基于大層高下板厚檢測裝置的改進(jìn)設(shè)計

吳玉龍，孫 晨，顧 盛，張 軍，劉以龍，路宗南

（1.昆山市建設(shè)工程質(zhì)量檢測中心，江蘇 昆山 215337；2.南京理工大學(xué)理學(xué)院，江蘇 南京 210094）

0 引言

樓板厚度對混凝土結(jié)構(gòu)工程的安全與使用有非常重要的作用，因此，在混凝土主體結(jié)構(gòu)施工完成后，結(jié)構(gòu)實(shí)體的樓板厚度檢測結(jié)果是評定施工質(zhì)量的主要參數(shù)之一［1］。樓板厚度偏大或偏小都會給建筑物帶來不利影響：一方面，若樓板厚度偏小，則可能會導(dǎo)致樓面承載力不足、樓板的彈性增加而引發(fā)樓板的震動較大以及影響隔音、隔熱、防水等一系列問題；另一方面，若樓板厚度偏大，則不僅造成混凝土用量的浪費(fèi)，還會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)自重加大進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)性能等諸多問題［2］。此外，只要樓板厚度不符合設(shè)計要求，都可能引起跨中撓度的變化，成為樓板開裂的原因之一［3］。同時，很可能直接導(dǎo)致質(zhì)量驗(yàn)收“不合格”，從而帶來直接或間接的經(jīng)濟(jì)損失。因此，做好板厚檢測工作尤為重要，尤其是隨著新興建筑層高的不斷增加，如何保證其板厚檢測的安全性、準(zhǔn)確性和效率是一個工程難題。

1 技術(shù)現(xiàn)狀及存在的問題

目前，現(xiàn)有樓板厚度檢測類型主要分有損與無損檢測兩種，常用的方法具體有局部破損測量法和儀器無損檢測法等。這些方法在一定程度上都能實(shí)現(xiàn)樓板厚度的檢測，存在各自的優(yōu)勢。但在實(shí)際檢測中，對于層高較大的大型混凝土結(jié)構(gòu)廠房和辦公樓大廳，以上方法都逐漸暴露出顯著的缺陷和不足，在檢測的安全性、數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和檢測效率上都不能獲得保證。

1.1 局部破損測量法

局部破損測量法是對樓板進(jìn)行鉆孔后，采用鋼卷尺測量板厚的方法。該方法也是符合驗(yàn)收規(guī)范要求的一種檢測方法，具有原理簡單、操作便捷、檢測過程直觀的特點(diǎn)，其檢測原理和現(xiàn)場檢測實(shí)拍如圖 1～2 所示。然而，由于該方法在進(jìn)行板厚檢測前，需要預(yù)先對樓板進(jìn)行鉆孔或開洞，因此，檢測效率低且屬于一種有損檢測的方法［4］。同時，為了保證尺具能夠順利進(jìn)入洞口且滿足便于觀察讀數(shù)的要求，一般都需要開設(shè)直徑 50 mm 以上的洞口。因此，便不可避免地會傷及樓板結(jié)構(gòu)，即造成樓板的剛度下降，承載能力下降，有時甚至可能會破壞樓板內(nèi)的受力鋼筋而導(dǎo)致對結(jié)構(gòu)更大的損傷。這樣的樓板在使用過程中，一方面，若荷載超重且集中于樓板損傷部位附近，可能會造成出現(xiàn)樓板受力裂縫甚至斷裂，危及人身安全；另一方面，樓板開洞后，破壞了混凝土的自防水性能，即使采取修補(bǔ)措施也不可能達(dá)到初始的抗?jié)B效果，容易引發(fā)后續(xù)的樓面滲漏等問題。

圖1 檢測原理示意

圖2 現(xiàn)場檢測實(shí)拍

此外，一方面，在對樓板進(jìn)行鉆孔或開洞過程中，常常因鉆頭磨鈍、鉆孔打滑等問題引起鉆頭偏心而造成鉆頭與孔壁摩擦，常常造成所鉆的孔存在傾斜問題，使得采用鋼卷尺檢測時致使板厚檢測結(jié)果偏大；另一方面，也常出現(xiàn)洞口底部爆孔的情況，孔洞的下方邊緣出現(xiàn)破損，底部附近的孔洞直徑大于預(yù)設(shè)直徑。這將導(dǎo)致鋼卷尺勾連孔洞底部時，實(shí)際的零點(diǎn)位于板底的上方某一位置，最終致使板厚檢測結(jié)果偏小。另外，檢測時，鋼卷尺緊貼孔洞邊緣本身也是比較困難的，造成檢測誤差；由于孔洞上沿與鋼卷尺的交點(diǎn)位于樓面水平面，目視讀數(shù)為斜視，存在較大的人為讀數(shù)誤差等。因此，該方法多用于樓板本身就設(shè)置有洞口的板厚抽樣粗測，因其檢測準(zhǔn)確性和效率較低等缺點(diǎn)，故不太適用于檢測量較大而數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性要求較高的板厚檢測。

1.2 儀器無損檢測法

儀器無損檢測法是利用板厚檢測儀進(jìn)行樓板厚度檢測。板厚檢測儀是基于電磁波運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)原理和現(xiàn)代電子技術(shù)而形成的一種檢測裝置［5］。板厚檢測儀主要由信號發(fā)射和接收、信號處理和信號顯示等單元組成，發(fā)射探頭置于樓板底面，接收探頭置于樓板頂面，當(dāng)接收探頭接收到發(fā)射探頭電磁信號后，信號處理單元根據(jù)電磁波的運(yùn)動學(xué)特性進(jìn)行分析，自動計算出發(fā)射到接收探頭的距離，該距離即為測試樓板的厚度，如圖 3～5 所示。該檢測方法是目前應(yīng)用最廣泛、也是檢測效果最好的樓板厚度檢測手段之一，具有檢測范圍大、檢測效率高和結(jié)果準(zhǔn)確性高等顯著優(yōu)點(diǎn)。通常情況下，檢測人員只需手持延伸桿將發(fā)射探頭伸至樓板底面并與之貼合緊密，配合樓板頂面的接收探頭就可以實(shí)現(xiàn)板厚的精準(zhǔn)測量。

圖3 檢測原理示意

圖4 頂桿現(xiàn)場實(shí)拍

圖5 現(xiàn)場檢測實(shí)拍

然而，由于目前新興的混凝土結(jié)構(gòu)廠房或辦公樓的一層大廳時常會出現(xiàn)大層高的情況，檢測人員需要搭建腳手架以此滿足發(fā)射探頭抵接樓板底面的要求，而這恰恰引發(fā)了諸多的問題。首先，檢測人員需站在所搭建的臨時腳手架上進(jìn)行頂桿，因?qū)痈咻^大，腳手架需要搭設(shè)多層、高度大且不可能設(shè)置一些與地面或墻面的支撐，而在這樣的條件下進(jìn)行操作十分危險，無法保證檢測人員的人身安全；其次，由于無穩(wěn)定支撐而引起的腳手架晃動會導(dǎo)致立于其上的檢測人員手持頂桿不穩(wěn)，致使發(fā)射探頭與板底接觸不穩(wěn)定且貼合不緊密，從而影響接收探頭的信號接收而造成測量結(jié)果的準(zhǔn)確性降低；最后，根據(jù) GB 50204－2015《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》，樓板厚度檢測項目需在所測樓板對角線方向上布置 3 個測點(diǎn)［6］，因此，在完成第一個測點(diǎn)的檢測工作后，需要將搭建的腳手架進(jìn)行拆除并移至下一個測點(diǎn)進(jìn)行再次測量，如此重復(fù)至 3 個測點(diǎn)全部檢測完畢，而此番多次腳手架的搭拆和檢測無疑會使上述風(fēng)險出現(xiàn)概率加倍，同時檢測效率也大大降低。

2 無人機(jī)與板厚檢測儀融合設(shè)計

近年來，隨著高新科技的迅速發(fā)展，“智慧檢測”的理念深入人心［7］，無人機(jī)在工程建設(shè)領(lǐng)域的應(yīng)用不斷獲得推廣，很多行業(yè)依靠無人機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了安全和效率的提升。無人機(jī)具有體積較小、靈活機(jī)動、快速高效、作業(yè)成本低、作業(yè)范圍廣等優(yōu)勢［8］，可根據(jù)不同的工程需要搭載不同設(shè)備來滿足現(xiàn)場實(shí)際需求。在此基礎(chǔ)上，經(jīng)筆者實(shí)地調(diào)研和深入研究相關(guān)規(guī)范，利用無人機(jī)的自身優(yōu)勢，將無人機(jī)與板厚檢測儀進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，擬將其應(yīng)用于目前大層高的樓板厚度檢測場景中，以克服現(xiàn)有方法無法保證人員安全、檢測效率較低、結(jié)果準(zhǔn)確性低等缺陷，解決在板厚檢測時所遇到的工程難題。

2.1 融合模型的構(gòu)建

融合模型主要包括四懸翼無人機(jī)、發(fā)射探頭、接收探頭以及測量儀等設(shè)備，整體融合模型的構(gòu)造示意如圖 6 所示，模型構(gòu)造具體分解如下［9］。

圖6 融合模型的構(gòu)造示意

1）首先，在無人機(jī)本體上方設(shè)置十字對稱型的搭載架，在搭載架的其中一個延伸臂上設(shè)置安裝發(fā)射探頭，以無人機(jī)中心為基點(diǎn)，將與發(fā)射探頭等重的配重物均勻設(shè)置安裝于其余 3 個延伸臂上，保證整個模型的重心與無人機(jī)本體重合。

2）其次，在無人機(jī)的旋翼部分安裝保護(hù)支架；在發(fā)射探頭搭載架的側(cè)表面安裝緩沖彈片。

3）最后，在發(fā)射探頭對應(yīng)的搭載架上設(shè)置安裝接近傳感器和指示燈；在配重物內(nèi)部分別設(shè)置安裝 LED 照明單元和拍攝單元，LED 照明單元與拍攝單元朝向發(fā)射探頭頂部設(shè)置。

2.2 融合模型的可行性分析

將無人機(jī)與板厚檢測儀進(jìn)行融合以實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，解決板厚檢測儀應(yīng)用在大層高場景下的問題，這看似容易，實(shí)則需要考慮諸多問題。在構(gòu)建模型的過程中，需要分析這種構(gòu)建方式能否滿足無人機(jī)安全和穩(wěn)態(tài)飛行的要求以及能否滿足板厚檢測的規(guī)范要求等核心要點(diǎn)。因此，本節(jié)將從飛行穩(wěn)定性、操作安全性和檢測規(guī)范性等 3 個方面對無人機(jī)與板厚檢測儀的融合模型進(jìn)行詳細(xì)論述，以論證其具有可行性且能夠滿足現(xiàn)場板厚檢測的要求。

2.2.1 飛行穩(wěn)定性

在構(gòu)建融合模型時，搭載有板厚檢測儀的無人機(jī)能否飛行穩(wěn)定是可行性分析中的第一步，飛行時無人機(jī)的載重問題是影響無人機(jī)飛行穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。本模型采用的無人機(jī)額外載重約為 5 kg（不包括自重）。原因如下：其一，發(fā)射探頭經(jīng)實(shí)際稱重為 0.7 kg，如圖 7 所示；其二，為了不改變四懸翼無人機(jī)的重心位置，其他 3 個配重物質(zhì)量均設(shè)置為 0.7 kg，共計 2.8 kg，以此滿足無人機(jī)的各向受力平衡的要求；其三，發(fā)射探頭搭載系統(tǒng)中的搭載架為輕型金屬材料，質(zhì)量約為 1 kg。因此，本模型的搭載總重量約為 3.8 kg，不足 5 kg，滿足無人機(jī)的載重要求，不會對其飛行性能產(chǎn)生影響，無人機(jī)能夠正常地安全穩(wěn)定飛行。

圖7 發(fā)射探頭稱重

2.2.2 操作安全性

本融合模型的操作安全性，主要從設(shè)備安全性和檢測人員安全性兩個方面考慮，分析如下。

1）設(shè)備安全性。無人機(jī)在可以穩(wěn)定起飛后，需考慮無人機(jī)在室內(nèi)飛行過程是否安全。首先，設(shè)計時，之所以考慮無人機(jī)本體上安裝旋翼保護(hù)支架，是為了降低與障礙物發(fā)生偶然撞擊下對旋翼的沖擊力，有效保護(hù)無人機(jī)，不至于發(fā)生墜機(jī)事故；其次，為了避免四懸翼無人機(jī)因操作不當(dāng)或速度過快而造成猛烈撞擊墻體等風(fēng)險，故在發(fā)射探頭對應(yīng)的搭載架上設(shè)置安裝了接近傳感器和指示燈。指示燈設(shè)置在搭載架底部，接近傳感器觸發(fā)指示燈發(fā)光，如圖 8 所示。檢測人員可以通過指示燈的閃爍狀態(tài)，判斷是否接近樓板底部，若指示燈發(fā)光并保持常亮，則代表無人機(jī)已接近樓板底部，此時警示檢測人員應(yīng)降低無人機(jī)的飛行速度，合理控制飛行速度，使得無人機(jī)緩慢貼近樓板底部。

圖8 傳感器與指示燈的位置示意

此外，為了避免因操作失誤導(dǎo)致無人機(jī)速度過快撞擊樓板周邊墻體，在發(fā)射探頭對應(yīng)的搭載架側(cè)表面上還設(shè)置安裝了緩沖彈片，使得無人機(jī)在靠近墻面時，先由緩沖彈片與墻體接觸，以降低無人機(jī)撞擊墻體的沖擊力，起到有效保護(hù)發(fā)射探頭及整個設(shè)備的作用，通過保護(hù)措施盡可能降低因人為操作失誤而帶來的風(fēng)險，確保飛行安全。

2）人員安全性。使用該模型人員安全性同樣不容忽視。該模型采用四懸翼無人機(jī)托載發(fā)射探頭替代人工頂桿的方式，避免了檢測人員站立在很高的、不穩(wěn)固的多層腳手架上的頂桿操作，解除了安全風(fēng)險源。就無人機(jī)而言，目前相關(guān)技術(shù)已日趨成熟，其自身的安全系統(tǒng)也得到權(quán)威性認(rèn)證，可靠性高。同時，無人機(jī)行業(yè)對操作人員的技能有嚴(yán)格要求，需要進(jìn)行專業(yè)培訓(xùn)并通過考核才可獲得駕駛證，從事無人機(jī)的專業(yè)工作。因此，經(jīng)專業(yè)培訓(xùn)后，操控?zé)o人機(jī)的過程是安全可靠的，基本不會傷及操作人員自身和其他人員。

2.2.3 檢測規(guī)范性

在保證無人機(jī)飛行穩(wěn)定性與操作安全性后，非常關(guān)鍵的一個問題是：采用該模型進(jìn)行板厚檢測能否滿足相關(guān)規(guī)范的要求。這主要涉及到兩個問題：一是，能否滿足測點(diǎn)位置的要求；二是，能否實(shí)現(xiàn)發(fā)射探頭與板底的有效抵接。

1）在融合模型的設(shè)計中，為解決上述第一個問題，進(jìn)行了特殊的設(shè)計。將發(fā)射探頭的位置從無人機(jī)中心移至搭載架的延伸臂的末端，主要考慮是，若將發(fā)射探頭設(shè)置在中心位置，雖可以免除設(shè)置其余配重物而減輕整體模型重量，但在檢測兩角測點(diǎn)時，因發(fā)射探頭距無人機(jī)邊緣距離較大，無法移動至角測點(diǎn)的相應(yīng)位置，即無法滿足規(guī)范要求。而設(shè)置在延伸臂的末端則能夠滿足規(guī)范對角測點(diǎn)的要求。即此構(gòu)造設(shè)計可以使得無人機(jī)所搭載的發(fā)射探頭盡可能地靠近邊緣，能夠?qū)o人機(jī)飛行至角測點(diǎn)的相應(yīng)位置，保證板厚角測點(diǎn)位置的規(guī)范性，如圖 9 所示。

圖9 發(fā)射探頭安裝位置原理示意

2）針對第二個問題，在模型設(shè)計時同樣予以了考慮，甚至把一些比較極端的情況也考慮其中。如在遇到光線較暗的樓板夾角處時，可分別利用配重物內(nèi)部的 LED 照明單元和拍攝單元功能保證板厚檢測的規(guī)范性：LED 照明單元對著發(fā)射探頭與樓板的接觸部位進(jìn)行照射，補(bǔ)足夾角處的光線強(qiáng)度，避免因光線較暗、觀察不清而導(dǎo)致發(fā)射探頭與其貼合不緊密等情況，進(jìn)而采取微調(diào)操作以保證檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。利用拍攝單元功能，通過無人機(jī)拍攝的畫面，能夠直觀地觀察樓板底部情況，有效解決因距離大而導(dǎo)致的肉眼觀察困難等問題。

3 操作方法

針對上述無人機(jī)與板厚檢測儀的融合模型，為方便工程技術(shù)人員更清晰地了解該模型并開展后續(xù)的應(yīng)用，筆者總結(jié)了該模型的操作方法，分解如下。

1）飛行至測點(diǎn)相應(yīng)位置。首先整體檢查四旋翼無人機(jī)的系統(tǒng)狀態(tài)，如電量、遙感器信號、指南針狀態(tài)等，確認(rèn)無誤后啟動無人機(jī)，檢測人員通過無人機(jī)遙控器將搭載設(shè)備的無人機(jī)平穩(wěn)地飛向樓板底部，在到達(dá)測點(diǎn)位置下方附近時，進(jìn)行懸停操作。觀察四周情況，確認(rèn)安全后，適當(dāng)加大無人機(jī)直線上升速度，使發(fā)射探頭穩(wěn)固抵接在樓板底部的測點(diǎn)相應(yīng)位置。此過程需要注意的是，一方面，在無人機(jī)直線上升時，應(yīng)時刻注意指示燈的閃爍狀態(tài)來判斷無人機(jī)是否接近板底，時刻準(zhǔn)備降低無人機(jī)上升速度，避免無人機(jī)撞擊板底而帶來的危險；另一方面，若遇到因光線較暗而不利觀察的情況時，需立刻開啟 LED 照明和拍攝單元，通過操作顯示屏來觀察發(fā)射探頭與板底貼合情況，避免因光線較暗、板底粗糙不平而造成貼合不緊，進(jìn)而影響檢測準(zhǔn)確性的問題。

2）測點(diǎn)信號接收及檢測。當(dāng)無人機(jī)所搭載的發(fā)射探頭緊密貼合在板底的測點(diǎn)相應(yīng)位置后，通過發(fā)射探頭發(fā)射電磁信號，板面上方的檢測人員利用板厚測量儀在樓面上的測點(diǎn)附近前后左右來回移動以接收信號，待測量儀顯示屏上顯示的數(shù)值為最小值時停止，該數(shù)值即為所抽檢樓板該測點(diǎn)的樓板厚度實(shí)測值。

3）完成1）、2）步驟后，即代表第一個測點(diǎn)的檢測工作完畢，隨后控制無人機(jī)直線下降的速度，使無人機(jī)平穩(wěn)地遠(yuǎn)離樓板底部，再參照上述步驟完成剩余所有測點(diǎn)的檢測工作。

總而言之，該模型的操作方法包括飛行與檢測兩部分，相較現(xiàn)有檢測方法，在操作方式上對“儀器無損檢測法”進(jìn)行了改進(jìn)，巧妙地將頂桿的主體由人轉(zhuǎn)變?yōu)闊o人機(jī)，使得檢測人員無需站立在腳手架上進(jìn)行頂桿，只需操控?zé)o人機(jī)飛行至測點(diǎn)的相應(yīng)位置，即可完成檢測。該操作方法簡單明了，在保證檢測人員安全的同時，提高了板厚檢測的效率。

4 結(jié)論

針對現(xiàn)有板厚檢測方法不能滿足大層高建筑物場景下的要求，存在較低的檢測安全性、準(zhǔn)確性和效率等問題，本文利用無人機(jī)具備的自身優(yōu)勢，將其與板厚檢測儀進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，設(shè)計和構(gòu)建了兩者的融合模型，并從飛行穩(wěn)定性、操作安全性和檢測規(guī)范性等三方面分析和論證了將其應(yīng)用于板厚檢測的可行性，能夠有效地克服現(xiàn)有方法的不足，并取得了如下結(jié)論。

1）該模型能夠有效解決目前大層高場景下板厚檢測的工程難題，利用無人機(jī)搭載設(shè)備的方式，使得檢測人員無需反復(fù)搭設(shè)并攀爬腳手架，保證了人員的安全性；利用無人機(jī)飛行將發(fā)射探頭與板底穩(wěn)定抵接，避免了于高位人工頂桿造成發(fā)射探頭的晃動，有效提高了檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性；利用飛行操作實(shí)現(xiàn)了測點(diǎn)間的快速切換，大大提高了檢測效率。

2）該模型的設(shè)計能夠拓展無人機(jī)在工程質(zhì)量檢測領(lǐng)域的應(yīng)用，為廣大工程檢測人員提供了一個檢測創(chuàng)新思路，符合目前建筑行業(yè)的數(shù)字化、智能化趨勢及“智慧檢測”的理念。