基于信息化監(jiān)測的高大模架施工技術應用

王永祥

0 引言

隨著中國城市化進程逐步加快，群眾對建筑的各項要求越來越高，對大體量工程、高大空間及功能性用房的需求日益增長，導致建筑設計多樣、結構設計復雜，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源之一，常常因為高大模板支撐體系坍塌造成安全事故，引起大量人員傷亡并造成巨大的經濟損失，給社會帶來巨大的負面影響。雖然高大模架的相應規(guī)范要求及模架計算時的安全系數不斷提升和完善，但相對于高大模架的理論計算，且在施工過程中的監(jiān)控及預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，同時也得益于信息化監(jiān)測技術的發(fā)展，交底可視化、二維碼掃描、放樣機器人、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，實現了高大模架在實施過程中的定量化監(jiān)測。但高大模架區(qū)域結構及模架模型的建立、監(jiān)測點位的選擇、報警閾值的設定以及監(jiān)測傳感器的數據處理以及數據的分析尚未有統(tǒng)一的標準。依托于中國電建西部科創(chuàng)中心建設項目高大模架工程中信息化監(jiān)測技術的應用，本文設計制作了一種標準化、可拆卸、高周轉的高大模架監(jiān)測系統(tǒng)及裝置，對利用信息化手段實現高大模架安全施工進行了全面探究，最終形成了一套基于信息化監(jiān)測的高大模架施工技術[1]。

1 項目概況

中國電建西部科創(chuàng)中心建設項目，位于成都市天府新區(qū)正興街道寧波路西段南側和規(guī)劃嘉州路、崇德一路北側之間。項目凈用地面積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4層地下室，地上29層，建筑高度129.4m，項目以辦公為主，兼顧企業(yè)文化展覽館、多功能會議中心及商務酒店、商業(yè)服務，結構型式為框架-核心筒結構，首層大堂最高處凈高為17.55m。

2 超危大工程概況

根據2018年住房和城鄉(xiāng)建設部令第37號“危險性較大的分部分項工程安全管理規(guī)定”的相關要求，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)，施工單位應組織專家組對專項方案進行論證審查。工程涉及文件要求的危大工程內容如表1所示。

表1 項目危大工程清單

3 高大模架支撐體系設計

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，支撐體系搭設整體效果較好[2]。支模架立桿基礎均在相應的樓板，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，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)測技術原理

通過云平臺的數據連接可實現傳感和BIM模型的關聯，在高大模架的腳手架U托上設置傾角檢測器、壓力檢測器、位移檢測器等探測設備，將工地現場高大模架腳手架的傾斜數據、位移數據、壓力數據等實時采集記錄，然后通過移動網絡轉發(fā)到云端[3]。云平臺下載現場數據后，通過分析計算這些數據，將結果在平臺上以圖表等可視化的展現方式直觀展現給用戶。當測量值超過設定值時，系統(tǒng)就會自動觸發(fā)報警信號，并通過施工現場的聲光報警系統(tǒng)或者平臺發(fā)送消息，將報警信息傳給相應的管理人員。

5 施工要點

5.1 繪制高大模架區(qū)域結構及模架模型

根據結構施工圖繪制首層高大模架區(qū)域結構模型，根據專家論證后的《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 可視性強的特點，使方案交底及技術交底具體化，通過三維模型能真實再現施工過程，將每個施工細節(jié)通過三維軟件展現出來，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。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 掃描現場結構并根據現場情況調整模型

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

圖2 使用三維掃描儀掃描

5.4 監(jiān)測點位選擇

監(jiān)測點的選取主要考慮梁板結構中截面積大的位置、跨度最大的構件、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（如布料機架設位置）等。綜合以上因素，選取出需要監(jiān)測的點位，根據其特點，選取監(jiān)測點和監(jiān)測類型。如：對于截面尺寸最大的構件和活荷載最集中的構件位置，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，外部風荷載、布料機/布料管產生的沖擊荷載等因素，支撐體系整體容易產生水平的晃動，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，通過數據采集，獲得在正式作業(yè)環(huán)境下，支架產生的水平位移和水平壓力的大小，評估水平擾動對支架產生的影響。

5.5 報警閾值確定

對于臨時支撐體系的監(jiān)測，合理確定報警閾值是一項非常重要的過程。合理確定閾值后，可以在監(jiān)測儀表上設置基于此閾值的預警和報警參數。在混凝土澆筑的臨時支撐體系加載過程中，監(jiān)測儀表根據傳感器采集到的實時數據，與閾值比較，在接近或達到閾值時發(fā)出對應的聲光報警，以示提醒。實際工程中，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，決定了作用在對應下部臨時支撐體系的荷載以及產生的形變各有不同。需要根據工程實際進行詳細計算。根據本研究中研發(fā)的基于BIM的臨時支撐系統(tǒng)計算軟件，導入結構圖紙，通過軟件的自動建模和結構計算，經過反復優(yōu)化，計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桿件的豎向壓力、變形等。將優(yōu)化后計算出的值作為監(jiān)測點位傳感器預警的閾值，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)測點傳感器安裝

依據確定的傳感器安裝位置方案，進行監(jiān)測點傳感器的安裝。安裝過程穿插在支架的搭設過程。確保傳感器的安裝既不影響架體搭設，又不受架體搭設影響。采取必要的保護措施，保證傳感器和數字采集儀的安全運行。采用高精度傳感器和信息自動采集儀，實時捕捉監(jiān)測點位置信息，實時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的反應，通過報警器報警，實現實時監(jiān)測、超限預警、危險報警等監(jiān)測目標，保證工程施工過程中的安全和質量。主要傳感器設備如表2所示。

表2 主要傳感器設備表

5.7 監(jiān)測點數據初始化

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

5.8 基于物聯網的過程監(jiān)測

一切準備工作就緒后，在混凝土開始澆筑前啟動監(jiān)測系統(tǒng)進入監(jiān)測模式。隨著混凝土澆筑進程的推進，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據變化值通過無線傳輸的模式傳遞給數據采集儀，由于架體為鋼管網架，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，傳感器與數據采集儀的數據通信采用433Mhz的通信模式進行，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據采集儀和傳感器的距離（半徑距離小于100m）需要。數據采集儀能夠對采集到的各傳感器數據進行比對，當比對結果超出前期植入的閾值時，數據采集儀會向安裝于架體的聲光報警器發(fā)出指令，聲光報警器會提醒作業(yè)人員進行問題排查。由于數據采集儀的數據采集密度較大，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時了解各桿件的受力是否超出設計值。

5.9 監(jiān)測數據與BIM輕量化平臺掛接

數據采集儀接收到各傳感器的數據并進行數據分析的同時，會將各數據通過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、靜荷載作用下產生的傾斜形變和位移狀態(tài)進行全方位監(jiān)測，數據采樣以毫秒為單位，基于GPRS的數據發(fā)送以秒為單位，將采樣數據自動發(fā)送至BIM可視化平臺，以三維立體的形式展示建筑內部各個物聯網設備的運行狀態(tài)，做到精確定位。通過物聯網平臺的分布式存儲機制，基于hash算法以散列的形式存儲物聯網數據，并以三維模型特征算法為基礎，提取位置坐標與BIM模型相結合，顯示在物聯網數據中。物聯網平臺與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虛實結合的地理位置信息，并在三維點位上，立體式的展現物聯網數據的各種狀態(tài)。通過基于BIM模型的系統(tǒng)平臺軟件對監(jiān)測點位的數據進行曲線分析，真正實現了物聯網監(jiān)測數據與BIM模型的深度融合。

5.10 數據分析

根據采集到的各點位的傳感器數據，結合基于BIM的結構驗算，考慮實際的材料類型、施工環(huán)境、荷載條件等因素影響，對比在施工工況下，支撐體系的真實應力應變，進一步驗證結構計算的取值模式與真實情況的差距，定性分析出影響支架安全的主要因素，為后續(xù)施工中進一步優(yōu)化支撐體系結構布局，加強支撐體系的安全性，兼顧經濟性等方面提供技術支持[4]。

6 質量措施要點

6.1 質量控制規(guī)范

腳手架工程施工質量及安全生產按照以下規(guī)定進行驗收：《鋼管腳手架扣件》（GB15831-2006）[5]；《建筑施工高處作業(yè)安全技術規(guī)范》（JGJ80-2016）[6]；《建筑施工模板安全技術規(guī)范》（JGJ162-2008）[7]；《建筑施工臨時支撐結構技術規(guī)范》（JGJ300-2013）[8]；《建筑施工碗扣式鋼管腳手架安全技術規(guī)范》（JGJ166-2016）[9]；《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規(guī)范》（JGJ130-2011）[10]。

6.2 質量控制要求

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

6.3 質量保證措施

（1）高大模架應具有完整的圖紙、工藝文件、產品標準和產品質量檢驗標準；制作單位應有完善的質量管理體系；（2）失靈傳感器進行及時的處理，維修后無法達到質量要求的廢棄處理；（3）檢測設備出廠前應按相關標準進行檢驗，構配件出廠前應提供出廠合格證。

7 安全措施要點

（1）在施工現場顯著位置公告危大工程名稱、施工時間和具體責任人員，并在危險區(qū)域設置安全警示標志；（2）專項施工方案實施前，編制人員或者項目技術負責人應當向施工現場管理人員進行方案交底；（3）對危大工程施工作業(yè)人員進行登記，項目負責人在施工現場履職；（4）項目專職安全生產管理人員對專項施工方案實施情況進行現場監(jiān)督，對未按照專項施工方案施工的，應當要求立即整改，并及時報告項目負責人，項目負責人應當及時組織限期整改；（5）對危大工程進行施工監(jiān)測和安全巡視，報警器報警等發(fā)現危及人身安全的緊急情況，應當立即組織作業(yè)人員撤離危險區(qū)域。

8 結論

施工過程中的定量化監(jiān)控及預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)測技術的有機結合，合理地建立高大模架信息化模型、布設各類監(jiān)控傳感器、設定報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施。此項技術對高大模架施工安全管理意義重大，具有良好的引領和示范作用。