建西部科創(chuàng)中心建設(shè)項(xiàng)目，位于成都市天府新區(qū)正興街道寧波路西段南側(cè)和規(guī)劃嘉州路、崇德一路北側(cè)之間。項(xiàng)目凈用地面積9 596.15m2，規(guī)劃總建筑面積106 492.56m2：其中地上建筑面積74 947.11m2，地下建筑面積31 545.45m2。下設(shè)4層地下室，地上29層，建筑高度129.4m，項(xiàng)目以辦公為主，兼顧企業(yè)文化展覽館、多功能會議中心及商務(wù)酒店、商業(yè)服務(wù)，結(jié)構(gòu)型式為框架-核心筒結(jié)構(gòu)，首層大堂最高處凈高為17.55m。

2 超危大工程概況

根據(jù)2018年住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部令第37號“危險(xiǎn)性較大的分部分項(xiàng)工程安全管理規(guī)定”的相關(guān)要求，混凝土模板支撐工程高度超過8m或跨度超過18m，施工總荷載大于15kN/m2或集中線荷載大于20kN/m的模板支撐系統(tǒng)，施工單位應(yīng)組織專家組對專項(xiàng)方案進(jìn)行論證審查。工程涉及文件要求的危大工程內(nèi)容如表1所示。

表1 項(xiàng)目危大工程清單

3 高大模架支撐體系設(shè)計(jì)

本工程高大模板支撐體系選用盤扣式支撐體系，建筑物形狀規(guī)則，支撐體系搭設(shè)整體效果較好[2]。支模架立桿基礎(chǔ)均在相應(yīng)的樓板，立桿下墊通長木墊板和鋼板底座。部分不規(guī)則部位采用扣件式鋼管腳手架連接搭設(shè)，盤扣式支撐架立桿規(guī)格Φ48×3.2，拉桿規(guī)格Φ48×2.7，扣件式鋼管規(guī)格Φ48.3×3.6（計(jì)算取值Φ48×2.7）；支撐背楞采用45×90木方；支撐主龍骨采用Φ48.3×3.6鋼管（Φ48×2.7）；模板采用15厚覆膜木模板。

4 信息化監(jiān)測技術(shù)原理

通過云平臺的數(shù)據(jù)連接可實(shí)現(xiàn)傳感和BIM模型的關(guān)聯(lián)，在高大模架的腳手架U托上設(shè)置傾角檢測器、壓力檢測器、位移檢測器等探測設(shè)備，將工地現(xiàn)場高大模架腳手架的傾斜數(shù)據(jù)、位移數(shù)據(jù)、壓力數(shù)據(jù)等實(shí)時(shí)采集記錄，然后通過移動網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到云端[3]。云平臺下載現(xiàn)場數(shù)據(jù)后，通過分析計(jì)算這些數(shù)據(jù)，將結(jié)果在平臺上以圖表等可視化的展現(xiàn)方式直觀展現(xiàn)給用戶。當(dāng)測量值超過設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)就會自動觸發(fā)報(bào)警信號，并通過施工現(xiàn)場的聲光報(bào)警系統(tǒng)或者平臺發(fā)送消息，將報(bào)警信息傳給相應(yīng)的管理人員。

5 施工要點(diǎn)

5.1 繪制高大模架區(qū)域結(jié)構(gòu)及模架模型

根據(jù)結(jié)構(gòu)施工圖繪制首層高大模架區(qū)域結(jié)構(gòu)模型，根據(jù)專家論證后的《高大模架施工方案》中模架排布要求繪制高大模架體模型。

5.2 可視化交底

利用 BIM 可視性強(qiáng)的特點(diǎn)，使方案交底及技術(shù)交底具體化，通過三維模型能真實(shí)再現(xiàn)施工過程，將每個(gè)施工細(xì)節(jié)通過三維軟件展現(xiàn)出來，提高了施工人員的工作效率，使工程施工更加簡單，減少信息傳遞誤差，使施工人員明確施工任務(wù)。高大模架三維效果圖如圖1所示。

圖1 高大模架三維效果圖

5.3 掃描現(xiàn)場結(jié)構(gòu)并根據(jù)現(xiàn)場情況調(diào)整模型

利用三維掃描儀對高大模架底部已完成區(qū)域結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描，對比分析掃描數(shù)據(jù)和BIM模型的差值，調(diào)整高大模架模型，使模型與施工現(xiàn)場一致，確保模型的可操作性，再用放樣機(jī)器人按照模型1:1進(jìn)行放樣。三維激光掃描技術(shù)與全自動放樣機(jī)器人的配合使用，將有效降低施工現(xiàn)場放樣的難度，提高精度，如圖2所示。

圖2 使用三維掃描儀掃描

5.4 監(jiān)測點(diǎn)位選擇

監(jiān)測點(diǎn)的選取主要考慮梁板結(jié)構(gòu)中截面積大的位置、跨度最大的構(gòu)件、支撐高度最高的位置、水平約束條件最不利的位置、活荷載最集中的位置（如布料機(jī)架設(shè)位置）等。綜合以上因素，選取出需要監(jiān)測的點(diǎn)位，根據(jù)其特點(diǎn)，選取監(jiān)測點(diǎn)和監(jiān)測類型。如：對于截面尺寸最大的構(gòu)件和活荷載最集中的構(gòu)件位置，主要監(jiān)測立桿下的軸力，需要在立桿下布置壓力傳感器；對于跨度最大部位，主要監(jiān)測其大跨度下易產(chǎn)生的變形以及模板變形量，在梁/板底布置豎向位移傳感器；對于支撐高度最高的位置，由于立桿頂部的約束條件較差，容易引起桿件扭轉(zhuǎn)和傾斜，主要監(jiān)測其在不同方向的傾斜變形，在立桿頂端布置雙軸傾角傳感器。對于支撐體系整體布局，由于在混凝土澆筑過程中，外部風(fēng)荷載、布料機(jī)/布料管產(chǎn)生的沖擊荷載等因素，支撐體系整體容易產(chǎn)生水平的晃動，在支撐體系上部，沿支撐體系的長度和寬度方向分別布置水平位移傳感器和水平壓力傳感器，通過數(shù)據(jù)采集，獲得在正式作業(yè)環(huán)境下，支架產(chǎn)生的水平位移和水平壓力的大小，評估水平擾動對支架產(chǎn)生的影響。

5.5 報(bào)警閾值確定

對于臨時(shí)支撐體系的監(jiān)測，合理確定報(bào)警閾值是一項(xiàng)非常重要的過程。合理確定閾值后，可以在監(jiān)測儀表上設(shè)置基于此閾值的預(yù)警和報(bào)警參數(shù)。在混凝土澆筑的臨時(shí)支撐體系加載過程中，監(jiān)測儀表根據(jù)傳感器采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，與閾值比較，在接近或達(dá)到閾值時(shí)發(fā)出對應(yīng)的聲光報(bào)警，以示提醒。實(shí)際工程中，不同梁板的截面尺寸不同、混凝土的澆筑方式不同、作業(yè)環(huán)境不同，決定了作用在對應(yīng)下部臨時(shí)支撐體系的荷載以及產(chǎn)生的形變各有不同。需要根據(jù)工程實(shí)際進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算。根據(jù)本研究中研發(fā)的基于BIM的臨時(shí)支撐系統(tǒng)計(jì)算軟件，導(dǎo)入結(jié)構(gòu)圖紙，通過軟件的自動建模和結(jié)構(gòu)計(jì)算，經(jīng)過反復(fù)優(yōu)化，計(jì)算出支撐體系的水平鋼管支撐間距（步距），立桿的縱向和橫向跨度以及對應(yīng)桿件的豎向壓力、變形等。將優(yōu)化后計(jì)算出的值作為監(jiān)測點(diǎn)位傳感器預(yù)警的閾值，并在自動化采集儀的傳感器安裝完成后，輸入該閾值。

5.6 監(jiān)測點(diǎn)傳感器安裝

依據(jù)確定的傳感器安裝位置方案，進(jìn)行監(jiān)測點(diǎn)傳感器的安裝。安裝過程穿插在支架的搭設(shè)過程。確保傳感器的安裝既不影響架體搭設(shè)，又不受架體搭設(shè)影響。采取必要的保護(hù)措施，保證傳感器和數(shù)字采集儀的安全運(yùn)行。采用高精度傳感器和信息自動采集儀，實(shí)時(shí)捕捉監(jiān)測點(diǎn)位置信息，實(shí)時(shí)分析形變和受力情況，對施工中某些超過承載能力的桿件做出及時(shí)的反應(yīng)，通過報(bào)警器報(bào)警，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測、超限預(yù)警、危險(xiǎn)報(bào)警等監(jiān)測目標(biāo)，保證工程施工過程中的安全和質(zhì)量。主要傳感器設(shè)備如表2所示。

表2 主要傳感器設(shè)備表

5.7 監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)初始化

監(jiān)測點(diǎn)位安裝完成后，需要對各傳感器進(jìn)行初始化設(shè)置，確保在正式澆筑過程中，產(chǎn)生的監(jiān)測值真實(shí)有效。對于傾角和位移傳感器，需要在架體安裝完成后進(jìn)行初始化。對于壓力傳感器，由于需要采集的值包含架體的自重等數(shù)值，因此不能在傳感器安裝受壓后進(jìn)行傳感器壓力值初始化，需要在傳感器空載情況下進(jìn)行初始化，再進(jìn)行安裝，并將安裝到位后采集到的壓力值作為監(jiān)測值的一部分進(jìn)行分析。

5.8 基于物聯(lián)網(wǎng)的過程監(jiān)測

一切準(zhǔn)備工作就緒后，在混凝土開始澆筑前啟動監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)入監(jiān)測模式。隨著混凝土澆筑進(jìn)程的推進(jìn)，上部荷載的影響逐漸傳遞到各部位的傳感器，傳感器將各自采集到的數(shù)據(jù)變化值通過無線傳輸?shù)哪Ｊ絺鬟f給數(shù)據(jù)采集儀，由于架體為鋼管網(wǎng)架，密度大，對一般信號的屏蔽作用明顯，因此本系統(tǒng)采集過程中，傳感器與數(shù)據(jù)采集儀的數(shù)據(jù)通信采用433Mhz的通信模式進(jìn)行，該通信模式對鋼管架體具有一定的繞射能力，并且通信距離和通信速率能滿足數(shù)據(jù)采集儀和傳感器的距離（半徑距離小于100m）需要。數(shù)據(jù)采集儀能夠?qū)Σ杉降母鱾鞲衅鲾?shù)據(jù)進(jìn)行比對，當(dāng)比對結(jié)果超出前期植入的閾值時(shí)，數(shù)據(jù)采集儀會向安裝于架體的聲光報(bào)警器發(fā)出指令，聲光報(bào)警器會提醒作業(yè)人員進(jìn)行問題排查。由于數(shù)據(jù)采集儀的數(shù)據(jù)采集密度較大，平均每部傳感器1條/s的采集頻率，可以在混凝土澆筑過程中實(shí)時(shí)了解各桿件的受力是否超出設(shè)計(jì)值。

5.9 監(jiān)測數(shù)據(jù)與BIM輕量化平臺掛接

數(shù)據(jù)采集儀接收到各傳感器的數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的同時(shí)，會將各數(shù)據(jù)通過GPRS信號發(fā)送給監(jiān)測平臺。通過固定在模架桿件上的應(yīng)力傳感器、雙向傾角傳感器和精密拉線傳感器自動對模架的桿件受壓、在動、靜荷載作用下產(chǎn)生的傾斜形變和位移狀態(tài)進(jìn)行全方位監(jiān)測，數(shù)據(jù)采樣以毫秒為單位，基于GPRS的數(shù)據(jù)發(fā)送以秒為單位，將采樣數(shù)據(jù)自動發(fā)送至BIM可視化平臺，以三維立體的形式展示建筑內(nèi)部各個(gè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，做到精確定位。通過物聯(lián)網(wǎng)平臺的分布式存儲機(jī)制，基于hash算法以散列的形式存儲物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，并以三維模型特征算法為基礎(chǔ)，提取位置坐標(biāo)與BIM模型相結(jié)合，顯示在物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中。物聯(lián)網(wǎng)平臺與BIM模型平臺的位置信息交互通過立體式投射成像算法呈現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合的地理位置信息，并在三維點(diǎn)位上，立體式的展現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的各種狀態(tài)。通過基于BIM模型的系統(tǒng)平臺軟件對監(jiān)測點(diǎn)位的數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線分析，真正實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)與BIM模型的深度融合。

5.10 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)采集到的各點(diǎn)位的傳感器數(shù)據(jù)，結(jié)合基于BIM的結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，考慮實(shí)際的材料類型、施工環(huán)境、荷載條件等因素影響，對比在施工工況下，支撐體系的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變，進(jìn)一步驗(yàn)證結(jié)構(gòu)計(jì)算的取值模式與真實(shí)情況的差距，定性分析出影響支架安全的主要因素，為后續(xù)施工中進(jìn)一步優(yōu)化支撐體系結(jié)構(gòu)布局，加強(qiáng)支撐體系的安全性，兼顧經(jīng)濟(jì)性等方面提供技術(shù)支持[4]。

6 質(zhì)量措施要點(diǎn)

6.1 質(zhì)量控制規(guī)范

腳手架工程施工質(zhì)量及安全生產(chǎn)按照以下規(guī)定進(jìn)行驗(yàn)收：《鋼管腳手架扣件》（GB15831-2006）[5]；《建筑施工高處作業(yè)安全技術(shù)規(guī)范》（JGJ80-2016）[6]；《建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范》（JGJ162-2008）[7]；《建筑施工臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（JGJ300-2013）[8]；《建筑施工碗扣式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》（JGJ166-2016）[9]；《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》（JGJ130-2011）[10]。

6.2 質(zhì)量控制要求

（1）模板的接縫不應(yīng)漏漿；在澆筑混凝土前，應(yīng)澆水濕潤，但模板內(nèi)不應(yīng)有積水；（2）模板與混凝土的接觸面應(yīng)清理干凈并涂刷隔離劑，但不得采用影響結(jié)構(gòu)性能或妨礙裝飾工程施工的隔離劑；（3）澆筑混凝土前，模板內(nèi)的雜物應(yīng)清理干凈；（4）傳感器安裝均不得遺漏，且應(yīng)安裝牢固。

6.3 質(zhì)量保證措施

（1）高大模架應(yīng)具有完整的圖紙、工藝文件、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)；制作單位應(yīng)有完善的質(zhì)量管理體系；（2）失靈傳感器進(jìn)行及時(shí)的處理，維修后無法達(dá)到質(zhì)量要求的廢棄處理；（3）檢測設(shè)備出廠前應(yīng)按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢驗(yàn)，構(gòu)配件出廠前應(yīng)提供出廠合格證。

7 安全措施要點(diǎn)

（1）在施工現(xiàn)場顯著位置公告危大工程名稱、施工時(shí)間和具體責(zé)任人員，并在危險(xiǎn)區(qū)域設(shè)置安全警示標(biāo)志；（2）專項(xiàng)施工方案實(shí)施前，編制人員或者項(xiàng)目技術(shù)負(fù)責(zé)人應(yīng)當(dāng)向施工現(xiàn)場管理人員進(jìn)行方案交底；（3）對危大工程施工作業(yè)人員進(jìn)行登記，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人在施工現(xiàn)場履職；（4）項(xiàng)目專職安全生產(chǎn)管理人員對專項(xiàng)施工方案實(shí)施情況進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)督，對未按照專項(xiàng)施工方案施工的，應(yīng)當(dāng)要求立即整改，并及時(shí)報(bào)告項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人應(yīng)當(dāng)及時(shí)組織限期整改；（5）對危大工程進(jìn)行施工監(jiān)測和安全巡視，報(bào)警器報(bào)警等發(fā)現(xiàn)危及人身安全的緊急情況，應(yīng)當(dāng)立即組織作業(yè)人員撤離危險(xiǎn)區(qū)域。

8 結(jié)論

施工過程中的定量化監(jiān)控及預(yù)警是目前高大模架安全管理中的薄弱環(huán)節(jié)，通過與信息化監(jiān)測技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，合理地建立高大模架信息化模型、布設(shè)各類監(jiān)控傳感器、設(shè)定報(bào)警閾值并做好過程中的監(jiān)測信息處理可以極大地保證高大模架的安全實(shí)施。此項(xiàng)技術(shù)對高大模架施工安全管理意義重大，具有良好的引領(lǐng)和示范作用。