BIM和RFID在满堂支撑架工程安全控制点管理中的应用研究

王 婷，曾凡奎，汤 杰

(西安工业大学 建筑工程学院， 陕西 西安 710021)

满堂支撑架工程作为建筑工程施工中为现浇钢筋混凝土结构与施工人员提供高处作业平台的重要临时设施。在对其各阶段进行管理过程中，监管使用阶段对架体安全控制点管理是最为重要的环节[1]，安全控制点作为衡量满堂支撑架工程安全与否的重要标志，若对其安全管理不到位会引发满堂支撑架坍塌事故的发生，进而造成大量人员伤亡及重大财产损失。因此，在安全管理中对其进行准确地识别、控制和预防至关重要。然而，现阶段对满堂支撑架工程各安全控制点的管理方式仍主要依靠管理人员的现场巡视与检查，相关信息依然采用纸质文件、手工录入、口头传递的方式进行沟通。这种传统的安全管理方式能够对直观可见的不安全状况和行为进行管理，但对架体各个部位的安全控制点状况却无法做出准确及时的判断，并且安全管理的效果受人为主观因素影响较大，与管理人员是否负责、是否具有较强的专业素养有很大关联性[2]。因此，迫切需要对满堂支撑架工程安全控制点的管理方法进行创新。

目前，随着信息化技术的不断发展，特别是在建筑业中对建筑信息模型技术(Building Information Modeling，BIM)和无线射频识别技术(Radio Frequency Identification，RFID)的引入，为其传统安全管理方式的改进提供了新的解决方式。其中BIM技术作为建设项目物理及功能特性的数字表达，能为满堂支撑架安全控制点管理提供可视化、模拟性、多方协同参与的数字资源共享平台，为项目决策提供科学可靠的依据。RFID作为一种非接触式的自动识别技术，在满堂支撑架工程安全管理中主要用于各构配件信息的采集，其RFID标签可储存的信息种类多且容量大，耐久性及耐腐蚀性强，适用于施工现场复杂多变的环境，可为满堂支架工程各安全控制点提供实时位置信息、环境信息、对象属性信息[3]。因此，将二者集成运用于对满堂支撑架各安全控制点识别、控制及预防上，进而可实现信息化、可视化、自动化的安全控制点管理。

1 满堂支撑架工程安全控制点的识别与分析

下面以盘扣式满堂支撑架为例，在查阅相关文献[4-7]并进行分析研究的基础上，将立杆垂直度、外架整体位移、节点处连接性能作为盘扣式满堂支撑架安全控制点。

1.1 立杆垂直度

立杆垂直度的状态对于满堂支撑架安全与否是至关重要的，尤其是架体转角处的立杆，其垂直度的提高能够增强整个架体的纵向刚度与稳定性，防止架体发生内外倾斜。建筑施工承插型盘扣式钢管支架安全技术规范中对立杆垂直度允许偏差做了详细规定，如表1所示。

若满堂支撑架立杆发生垂直度偏差，如图1所示，会使立杆受力状态不均匀，增加立杆承受的弯矩力，其承载力也会大幅度降低。此外，立杆作为把支撑架全部荷载传递给可调底座等基础受力构件的中间件，其垂直度偏差的存在也会造成基础受力不均，最终影响满堂支撑架整体的稳定性。在工程施工中也会经常出现由于立杆发生倾斜导致满堂支撑架局部甚至整体失稳而引发的安全事故。因此，立杆垂直度是满堂支撑架工程精细化管理中的安全控制点之一。

表1 支架立杆垂直度允许偏差

注：其他一些中间值可以采用插入法进行计算。

图1满堂支撑架立杆垂直度偏差图(单位：mm)

1.2 架体整体位移

满堂支撑架工程从搭设、使用及拆除环节均为露天作业，在此过程中会遇到一些大风、雨雪等恶劣天气，再加上架体结构自重、作业层上的人员、施工材料与设备等的自重，很容易造成满堂支撑架失稳现象的发生。当发生架体失稳时(如图2所示)，架体呈现出纵横向水平杆与纵横向立杆组建的框架结构，沿刚度较弱的方向大波鼓曲现象，在布设有剪刀撑的情况下，架体达到临界荷载时，以上下竖直方向的剪刀撑交点处的水平面为分界面，上部呈现大波鼓曲，下部较上部变形较小。当无剪刀撑布置时，在达到临界荷载的情况下架体会呈现整体大波鼓曲的现象。因此，整体位移是其安全控制点之一。

1.3 节点处连接性能

盘扣式满堂支撑架节点属于半刚性连接节点，其采用的连接方式是插销式，这种插销式的连接方式主要靠把插销插入圆盘小孔与横杆接头内，并用铁锤敲打插销直至完全插入为止，因此盘扣式满堂支撑架节点处的连接性能与插销插入圆盘内的紧固程度密切相关。如图3所示为弯矩作用下盘扣架节点受力模型图，横杆在弯矩M作用下其端扣接头连同插销以圆盘与插销的接触点A为受力支点进行转动。端扣接头上部作用在插销上的力FR2以B为受力支点推动插销向下滑移，进而使插销楔紧。圆盘作用在插销上的力FR1以A为受力支点阻碍插销下行，是插销在弯矩作用下自楔紧阻力。所以因当控制插销与圆盘之间的当量摩擦系数f。

图2 满堂支撑架整体位移图(单位：mm)

图3弯矩作用下盘扣架节点受力模型

通过以上对盘扣式满堂支撑架横杆在弯矩作用下的节点受力性能分析，能够得出在受到振动冲击等各种动荷载作用下，负责传力的插销很有可能出现自动向上滑移，如果自动滑出，那么节点处由于松动而导致的连接失效将会危及整个满堂支撑架体系与建筑主体结构的安全，这也是盘扣式的连接方式在推广与使用中一直存在的问题。其向上滑移情况如图4所示。因此，节点处的连接性能对满堂支撑架工程安全管理至关重要，同样也是必不可少的安全控制点之一。

2 满堂支撑架工程安全控制点的实时监测

在对满堂支撑架工程安全控制点实时监测时，其采用的RFID标签是带有传感器的标签，通过将RFID标签和所需类型的传感器集成在一个很小的芯片中，即可形成RFID传感器标签。集成后的传感器标签称之为Smart Dust，该标签既具备RFID的识别能力，又具备传感器的传感能力[8]。相比之前的RFID标签，RFID传感器标签能够满足更多的功能需求。

图4满堂支撑架节点处插销向上滑移

2.1 立杆垂直度的实时监测

(1) RFID传感器标签的选用。在监测满堂支撑架立杆垂直度时，应选用RFID倾角传感器标签，其中倾角传感器是利用惯性原理的一种加速度传感器，从其工作原理上分为“气体摆”、“固体摆”和“液体摆”三种形式[9]，在RFID倾角传感器标签中采用的是“固体摆”的形式。当附着有标签的立杆垂直度发生变化时，传感器中的倾角就会随着发生变化。

(2) 立杆垂直度监测方案。满堂支撑架立杆垂直度的实时监测系统包括：RFID倾角传感器标签、RFID阅读器、倾角传感解调器、满堂支撑架BIM 3D/4D模型数据库。

在系统运行之前应先把RFID倾角传感器标签附着在满堂支撑架立杆中间部位，并依据RFID读写器的最大辐射范围制定出其在满堂支撑架中的布置间距及最佳位置。接着通过倾角传感解调器的 API应用程序接口与Revit API应用程序接口进行连接，进而实现RFID倾角传感器标签信息与满堂支撑架BIM 3D/4D模型数据库之间的信息交互[10]。在上述工作完成之后系统便得以运行，其垂直度监测的系统运行原理是首先由RFID倾角传感器标签对立杆垂直度与立杆所处位置信息进行收集，与此同时，标签会被其所在辐射范围内的RFID阅读器进行持续扫描，RFID阅读器通过网络层将读取的立杆垂直度与立杆所处位置信息传输给倾角传感解调器，接着解调器把信息解调后通过API接口添加到满堂支撑架BIM 3D/4D模型数据库中，此时3D/4D模型图会随着数据库信息的添加而进行调整，自动将立杆垂直度情况呈现在满堂支撑架模型中，便于项目各参与方进行协同分析与处理[11]。

(3) 数据的处理。倾角传感解调器解调立杆垂直度信息的原理是依据立杆挠度值的大小，而立杆挠度值大小要依据项目的具体情况确定，当立杆挠度值很小，没有超出所设定弯曲变形量的最低值时，解调器给出“Good”的评价。当立杆挠度接近或者超出所设定弯曲变形量的最大限度，经解调器解调后给出“Bad”的评价。当立杆挠度值位于所设定的弯曲变形量最大值与最小值之间时，且不接近最大值与最小值时，解调器给出“Medium”的评价。在解调器对立杆垂直度做出评价后，通过API应用程序接口将解调后的数据添加到满堂支撑架BIM 3D/4D模型数据库中，当添加到数据库中的信息为“Good”时，BIM模型中所对应的立杆呈现“绿色”。当添加到数据库中的信息为“Bad”时，BIM模型中所对应的立杆呈现“红色”。当添加到数据库中的信息为“Medium”时，BIM模型中所对应的立杆呈现“黄色”。当立杆模型呈现红色时，BIM监控中心应立即向施工现场发出严重警告，项目各参与方应快速组织在线沟通、协同处理，并把处理方案转达给相应的现场管理人员，在现场管理人员对“红色”立杆按照处理方案进行处理后，RFID传感器标签也会随之发生变化，继续被读写器连续扫描，解调器进行立杆垂直度信息解调，解调后的信息呈现在BIM模型中的立杆为绿色为止，此时，完整的数据处理过程才算最终结束。当立杆模型呈现“黄色”时，BIM监控中心应发出一般警告，项目各参与方应在对“红色”立杆处理方案商讨完毕后展开对“黄色”立杆的协商解决方案，其后续工作便和“红色”立杆处理方式相同，直至解调后的信息呈现在BIM模型中的立杆为绿色为止。当立杆模型呈现“绿色”时，系统不做任何处理[12]。其立杆垂直度实时监测流程图如图5所示。

图5立杆垂直度实时监测系统流程图

2.2 架体位移的实时监测

(1) RFID传感器标签的选用。在监测满堂支撑架整体位移时，应选用RFID位移传感器标签，其所包含的位移传感器是一种金属感应的线性器件，其作用是把物理量位移转化为电量。位移传感器可分为数字式与模拟式两种，在监测满堂支撑架架体位移时采用的是模拟式结构，模拟式结构位移传感器具有结构简单、精度高、价格低廉与输出信号大等优点[13]。因此，选用RFID位移传感器标签对架体位移实时监测。

(2) 架体整体位移监测方案。满堂支撑架架体整体位移的实时监测系统包括：RFID位移传感器标签、RFID阅读器、位移传感解调器、满堂支撑架BIM 3D/4D模型数据库。

架体整体位移突出表现在横杆位移上，因此在系统运行之前应先把RFID位移传感器标签附着在满堂支撑架外围横杆上，并依据RFID读写器的最大辐射范围制定出其在满堂支架中的布置间距及最佳位置。其后续的监测过程可参照立杆垂直度的监测方案。

(3) 数据的处理。位移传感解调器解调横杆位移信息的原理是依据横杆位移量的大小，而其位移量值要依据架体实际使用情况确定，当横杆没有发生位移或位移量很小，没有超出所设定位移量的最低值时，解调器给出“Good”的评价。当横杆位移量接近或者超出所设定位移量的最大限度，经解调器解调后给出“Bad”的评价。当横杆位移量位移所设定的位移量最大值与最小值之间，且不接近最大值与最小值时，解调器给出“Medium”的评价。系统依据“Good”、“Bad”、“Medium”三个评价指标所进行的数据处理过程与立杆垂直度实时监测系统数据处理原理相同，在此不在赘述。其架体位移实时监测流程图如图6所示。

图6架体整体位移实时监测系统流程图

2.3 节点处连接性能的实时监测

(1) RFID传感器标签的选用。在监测满堂支撑架节点处连接性能时，应选用RFID应力传感器标签，其中，应力传感器采用的是全分布式光纤应力传感器，该传感器充分利用光纤的应力敏感性特征，能够实现不间断的对作用在光纤上的振动力、应力、压力进行实时监测，其具有高空间分辨率、实时动态和超出距离监测等优点，适用于各种复杂的作业环境[14]。

(2) 当量摩擦系数取值的确定。节点处连接性能的监测依据是插销A点处的当量摩擦系数值，当量摩擦系数可通过测量插销最大应力值获取。因此通过将应力传感器标签粘贴在插销上，监测插销上的最大应力值F，进而可得到A点处的当量摩擦系数f，用以判断插销是否出现向上滑移的现象。如图7所示为插销最大应力与当量摩擦系数之间的关系曲线，可得出当量摩擦系数随插销最大应力的增大而增大，当量摩擦系数在0.15～0.50之间时，其随最大应力增加而增长的速度较慢。当量摩擦系数在0.5～1.0之间时，其随最大应力增加而增长的速度较快。因此应控制当量摩擦系数在0.5以内，以减小插销在弯矩作用下自楔紧阻力[15]。

图7插销最大应力与当量摩擦系数的关系曲线

(3) 节点处连接性能监测方案。满堂支撑架节点处连接性能的实时监测系统包括：RFID应力传感器标签、RFID阅读器、应力传感解调器、满堂支撑架BIM 3D/4D模型数据库。

在系统运行之前应先把RFID应力传感器标签附着在插销上，并依据RFID读写器的最大辐射范围制定出其在满堂支撑架中的布置间距及最佳位置。其后续的监测方案同立杆垂直度和架体整体位移监测相同，在此不再赘述。

(4) 数据的处理。应力传感解调器解调节点处连接性能的原理是当A点处的当量摩擦系数值小于0.5时，解调器给出“Good”的评价。当A点处的当量摩擦系数值大于等于0.5时，经解调器解调后给出“Bad”的评价。在解调器对节点处连接性能做出评价后，通过API应用程序接口将解调后的数据添加到满堂支撑架BIM 3D/4D模型数据库中，当添加到数据库中的信息为“Good”时，BIM模型中所对应的节点呈现绿色。当添加到数据库中的信息为“Bad”时，BIM模型中所对应的节点呈现红色。当节点模型呈现绿色时，BIM监控中心不发出任何警告。当节点模型呈现红色时，BIM监控中心应立即向施工现场发出严重警告，项目各参与方应快速组织在线沟通、协同处理，并把处理方案转达给相应的现场管理人员，在现场管理人员对“红色”节点按照处理方案进行处理后，RFID传感器标签也会随之发生变化，继续被读写器连续扫描，解调器进行当量摩擦系数信息解调，解调后的信息呈现在BIM模型中的节点为绿色为止，此时，完整的数据处理过程才算最终结束。

图8节点处连接性能实时监测系统流程图

3 结 语

本文建立的满堂支撑架工程安全控制点实时监测系统有效集成了BIM和RFID两项技术，从监管使用阶段对满堂支撑架安全管理出发，在对安全控制点进行识别与分析的基础上，从RFID传感器标签的选用、监测方案、数据处理原理三个角度出发分别阐述了构建立杆垂直度、架体整体位移、节点处连接性能三方面的实时监测系统。该系统通过传感解调器对传感器标签信息进行解调，并将解调后的信息呈现在满堂支撑架BIM 3D/4D模型中，项目各参与方通过该模型可及时准确的查看满堂支撑架各安全控制点状况并进行安全预警和可视化的协调处理，对预防和控制满堂支撑架坍塌事故的发生提供新的解决方式。此外，就目前而言，由于受到技术、经济、人力等各方面条件的限制，本研究内容还存在许多不完善的地方。如RFID阅读器、传感解调器与BIM系统之间应采用何种技术标准进行信息的无损的传递，各系统平台之间在信息交互方式上应采用直接交互还是采用中间文件格式交互的方式进行等。

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