BIM和RFID在滿堂支撐架工程安全控制點管理中的應(yīng)用研究

王 婷，曾凡奎，湯 杰

(西安工業(yè)大學 建筑工程學院， 陜西 西安 710021)

滿堂支撐架工程作為建筑工程施工中為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)與施工人員提供高處作業(yè)平臺的重要臨時設(shè)施。在對其各階段進行管理過程中，監(jiān)管使用階段對架體安全控制點管理是最為重要的環(huán)節(jié)[1]，安全控制點作為衡量滿堂支撐架工程安全與否的重要標志，若對其安全管理不到位會引發(fā)滿堂支撐架坍塌事故的發(fā)生，進而造成大量人員傷亡及重大財產(chǎn)損失。因此，在安全管理中對其進行準確地識別、控制和預防至關(guān)重要。然而，現(xiàn)階段對滿堂支撐架工程各安全控制點的管理方式仍主要依靠管理人員的現(xiàn)場巡視與檢查，相關(guān)信息依然采用紙質(zhì)文件、手工錄入、口頭傳遞的方式進行溝通。這種傳統(tǒng)的安全管理方式能夠?qū)χ庇^可見的不安全狀況和行為進行管理，但對架體各個部位的安全控制點狀況卻無法做出準確及時的判斷，并且安全管理的效果受人為主觀因素影響較大，與管理人員是否負責、是否具有較強的專業(yè)素養(yǎng)有很大關(guān)聯(lián)性[2]。因此，迫切需要對滿堂支撐架工程安全控制點的管理方法進行創(chuàng)新。

目前，隨著信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是在建筑業(yè)中對建筑信息模型技術(shù)(Building Information Modeling，BIM)和無線射頻識別技術(shù)(Radio Frequency Identification，RFID)的引入，為其傳統(tǒng)安全管理方式的改進提供了新的解決方式。其中BIM技術(shù)作為建設(shè)項目物理及功能特性的數(shù)字表達，能為滿堂支撐架安全控制點管理提供可視化、模擬性、多方協(xié)同參與的數(shù)字資源共享平臺，為項目決策提供科學可靠的依據(jù)。RFID作為一種非接觸式的自動識別技術(shù)，在滿堂支撐架工程安全管理中主要用于各構(gòu)配件信息的采集，其RFID標簽可儲存的信息種類多且容量大，耐久性及耐腐蝕性強，適用于施工現(xiàn)場復雜多變的環(huán)境，可為滿堂支架工程各安全控制點提供實時位置信息、環(huán)境信息、對象屬性信息[3]。因此，將二者集成運用于對滿堂支撐架各安全控制點識別、控制及預防上，進而可實現(xiàn)信息化、可視化、自動化的安全控制點管理。

1 滿堂支撐架工程安全控制點的識別與分析

下面以盤扣式滿堂支撐架為例，在查閱相關(guān)文獻[4-7]并進行分析研究的基礎(chǔ)上，將立桿垂直度、外架整體位移、節(jié)點處連接性能作為盤扣式滿堂支撐架安全控制點。

1.1 立桿垂直度

立桿垂直度的狀態(tài)對于滿堂支撐架安全與否是至關(guān)重要的，尤其是架體轉(zhuǎn)角處的立桿，其垂直度的提高能夠增強整個架體的縱向剛度與穩(wěn)定性，防止架體發(fā)生內(nèi)外傾斜。建筑施工承插型盤扣式鋼管支架安全技術(shù)規(guī)范中對立桿垂直度允許偏差做了詳細規(guī)定，如表1所示。

若滿堂支撐架立桿發(fā)生垂直度偏差，如圖1所示，會使立桿受力狀態(tài)不均勻，增加立桿承受的彎矩力，其承載力也會大幅度降低。此外，立桿作為把支撐架全部荷載傳遞給可調(diào)底座等基礎(chǔ)受力構(gòu)件的中間件，其垂直度偏差的存在也會造成基礎(chǔ)受力不均，最終影響滿堂支撐架整體的穩(wěn)定性。在工程施工中也會經(jīng)常出現(xiàn)由于立桿發(fā)生傾斜導致滿堂支撐架局部甚至整體失穩(wěn)而引發(fā)的安全事故。因此，立桿垂直度是滿堂支撐架工程精細化管理中的安全控制點之一。

表1 支架立桿垂直度允許偏差

注：其他一些中間值可以采用插入法進行計算。

圖1滿堂支撐架立桿垂直度偏差圖(單位：mm)

1.2 架體整體位移

滿堂支撐架工程從搭設(shè)、使用及拆除環(huán)節(jié)均為露天作業(yè)，在此過程中會遇到一些大風、雨雪等惡劣天氣，再加上架體結(jié)構(gòu)自重、作業(yè)層上的人員、施工材料與設(shè)備等的自重，很容易造成滿堂支撐架失穩(wěn)現(xiàn)象的發(fā)生。當發(fā)生架體失穩(wěn)時(如圖2所示)，架體呈現(xiàn)出縱橫向水平桿與縱橫向立桿組建的框架結(jié)構(gòu)，沿剛度較弱的方向大波鼓曲現(xiàn)象，在布設(shè)有剪刀撐的情況下，架體達到臨界荷載時，以上下豎直方向的剪刀撐交點處的水平面為分界面，上部呈現(xiàn)大波鼓曲，下部較上部變形較小。當無剪刀撐布置時，在達到臨界荷載的情況下架體會呈現(xiàn)整體大波鼓曲的現(xiàn)象。因此，整體位移是其安全控制點之一。

1.3 節(jié)點處連接性能

盤扣式滿堂支撐架節(jié)點屬于半剛性連接節(jié)點，其采用的連接方式是插銷式，這種插銷式的連接方式主要靠把插銷插入圓盤小孔與橫桿接頭內(nèi)，并用鐵錘敲打插銷直至完全插入為止，因此盤扣式滿堂支撐架節(jié)點處的連接性能與插銷插入圓盤內(nèi)的緊固程度密切相關(guān)。如圖3所示為彎矩作用下盤扣架節(jié)點受力模型圖，橫桿在彎矩M作用下其端扣接頭連同插銷以圓盤與插銷的接觸點A為受力支點進行轉(zhuǎn)動。端扣接頭上部作用在插銷上的力FR2以B為受力支點推動插銷向下滑移，進而使插銷楔緊。圓盤作用在插銷上的力FR1以A為受力支點阻礙插銷下行，是插銷在彎矩作用下自楔緊阻力。所以因當控制插銷與圓盤之間的當量摩擦系數(shù)f。

圖2 滿堂支撐架整體位移圖(單位：mm)

圖3彎矩作用下盤扣架節(jié)點受力模型

通過以上對盤扣式滿堂支撐架橫桿在彎矩作用下的節(jié)點受力性能分析，能夠得出在受到振動沖擊等各種動荷載作用下，負責傳力的插銷很有可能出現(xiàn)自動向上滑移，如果自動滑出，那么節(jié)點處由于松動而導致的連接失效將會危及整個滿堂支撐架體系與建筑主體結(jié)構(gòu)的安全，這也是盤扣式的連接方式在推廣與使用中一直存在的問題。其向上滑移情況如圖4所示。因此，節(jié)點處的連接性能對滿堂支撐架工程安全管理至關(guān)重要，同樣也是必不可少的安全控制點之一。

2 滿堂支撐架工程安全控制點的實時監(jiān)測

在對滿堂支撐架工程安全控制點實時監(jiān)測時，其采用的RFID標簽是帶有傳感器的標簽，通過將RFID標簽和所需類型的傳感器集成在一個很小的芯片中，即可形成RFID傳感器標簽。集成后的傳感器標簽稱之為Smart Dust，該標簽既具備RFID的識別能力，又具備傳感器的傳感能力[8]。相比之前的RFID標簽，RFID傳感器標簽?zāi)軌驖M足更多的功能需求。

圖4滿堂支撐架節(jié)點處插銷向上滑移

2.1 立桿垂直度的實時監(jiān)測

(1) RFID傳感器標簽的選用。在監(jiān)測滿堂支撐架立桿垂直度時，應(yīng)選用RFID傾角傳感器標簽，其中傾角傳感器是利用慣性原理的一種加速度傳感器，從其工作原理上分為“氣體擺”、“固體擺”和“液體擺”三種形式[9]，在RFID傾角傳感器標簽中采用的是“固體擺”的形式。當附著有標簽的立桿垂直度發(fā)生變化時，傳感器中的傾角就會隨著發(fā)生變化。

(2) 立桿垂直度監(jiān)測方案。滿堂支撐架立桿垂直度的實時監(jiān)測系統(tǒng)包括：RFID傾角傳感器標簽、RFID閱讀器、傾角傳感解調(diào)器、滿堂支撐架BIM 3D/4D模型數(shù)據(jù)庫。

在系統(tǒng)運行之前應(yīng)先把RFID傾角傳感器標簽附著在滿堂支撐架立桿中間部位，并依據(jù)RFID讀寫器的最大輻射范圍制定出其在滿堂支撐架中的布置間距及最佳位置。接著通過傾角傳感解調(diào)器的 API應(yīng)用程序接口與Revit API應(yīng)用程序接口進行連接，進而實現(xiàn)RFID傾角傳感器標簽信息與滿堂支撐架BIM 3D/4D模型數(shù)據(jù)庫之間的信息交互[10]。在上述工作完成之后系統(tǒng)便得以運行，其垂直度監(jiān)測的系統(tǒng)運行原理是首先由RFID傾角傳感器標簽對立桿垂直度與立桿所處位置信息進行收集，與此同時，標簽會被其所在輻射范圍內(nèi)的RFID閱讀器進行持續(xù)掃描，RFID閱讀器通過網(wǎng)絡(luò)層將讀取的立桿垂直度與立桿所處位置信息傳輸給傾角傳感解調(diào)器，接著解調(diào)器把信息解調(diào)后通過API接口添加到滿堂支撐架BIM 3D/4D模型數(shù)據(jù)庫中，此時3D/4D模型圖會隨著數(shù)據(jù)庫信息的添加而進行調(diào)整，自動將立桿垂直度情況呈現(xiàn)在滿堂支撐架模型中，便于項目各參與方進行協(xié)同分析與處理[11]。

(3) 數(shù)據(jù)的處理。傾角傳感解調(diào)器解調(diào)立桿垂直度信息的原理是依據(jù)立桿撓度值的大小，而立桿撓度值大小要依據(jù)項目的具體情況確定，當立桿撓度值很小，沒有超出所設(shè)定彎曲變形量的最低值時，解調(diào)器給出“Good”的評價。當立桿撓度接近或者超出所設(shè)定彎曲變形量的最大限度，經(jīng)解調(diào)器解調(diào)后給出“Bad”的評價。當立桿撓度值位于所設(shè)定的彎曲變形量最大值與最小值之間時，且不接近最大值與最小值時，解調(diào)器給出“Medium”的評價。在解調(diào)器對立桿垂直度做出評價后，通過API應(yīng)用程序接口將解調(diào)后的數(shù)據(jù)添加到滿堂支撐架BIM 3D/4D模型數(shù)據(jù)庫中，當添加到數(shù)據(jù)庫中的信息為“Good”時，BIM模型中所對應(yīng)的立桿呈現(xiàn)“綠色”。當添加到數(shù)據(jù)庫中的信息為“Bad”時，BIM模型中所對應(yīng)的立桿呈現(xiàn)“紅色”。當添加到數(shù)據(jù)庫中的信息為“Medium”時，BIM模型中所對應(yīng)的立桿呈現(xiàn)“黃色”。當立桿模型呈現(xiàn)紅色時，BIM監(jiān)控中心應(yīng)立即向施工現(xiàn)場發(fā)出嚴重警告，項目各參與方應(yīng)快速組織在線溝通、協(xié)同處理，并把處理方案轉(zhuǎn)達給相應(yīng)的現(xiàn)場管理人員，在現(xiàn)場管理人員對“紅色”立桿按照處理方案進行處理后，RFID傳感器標簽也會隨之發(fā)生變化，繼續(xù)被讀寫器連續(xù)掃描，解調(diào)器進行立桿垂直度信息解調(diào)，解調(diào)后的信息呈現(xiàn)在BIM模型中的立桿為綠色為止，此時，完整的數(shù)據(jù)處理過程才算最終結(jié)束。當立桿模型呈現(xiàn)“黃色”時，BIM監(jiān)控中心應(yīng)發(fā)出一般警告，項目各參與方應(yīng)在對“紅色”立桿處理方案商討完畢后展開對“黃色”立桿的協(xié)商解決方案，其后續(xù)工作便和“紅色”立桿處理方式相同，直至解調(diào)后的信息呈現(xiàn)在BIM模型中的立桿為綠色為止。當立桿模型呈現(xiàn)“綠色”時，系統(tǒng)不做任何處理[12]。其立桿垂直度實時監(jiān)測流程圖如圖5所示。

圖5立桿垂直度實時監(jiān)測系統(tǒng)流程圖

2.2 架體位移的實時監(jiān)測

(1) RFID傳感器標簽的選用。在監(jiān)測滿堂支撐架整體位移時，應(yīng)選用RFID位移傳感器標簽，其所包含的位移傳感器是一種金屬感應(yīng)的線性器件，其作用是把物理量位移轉(zhuǎn)化為電量。位移傳感器可分為數(shù)字式與模擬式兩種，在監(jiān)測滿堂支撐架架體位移時采用的是模擬式結(jié)構(gòu)，模擬式結(jié)構(gòu)位移傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、精度高、價格低廉與輸出信號大等優(yōu)點[13]。因此，選用RFID位移傳感器標簽對架體位移實時監(jiān)測。

(2) 架體整體位移監(jiān)測方案。滿堂支撐架架體整體位移的實時監(jiān)測系統(tǒng)包括：RFID位移傳感器標簽、RFID閱讀器、位移傳感解調(diào)器、滿堂支撐架BIM 3D/4D模型數(shù)據(jù)庫。

架體整體位移突出表現(xiàn)在橫桿位移上，因此在系統(tǒng)運行之前應(yīng)先把RFID位移傳感器標簽附著在滿堂支撐架外圍橫桿上，并依據(jù)RFID讀寫器的最大輻射范圍制定出其在滿堂支架中的布置間距及最佳位置。其后續(xù)的監(jiān)測過程可參照立桿垂直度的監(jiān)測方案。

(3) 數(shù)據(jù)的處理。位移傳感解調(diào)器解調(diào)橫桿位移信息的原理是依據(jù)橫桿位移量的大小，而其位移量值要依據(jù)架體實際使用情況確定，當橫桿沒有發(fā)生位移或位移量很小，沒有超出所設(shè)定位移量的最低值時，解調(diào)器給出“Good”的評價。當橫桿位移量接近或者超出所設(shè)定位移量的最大限度，經(jīng)解調(diào)器解調(diào)后給出“Bad”的評價。當橫桿位移量位移所設(shè)定的位移量最大值與最小值之間，且不接近最大值與最小值時，解調(diào)器給出“Medium”的評價。系統(tǒng)依據(jù)“Good”、“Bad”、“Medium”三個評價指標所進行的數(shù)據(jù)處理過程與立桿垂直度實時監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理原理相同，在此不在贅述。其架體位移實時監(jiān)測流程圖如圖6所示。

圖6架體整體位移實時監(jiān)測系統(tǒng)流程圖

2.3 節(jié)點處連接性能的實時監(jiān)測

(1) RFID傳感器標簽的選用。在監(jiān)測滿堂支撐架節(jié)點處連接性能時，應(yīng)選用RFID應(yīng)力傳感器標簽，其中，應(yīng)力傳感器采用的是全分布式光纖應(yīng)力傳感器，該傳感器充分利用光纖的應(yīng)力敏感性特征，能夠?qū)崿F(xiàn)不間斷的對作用在光纖上的振動力、應(yīng)力、壓力進行實時監(jiān)測，其具有高空間分辨率、實時動態(tài)和超出距離監(jiān)測等優(yōu)點，適用于各種復雜的作業(yè)環(huán)境[14]。

(2) 當量摩擦系數(shù)取值的確定。節(jié)點處連接性能的監(jiān)測依據(jù)是插銷A點處的當量摩擦系數(shù)值，當量摩擦系數(shù)可通過測量插銷最大應(yīng)力值獲取。因此通過將應(yīng)力傳感器標簽粘貼在插銷上，監(jiān)測插銷上的最大應(yīng)力值F，進而可得到A點處的當量摩擦系數(shù)f，用以判斷插銷是否出現(xiàn)向上滑移的現(xiàn)象。如圖7所示為插銷最大應(yīng)力與當量摩擦系數(shù)之間的關(guān)系曲線，可得出當量摩擦系數(shù)隨插銷最大應(yīng)力的增大而增大，當量摩擦系數(shù)在0.15～0.50之間時，其隨最大應(yīng)力增加而增長的速度較慢。當量摩擦系數(shù)在0.5～1.0之間時，其隨最大應(yīng)力增加而增長的速度較快。因此應(yīng)控制當量摩擦系數(shù)在0.5以內(nèi)，以減小插銷在彎矩作用下自楔緊阻力[15]。

圖7插銷最大應(yīng)力與當量摩擦系數(shù)的關(guān)系曲線

(3) 節(jié)點處連接性能監(jiān)測方案。滿堂支撐架節(jié)點處連接性能的實時監(jiān)測系統(tǒng)包括：RFID應(yīng)力傳感器標簽、RFID閱讀器、應(yīng)力傳感解調(diào)器、滿堂支撐架BIM 3D/4D模型數(shù)據(jù)庫。

在系統(tǒng)運行之前應(yīng)先把RFID應(yīng)力傳感器標簽附著在插銷上，并依據(jù)RFID讀寫器的最大輻射范圍制定出其在滿堂支撐架中的布置間距及最佳位置。其后續(xù)的監(jiān)測方案同立桿垂直度和架體整體位移監(jiān)測相同，在此不再贅述。

(4) 數(shù)據(jù)的處理。應(yīng)力傳感解調(diào)器解調(diào)節(jié)點處連接性能的原理是當A點處的當量摩擦系數(shù)值小于0.5時，解調(diào)器給出“Good”的評價。當A點處的當量摩擦系數(shù)值大于等于0.5時，經(jīng)解調(diào)器解調(diào)后給出“Bad”的評價。在解調(diào)器對節(jié)點處連接性能做出評價后，通過API應(yīng)用程序接口將解調(diào)后的數(shù)據(jù)添加到滿堂支撐架BIM 3D/4D模型數(shù)據(jù)庫中，當添加到數(shù)據(jù)庫中的信息為“Good”時，BIM模型中所對應(yīng)的節(jié)點呈現(xiàn)綠色。當添加到數(shù)據(jù)庫中的信息為“Bad”時，BIM模型中所對應(yīng)的節(jié)點呈現(xiàn)紅色。當節(jié)點模型呈現(xiàn)綠色時，BIM監(jiān)控中心不發(fā)出任何警告。當節(jié)點模型呈現(xiàn)紅色時，BIM監(jiān)控中心應(yīng)立即向施工現(xiàn)場發(fā)出嚴重警告，項目各參與方應(yīng)快速組織在線溝通、協(xié)同處理，并把處理方案轉(zhuǎn)達給相應(yīng)的現(xiàn)場管理人員，在現(xiàn)場管理人員對“紅色”節(jié)點按照處理方案進行處理后，RFID傳感器標簽也會隨之發(fā)生變化，繼續(xù)被讀寫器連續(xù)掃描，解調(diào)器進行當量摩擦系數(shù)信息解調(diào)，解調(diào)后的信息呈現(xiàn)在BIM模型中的節(jié)點為綠色為止，此時，完整的數(shù)據(jù)處理過程才算最終結(jié)束。

圖8節(jié)點處連接性能實時監(jiān)測系統(tǒng)流程圖

3 結(jié) 語

本文建立的滿堂支撐架工程安全控制點實時監(jiān)測系統(tǒng)有效集成了BIM和RFID兩項技術(shù)，從監(jiān)管使用階段對滿堂支撐架安全管理出發(fā)，在對安全控制點進行識別與分析的基礎(chǔ)上，從RFID傳感器標簽的選用、監(jiān)測方案、數(shù)據(jù)處理原理三個角度出發(fā)分別闡述了構(gòu)建立桿垂直度、架體整體位移、節(jié)點處連接性能三方面的實時監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過傳感解調(diào)器對傳感器標簽信息進行解調(diào)，并將解調(diào)后的信息呈現(xiàn)在滿堂支撐架BIM 3D/4D模型中，項目各參與方通過該模型可及時準確的查看滿堂支撐架各安全控制點狀況并進行安全預警和可視化的協(xié)調(diào)處理，對預防和控制滿堂支撐架坍塌事故的發(fā)生提供新的解決方式。此外，就目前而言，由于受到技術(shù)、經(jīng)濟、人力等各方面條件的限制，本研究內(nèi)容還存在許多不完善的地方。如RFID閱讀器、傳感解調(diào)器與BIM系統(tǒng)之間應(yīng)采用何種技術(shù)標準進行信息的無損的傳遞，各系統(tǒng)平臺之間在信息交互方式上應(yīng)采用直接交互還是采用中間文件格式交互的方式進行等。

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