钢平台模架装备远程安全监控技术研究范文

摘要：根据超高层建筑施工整体钢平台模架装备远程监控的技术要求，从监控原则、对象、方法以及软硬件集成等方面，开展了对模架装备远程安全监控技术的研究。并以南京金鹰天地广场超高塔楼施工的钢平台模架装备作为工程应用范例，验证了研究成果的可行性和有效性。

关键词：整体钢平台模架装备；软硬件集成；远程监控；数据无线传输

1研究的必要性

整体爬升钢平台模架装备具有整体性强、机械集成化程度高、施工安全性能好的特点，是目前我国超高层建筑结构施工广泛采用的核心施工装备，大幅度提升了建筑行业机械化施工水平和施工效率，对于我国建筑业发展有重要意义。至目前为止，使用钢平台模架装备进行超高层建筑施工的过程中尚未出现致命性安全事故，但由于其超高空作以及作业过程中“搁置—爬升”这2种状态反复切换的特点，存在发生重大安全事故的概率。因此，有必要对其进行安全监控技术研究，进一步提升钢平台模架装备的安全性水平，达到模架装备施工风险提前预控的目的。

2钢平台模架装备监控原则

整体爬升钢平台模架装备由钢平台子系统、筒架支撑子系统、吊脚手架子系统、钢梁/钢柱爬升子系统、筒架爬升子系统、模板子系统等6个子系统组成，共同形成内外筒架交替向上爬升的大型施工设备。在应用钢平台模架装备施工的过程中，其受力状态可分为搁置状态和爬升状态，分别对应于不同的支撑结构体系。监控系统搭建的目标就在于实现对2种支撑结构有效性以及爬升机构同步性的正确验证。实际工程中，考虑到直接对支撑结构、爬升机构监测较为困难，且由于成本因素，不可能对所有的支撑结构、爬升机构进行测点布设，因此，应通过局部反馈整体、关键部位测点布设的方法进行监控方案的优化设计。基于钢平台模架装备各子系统特征，并结合上述支撑结构、爬升机构监测需求，并进一步考虑监测数据分析处理后的控制方向，形成如下监控原则重点[1-5]。1）根据不同子系统发生风险概率进行划定，关键的监控对象应包括钢平台子系统、筒架子系统、钢梁/柱爬升子系统以及支撑子系统等，而其余子系统，包括吊脚手架子系统和模板子系统等应作为辅助监控对象。考虑到环境对钢平台正常施工的影响，应重点监测环境风和环境温湿度等参数。2）为全面反馈支撑结构、爬升机构的特征，应针对包括钢平台模架装备的关键构件内力、整体空间变形以及环境影响参数进行实时动态监测。3）在数据传输的实时性方面，为确保数据满足实时性要求，需在数据传输延时上定义延时限值，比如将数据延时控制在300～500ms范围内（分钟级采样）、50～100ms范围内（1Hz以上采样）。延时的一个重要影响因素是数据传输路径，因此，需要仔细规划数据的传输路径。4）在多测点数据对比分析时，应选用同步采集的多测点数据。即必须实现数据同步采集机制，并在同步采集的基础上达成数据同步传输和实施传输。5）考虑到钢平台作业面空间狭小，物料如钢筋等堆积较多，极易对信号传输线缆及传感器设备等造成人为破坏。因此，必须对传感器设备进行全覆盖保护，以及将信号传输线缆尽可能集中沿非施工位置布置，尽量降低施工造成的不利影响。

3钢平台模架装备监控对象

基于上述监控原则，以各子系统的监测内容构建整体爬升钢平台模架装备监测体系（图1）。图1详细列举了所有可行的监测项，但成本因素和技术实现难度综合考虑下，一般仅能实现部分监测项，更倾向于实现内力、变形、位移和环境监测等。针对监测内容的分析结果构建整体爬升钢平台模架装备的控制体系，在钢平台模架装备控制方面，主要指爬升机构的控制。基于爬升机构的监测内容，面向爬升结构可进行的控制内容包括装备爬升状态下的爬升速率、爬升平稳度、爬升同步性、临时搁置安全性以及装备搁置作业状态下各子系统的安全性、作业舒适度等。在环境风速超限或内外风压差距较大时，应进行施工工况控制（图2）。

4监控方法

钢平台模架装备监控从硬件组成方面可划分为传感器子系统、数据采集传输子系统。如图1中涉及的各种监测项整体爬升钢平台模架装备爬升状态搁置状态爬升速率爬升平稳度爬升同步性临时搁置安全性作业舒适度子系统安全性图2整体钢平台模架装备控制对象均通过传感器子系统的合理配置实现，即从硬件层面配置的传感器之间组合成为各种监测项对应的传感器。国内有文献将监测方法划分为基于传感器子系统的监控方法以及基于监测项的监控方法，前者属于硬件传感范畴，后者属于土木工程范畴。以下将从基于监测项的监控方法着手，讨论传感器布点方法；将从基于传感器子系统的监控方法着手，讨论信号传输方法。针对传感器布点方法设计，在钢平台监测项中，关键构件应力应变、平台的整体空间变位、立柱倾斜度是重点监测对象。针对关键构件应力应变，应取钢平台在不同施工状态的应力最大及应力幅度最大的构件进行布点监测，计算一般可通过有限元分析进行；针对整体空间变位监测，一般指钢平台作业面的空间变位，其监测可定义为2种情况：其一为监测作业面竖向变位最大的一组点，用于控制钢平台最大竖向变位不超过限值；其二为选择每个钢平台筒架的一个标准点进行监测，用于控制多筒架之间的相对变形；针对立柱倾斜度，应考虑单根立柱的倾斜度监测与多根相邻立柱的倾斜度监测。通过上述考虑，可逐步进行传感器布点设计和布点方案的优化。针对信号传输设计，可综合考虑多种信号传输方法。一般可简单划分为有线传输和无线传输，其中有线传输包括信号传输电缆和光纤通信，而无线传输包括Zigbee、Lora、无线网桥、Wi-Fi等。信号传输电缆和光纤在布设、使用过程中均存在被破坏的可能性，但其稳定性较好，在有条件时是最佳选择；而无线传输方式稳定性较差，如考虑钢平台模架装备中钢结构网格的信号屏蔽作用，其稳定性更会出现大幅度下降。因此，一般不建议全局采用无线传输技术。经某钢平台现场测试，采用Lora技术可以实现多层施工作业面间的数据透传，是重点推荐的数据传输方式，但仅适用于小量静态数据的传输；而Zigbee技术和Wi-Fi技术受限于其穿透性差的特性，基本上仅能在单个筒架内使用；无线网桥可适用于完全无遮挡状态下的大量数据高速传输，适用于视频数据等，但摆放角度的灵活性限制使其仅能用于终端局域数据传输。此外，无线数据传输可被优先考虑的一个关键优势在于其低功率特性，可使用锂电池等供电设备实现长时间的正常工作，在钢平台模架装备供电不稳定时，是最优的信号传输方案。

5监控软硬件集成

钢平台监控过程中，通过传感器子系统获取现场数据，通过信号传输系统将数据自动传输至现场服务器和中心服务器，再由现场服务器和中心服务器进行不同程度的数据处理、分析和展示，这个过程可称之为软硬件集成。软硬件集成包括3个层面：1）采集设备的嵌入式软件。以应力应变采集过程为例，嵌入式软件将采集到的振弦信号进行离散化采样，然后进行频谱分析，取出钢弦基频，并以数据字节形式发送至信号传输模块（如信号传输线缆、Lora设备等），由信号传输模块以各种方式透传至现场服务器的接收模块。2）现场服务器的数据采集软件。现场服务器根据接收到的字节序列按照固有协议进行解析，分离出各个通道的数据值，并将数据值存储在本地数据库以及发送至中心服务器。3）中心服务器的可视化软件。中心服务器一般位于远程，多以公有云服务器形式存在。现场数据发送至中心服务器，通过TCP或UDP协议接收后直接存储在数据库或数据文件中；在中心服务器上建立Browser/Server架构的软件系统，从数据库或数据文件中读取数据进行展示以及读取数据分析结果进行预警评估等。上述提及的软硬件集成过程仅为一般常用过程，实际进行软硬件集成时，需要根据现场情况和数据采集要求进行动态调整，寻求最优的软硬件集成方案。

6工程应用

以南京金鹰天地广场T1塔楼钢平台为例，进行了上述监测技术的工程示范应用。T1塔楼79层，高365.5m，采用筒架支撑式液压爬升整体钢平台模架体系施工，核心筒施工工期约为1a。在T1塔楼钢平台应用过程中，传感器布点参照了有限元模型的计算结果，最大限度地实现了对支撑系统和爬升系统的监测（图3）。综合应用了有线传输技术和多种无线传输技术，实现了现场数据由各个传感器向局域网节点汇聚、局域网节点向现场服务器汇聚、现场服务器向远程云端中心服务器实时传送的信号传输机制（图4）。建立、完善了现场服务器的数据采集软件和远程可视化系统，实现了数据现场采集和远程可视化处理的结合。

7结语

本文以南京金鹰天地广场T1塔楼钢平台模架装备为工程载体，进行了整体钢平台模架装备远程安全监控技术的研究。通过对监控原则、监控对象、监控方法以及软硬件集成技术等方面的探索，形成了整套模架装备远程安全监控技术体系，能够提升钢平台施工的安全性，降低其施工风险。应当提及，目前的工程应用尚无法覆盖所有的监控对象，尤其是仅针对安全风险大的重要构件进行监控，未考虑正常使用过程中的施工舒适性、环境保护性等因素。因此，有必要在未来的技术应用过程中，逐渐扩大实际监控项范围，在成本允许的情况下完善智能化和高安全性钢平台模架装备，为超高层建筑工程服务。

参考文献

[1]龚剑,房霆宸,夏巨伟.我国超高建筑工程施工关键技术发展[J].施工技术,2018,47(6):19-25.

[2]龚剑,朱毅敏,徐磊.超高层建筑核心筒结构施工中的筒架支撑式液压爬升整体钢平台模架技术[J].建筑施工,2014,36(1):33-38.

[3]朱赞,甘淑.超高层钢结构建筑倾斜性监测分析[J].测绘工程,2018,27(7):71-75;80.

[4]梁强武,周泽宇.超高层建筑结构健康监测控制点的选择[J].建筑施工,2018,40(9):1664-1666.

作者：赵一鸣 单位：上海建工集团工程研究总院