裝配式建筑施工中的智能傳感技術(shù)應用研究

摘 要：智能傳感技術(shù)作為一種實時、高效的檢測手段，能夠?qū)ρb配式建筑施工過程中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)進行精準采集和動態(tài)分析，有效保障施工質(zhì)量和安全性。本研究構(gòu)建了智能傳感技術(shù)在裝配式建筑施工中的應用框架，分析了多傳感器集成、數(shù)據(jù)融合、動態(tài)監(jiān)測等關(guān)鍵技術(shù)，提出基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的施工過程優(yōu)化方法，建立了智能化的質(zhì)量和安全監(jiān)測系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：裝配式建筑施工；智能傳感技術(shù)；多傳感器集成；數(shù)據(jù)驅(qū)動；過程優(yōu)化

1 前言

隨著建筑行業(yè)的快速發(fā)展，裝配式建筑因其高效、環(huán)保、節(jié)能的特點，逐漸成為建筑施工領(lǐng)域的重要趨勢，特別是在提高建筑質(zhì)量和施工效率方面具有顯著優(yōu)勢。裝配式建筑施工過程的復雜性及其對精準安裝和施工質(zhì)量的高要求，使得傳統(tǒng)施工監(jiān)測手段難以完全滿足精確控制和實時反饋的需求。在裝配式建筑施工中，構(gòu)件的連接精度、結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及安裝過程的實時監(jiān)測都直接關(guān)系到最終建筑的安全性和耐久性，因此對施工全過程的監(jiān)測、質(zhì)量管控和施工效率優(yōu)化提出了更高的要求。

2裝配式建筑施工中智能傳感技術(shù)的應用框架

2.1智能傳感技術(shù)在裝配式建筑中的應用模式

智能傳感技術(shù)通過在建筑施工現(xiàn)場布置多種類型的傳感器，實時監(jiān)測、采集并分析施工過程中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。在裝配式建筑施工中，智能傳感技術(shù)主要用于現(xiàn)場監(jiān)測，通過傳感器記錄裝配式建筑構(gòu)件在運輸、吊裝、對接和安裝等環(huán)節(jié)中的狀態(tài)信息，如位置、角度、應力和溫度等物理參數(shù)。這種實時監(jiān)測有助于及時發(fā)現(xiàn)施工過程中的偏差與異常情況，從而保障施工質(zhì)量和進度。動態(tài)反饋則基于監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用系統(tǒng)平臺反饋給施工管理人員，以便進行必要的調(diào)整與優(yōu)化，確保施工質(zhì)量符合設計要求。數(shù)據(jù)驅(qū)動則是依托傳感器持續(xù)提供的實時數(shù)據(jù)，為施工全流程的控制、預測和優(yōu)化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，逐步形成可用于指導未來施工的最佳實踐模型[1]。

2.2傳感器選型、布置和數(shù)據(jù)采集體系

常用的傳感器包括位移傳感器、傾角傳感器、應力傳感器，以及溫度和濕度傳感器等。位移傳感器適用于監(jiān)測構(gòu)件的移動距離和安裝精度；傾角傳感器用于監(jiān)測構(gòu)件在吊裝和安裝過程中的角度變化，以確保構(gòu)件的垂直度和穩(wěn)定性；應力傳感器用于檢測構(gòu)件的受力情況，評估結(jié)構(gòu)的承載狀態(tài)；溫度和濕度傳感器用于實時監(jiān)控施工現(xiàn)場的環(huán)境參數(shù)，以保證環(huán)境條件符合施工要求。

2.3數(shù)據(jù)傳輸、處理與決策支持的系統(tǒng)架構(gòu)

數(shù)據(jù)處理中心主要完成數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析和可視化任務。數(shù)據(jù)清洗過程中，使用基于信號處理的濾波算法對異常數(shù)據(jù)進行剔除，確保數(shù)據(jù)的準確性。在數(shù)據(jù)分析環(huán)節(jié)，系統(tǒng)采用基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的決策支持模型，能夠根據(jù)實時數(shù)據(jù)對施工過程提供優(yōu)化建議，幫助施工人員快速做出決策。當監(jiān)測到構(gòu)件安裝過程中角度偏差超出允許范圍時，系統(tǒng)會觸發(fā)預警提示，并給出最佳的調(diào)節(jié)方案。此外，在系統(tǒng)架構(gòu)中，傳感器網(wǎng)絡層負責傳感數(shù)據(jù)的采集和上傳，數(shù)據(jù)傳輸層確保數(shù)據(jù)在施工環(huán)境中的快速穩(wěn)定傳輸，數(shù)據(jù)處理層則包括數(shù)據(jù)清洗、分析和可視化等步驟。

3智能傳感技術(shù)在裝配式施工過程監(jiān)測中的關(guān)鍵技術(shù)

3.1多傳感器集成與實時數(shù)據(jù)同步技術(shù)

在多傳感器集成技術(shù)中，網(wǎng)絡化布置指的是根據(jù)傳感器在施工現(xiàn)場的空間分布進行合理布局，以確保各個關(guān)鍵環(huán)節(jié)的監(jiān)測覆蓋。傳感器應覆蓋裝配式建筑施工中的多個環(huán)節(jié)，如構(gòu)件吊裝、安裝和對接等。例如，位移傳感器用于監(jiān)測構(gòu)件的精準對接，傾角傳感器用于監(jiān)測安裝角度的準確性，應力傳感器則用于實時監(jiān)測構(gòu)件的受力情況。協(xié)議統(tǒng)一是指不同傳感器的數(shù)據(jù)傳輸需采用兼容的協(xié)議，應用Modbus或CAN等協(xié)議以保證不同傳感器的數(shù)據(jù)能夠在同一平臺中兼容解析[2]。

3.2動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)融合與分析

動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合通常采用卡爾曼濾波、貝葉斯估計等算法進行融合。以鋼梁安裝的動態(tài)監(jiān)測為例，安裝過程中，位移傳感器記錄鋼梁的位置變化，傾角傳感器記錄角度變化，應力傳感器監(jiān)測受力狀態(tài)。假設實時監(jiān)測數(shù)據(jù)如下：位移2 mm、傾角1.5°、應力變化12 MPa。數(shù)據(jù)融合算法對這三項數(shù)據(jù)進行權(quán)重計算，判斷是否在安全范圍內(nèi)。卡爾曼濾波將各項傳感器數(shù)據(jù)誤差修正后，計算出綜合的鋼梁安裝狀態(tài)為1（偏差超限），系統(tǒng)自動觸發(fā)預警，提醒施工人員調(diào)整安裝策略，確保安裝精度。

3.3智能檢測技術(shù)在施工安全和質(zhì)量監(jiān)測中的應用

施工安全監(jiān)測領(lǐng)域廣泛應用了智能檢測技術(shù)，實時感知的對象包括應力、位移和環(huán)境參數(shù)等，是潛在風險識別的關(guān)鍵。通過智能檢測技術(shù)，傳感器自動采集分析數(shù)據(jù)成為可能，在異常情況下立即觸發(fā)報警，進一步提升了施工安全的動態(tài)響應力。當來到樓板安裝施工階段，構(gòu)筑物中會看到已經(jīng)配置好的用于實時監(jiān)管受力、位移以及溫濕度等因素的應力傳感器、位移傳感器和溫濕度傳感器。當應力傳感器檢測到樓板受力為50 MPa，位移變化為3 mm，并且濕度超過75%時，系統(tǒng)會自動報警，提示施工人員注意調(diào)整安裝壓力，以避免結(jié)構(gòu)變形造成的安全隱患。

4裝配式建筑施工智能化過程中的數(shù)據(jù)分析與優(yōu)化方法

4.1數(shù)據(jù)預處理、濾波與異常檢測技術(shù)

裝配式建筑施工智能化過程中，針對數(shù)據(jù)預處理去噪常用的技術(shù)是滑動平均和中值濾波，其能有效去除測量過程中環(huán)境或傳感器本身所導致的偶發(fā)噪聲。濾波技術(shù)則采用卡爾曼濾波和低通濾波，以消除數(shù)據(jù)中的高頻噪聲并保留數(shù)據(jù)的主要特征，有助于精準反映施工狀態(tài)。針對異常檢測常用的方法中，孤立森林算法能夠?qū)Χ嗑S數(shù)據(jù)的異常值進行檢測，判斷其是否偏離正常范圍。

4.2施工進程中的數(shù)據(jù)驅(qū)動模型與智能算法

時間序列分析、回歸模型和神經(jīng)網(wǎng)絡等技術(shù)皆為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)驅(qū)動模型，能反映施工過程中應力、位移和溫濕度等的變化趨勢。如ARIMA和LSTM這樣的時間序列模型有預測未來狀態(tài)之可能，所以施工策略得以優(yōu)化。智能算法就是在數(shù)據(jù)驅(qū)動模型的基礎(chǔ)上進行施工過程預測和實時決策的。以應力監(jiān)測為例，應用ARIMA模型構(gòu)建的預測公式為：

=c+φ1Yt-1+φ2Yt-2+…+φpYt-p+θ1∈t-1+θ2∈t-2+…+θq∈t-q

其中，" " "為預測應力值，φ1和θ1分別為自回歸系數(shù)和移動平均系數(shù)，∈表示白噪聲。

4.3基于數(shù)據(jù)分析的施工過程優(yōu)化策略

裝配式建筑施工在優(yōu)化前常會面臨安裝精度不足、對接誤差過大等問題，這都直接影響著施工的質(zhì)量和進度。數(shù)據(jù)分析之后，每一個步驟的偏差數(shù)據(jù)均由系統(tǒng)實時監(jiān)控，并生成優(yōu)化建議以實現(xiàn)精細化施工。優(yōu)化前后施工數(shù)據(jù)對比見表1。

表1展示了裝配式建筑施工優(yōu)化前后的位移偏差和角度偏差對比數(shù)據(jù)，反映了智能化監(jiān)測與數(shù)據(jù)反饋優(yōu)化策略對施工精度的顯著提升[3]。

5智能傳感技術(shù)應用的效果評價與優(yōu)化

5.1施工質(zhì)量與結(jié)構(gòu)安全性的智能監(jiān)測效果評價

智能傳感技術(shù)的應用為裝配式建筑施工帶來顯著提升，不僅施工質(zhì)量得到保證，結(jié)構(gòu)安全性監(jiān)測的精度與效率也大有進步。通過持續(xù)監(jiān)測位移、角度和應力數(shù)據(jù)的傳感器，實時對照設計參數(shù)進行比較，提供及時準確的偏差反饋。特別之處在于，在吊裝環(huán)節(jié)中，智能傳感技術(shù)成功將位移偏差降至2 mm以內(nèi)，并將角度偏差控制在1°以下。偏差一旦超過預設閾值，驅(qū)動系統(tǒng)就自動發(fā)出警報并提示糾正措施，以實現(xiàn)對施工質(zhì)量的高精度控制?？偟膩碚f，智能監(jiān)測能夠在構(gòu)件應力、溫度和濕度等關(guān)鍵指標上實時反饋結(jié)構(gòu)安全性。

5.2智能傳感技術(shù)在施工效率提升中的作用評估

智能傳感器能夠?qū)崟r反饋施工進程和構(gòu)件狀態(tài)，幫助管理人員進行精準的進度控制和資源配置。在鋼結(jié)構(gòu)安裝過程中，系統(tǒng)自動檢測構(gòu)件的對接情況，消除可能存在對接誤差和安裝偏差等問題的耗時人工檢查，并直接將對接時間從6小時縮短至4小時。具體數(shù)據(jù)顯示，未使用智能傳感技術(shù)前，施工周期通常需要300小時，平均每小時需人工檢查5次，而應用智能傳感技術(shù)后，施工周期縮短至250小時，人工檢查次數(shù)減少至每小時1次。在人員需求上，傳統(tǒng)監(jiān)測方式需5～7人負責實時檢查和數(shù)據(jù)記錄，而智能傳感監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動數(shù)據(jù)采集和異常預警，使現(xiàn)場管理人員減少至3人，勞動成本顯著降低。此外，智能傳感技術(shù)在提升施工效率方面的作用還體現(xiàn)在自動化數(shù)據(jù)分析和智能決策支持上。

5.3基于數(shù)據(jù)反饋的智能優(yōu)化與成本控制

智能監(jiān)測數(shù)據(jù)系統(tǒng)能夠?qū)κ┕ぶ挟a(chǎn)生的位移和應力數(shù)據(jù)進行實時分析，并自動識別施工偏差并調(diào)整策略，使得施工路徑和安裝方式在微觀層面得到優(yōu)化，減少施工返工和調(diào)整成本[4]。

在成本控制方面，通過智能傳感技術(shù)的實時數(shù)據(jù)反饋和預測分析，對材料成本進行精確計算，以優(yōu)化構(gòu)件需求和調(diào)度，避免材料積壓或短缺[4]。在人力成本方面，智能傳感系統(tǒng)以自動化的數(shù)據(jù)采集和分析替代了傳統(tǒng)人工巡檢，使人員需求降低。

數(shù)據(jù)分析可以識別施工過程中的冗余步驟，針對性地精簡流程，減少返工和資源浪費。施工項目在智能優(yōu)化前，施工流程復雜，導致平均工時達到120小時，而在數(shù)據(jù)反饋驅(qū)動下，減少冗余環(huán)節(jié)并優(yōu)化流程，工時降低至100小時，節(jié)省了近20小時的施工時間。智能優(yōu)化前后成本對比見表2。

表2清晰地展示了智能優(yōu)化在施工時間、人員需求、材料浪費與設備維護成本等方面的顯著效果。

6結(jié)論

本研究對智能傳感技術(shù)在裝配式建筑施工過程中的應用框架、關(guān)鍵技術(shù)和優(yōu)化方法進行了一番系統(tǒng)分析，確認了其在把控施工質(zhì)量、保障結(jié)構(gòu)安全性，提高施工效率以及管理成本方面的功效。在裝配式建筑施工中，該技術(shù)主要依賴于構(gòu)件監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測和結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測等多方位的應用模式，并通過整合多個傳感器數(shù)據(jù)并實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步融合的方式，做到對于整個施工狀態(tài)的實時追蹤與反饋。利用數(shù)據(jù)驅(qū)動模型，與智能算法掛鉤，并結(jié)合多傳感器間的數(shù)據(jù)融合，來完成對關(guān)鍵施工進程中存在問題的預判并取得優(yōu)化的工作。

參考文獻

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