高支模自动化安全监测系统的研究

杨勇

（广东省建筑科学研究院集团股份有限公司广州510500）

0 引言

高支模体系在建筑工程中运用广泛，由于其施工难度较大，影响因素较多，安全隐患难以得到有效控制，极易造成重大人员伤亡事故。按照《广州市住房和城乡建设委员会关于推进全市超过一定规模危险性较大的混凝土模板支撑工程和承重支撑体系自动化安全监测工作的通知》（穗建质［2017］1006 号）［1］要求，对全市危险性较大的混凝土模板支撑工程和承重支撑体系推进自动化安全监测工作。

高支模监测作为建筑施工过程模板支撑体系安全和质量控制的重要手段，贯穿模板工程的始终，但是传统的监测手段多存在片面性、片段性，很难依此对模板工程的健康状况进行及时、高效、可靠的分析。国内学者对高支模安全管控方面也进行了多方面的研究，马洪伟等人［2］对其施工工艺流程中的支撑搭设、拆除、成品保护和系统安全监测控制进行研究。刘兰君［3］总结了高支模部分在混凝土浇筑、高支模变形监测过程中的经验。邱凌云等人［4］提出建立以多传感器协同监测、远程监控系统和智能全站仪监测等现代技术为依托的大型高支模智能监测预警系统。许丹萍［5］论述了高支模自动化实时监测在混凝土浇筑过程中的应用。王登平［6］将智能无线监测系统应用于城市桥梁高支模预压安全监测过程中，实现对高支模预压施工全过程全方位的安全监测与控制。马宏武等人［7］介绍了基于传感器的智能化监控系统在高支模监测工作中的高效优势。

综上所述，建立以多传感器监测为基础、协同远程监控系统等现代技术的高支模自动化监测系统，对高支模进行稳定性监测，实施实时监测、自动预警，一定程度上解决了高支模监测数据获取频次、效率等方面的问题，但是在实际工程应用中由于高大支模结构和环境的复杂性，工程施工过程中存在诸多影响因子，如混凝土泵送方式和机械设备振荡、活载、构件连接等不确定因素影响，导致自动化监测过程中出现误判误报，严重影响高支模混凝土浇筑施工过程的顺利进行，有损建设行业对高支模监测工作的置信度，不利于高支模自动化安全监测工作的推广应用，本文将探讨高支模自动化安全监测工作中的几个关键痛点，希望有助于高支模自动化安全监测系统的改进。

1 高支模监测异常数据的自动化处理

高支模自动化安全监测系统难点不在于信息的自动获取，而在于对获取信息进行及时、高效、可靠的分析，从数据的持续性、准确性、及时性及数据的有效管理分析上寻找提升和突破。系统的建立并不是解决高支模安全问题的万能钥匙，在具体的工程应用环境中仍有部分问题亟待学者的解决。杜锡明等人［8］结合工程实例对高支模自动化变形监测数据进行分析与评价，但缺乏对高支模监测过程中出现几种“测不准”现象的分析：①混凝土浇筑过程中，泵送混凝土时地泵泵送管影响区域杆件倾角参数监测结果的突变较大；②预压过程中由于面板存在的翘起或起拱等因素影响，部分面板的竖向变形与验算结果不符；③桥梁顶板浇筑过程中，高支模监测数据基本无变化情况等，直接影响监测结论的正确性和对浇筑过程模板支撑体系安全的判断。本文的重点在于对系统的应用研究，在此对几种“测不准”现象就不一一进行展开分析，结合实际工程简要分析混凝土泵送过程对高支模监测数值的影响。混凝土浇筑过程中，地泵泵送的瞬间对模板支架整体产生推力，模板上方荷载越小，地泵泵送的过程对监测参数杆件倾角结果影响较大，从测量的角度出发，这些数据真实地反映了测点的位移变化情况，但结合实际工程工序，我们不能依此断定模板支架体系的整体安全性。

现有的高支模自动化安全监测系统因其数据来源的单一性和量值计算的逻辑性，在类似的应用场景中只能实现对数据的理性计算分析，并不能据此结合实际工况等相关信息进行综合分析。文献［9］通过结合现场人工巡视的方式，剔除外界影响因素干扰。针对监测数据信息量大、频次高、频幅分布广等特点，提出基于局部异常点挖掘算法、从时空刻度的角度识别“异常点”的思路。通过对“异常点”的剔除，排除高支模监测过程中支架结构和施工环境等影响因子的干扰。以广州市天河区某工程为例，该项目高支模5层楼板浇筑使用地泵泵送的方式，选取混凝土浇筑过程中立杆倾角一测点某一段时间内的实时监测数据，采用文献［9］中“异常点”剔除方法判别数据，通过处理前后数据对比（见图1）明显发现，处理后的数据更为真实地反映了浇筑过程中支架的安全性，有利于模板工程的信息化施工指导。

图1 浇筑过程测点数据处理前后对比分析Fig.1 Comparative Analysis before and after Data Processing of Measuring Points in Pouring Process

2 密闭空间高支模自动化监测数据的采集

根据文献［1］要求，达到一定标准的高支模项目在施工过程中必须进行自动化监测。但是，高支模自动化安全监测系统通过采用ZigBee 等无线通讯组网模式，实现快速安装和远距离安全传输的同时，也受限于ZigBee 等无线通讯组网模式的信号强度，构（建）筑物遮挡将屏蔽掉部分信号，导致通讯信号衰减。

作为未来城市发展的主要流通通道，城市综合管廊和地下轨道工程增长趋势显著，刘文昆等人［10］基于智能无线监测系统，实现对狭小密闭空间超厚板高支模施工过程中的安全监控。智能无线监测系统采用ZigBee 等无线通讯模式，实现“多对一、一对一”的组网方式，在隧道、管廊等地下密闭环境高支模自动化监测设备通讯受施工场地影响较大，将导致部分监测数据的丢包或缺失。对于地下管廊结构、隧道等狭长密闭空间，高支模自动化安全监测系统的通讯设备或组网方式需要进行一定的改进，以适应高支模复杂施工环境。

基于通讯设备的改进方法，主要从扩充接收信号范围考虑，因无线通讯信号的发射具有一定的方向性和发散性，理论上通过扩展高支模自动化安全监测系统配备的定向接收天线的信号收集范围，或更灵活地调整接收天线的角度，一定程度上均可增益接收信号强度。针对发射端的改进虽然也可达到一定的改进目标，但相应的也增加了仪器的安装难度和功耗，不利于高支模自动化安全监测系统监测设备的长时间观测。固针对通讯设备的改进主要体现在信号接收端。

高支模自动化安全监测系统配备的高增益天线在指向方向上的辐射较为集中，但牺牲了波瓣宽度（通讯角度范围），一旦指向方向上出现明显的遮挡，信号受损严重，通过采用高增益板状室外定向天线可实现更高的波瓣宽度和更自由的接收调整角度。通过对比试验和工程应用，板状天线通过线缆与采集仪连接，可更好地设置信号接收角度和位置，实现接收信号一定强度的增益，也可更好地调整高支模自动化监测系统采集仪的位置，保护监测人员和仪器的安全（见图2、表1）。

对于中间存在墙板隔离的密闭空间，监测点布设在管廊或隧道内侧浇筑区域模版下方，只有浇筑区域两端可以作为监测作业平台，由于天线的定向性，很难一个天线同时实现左右隔间信号的收集。通过信号收集电缆，把布设在左右隔间区域内的监测传感器信号引出，接引至监测区域端头的无线中继器，最后由中继器将信号统一定向发送至采集仪接收。以广州市番禺区万博商务区市政道路、地下环路及综合管沟工程（万博一路奥园段）项目为例，该项目结构分上中下三层，底层为城市综合管廊，板厚1 200 mm，长220 m，宽8.3 m，由中墙间隔。为保障施工作业面的有效利用，项目由两端向中间逐段浇筑，在进行浇筑时由于通讯角度问题，采用高增益天线或板状天线仅能连接上一侧的完整信号和另一侧部分管口信号，通过信号电缆上1个/50 cm 的信号收集包实现中墙两侧传感器的串联，收集各设备信号，避免脚手架或墙体等障碍物对信号的衰减，解决了高支模自动化监测系统在狭长密闭区域应用的通讯难题。

图2 棒状天线、板状天线对比Fig.2 Comparison of Rod Antenna and Plate Antenna

表1 棒状天线与板状天线优缺点对比Tab.1 Comparison of Advantages and Disadvantages between Rod Antenna and Plate Antenna

3 桥梁高支模自动化变形监测基准点的设置

为了解现浇桥梁模板工程的变形情况，达到优化设计、确保安全及指导施工的目的，在模板工程浇筑过程中，必须对高支模支撑系统进行变形监测，余拥华［11］结合工程应用，提出了桥梁工程高支模施工安全监控的要点，强调桥梁工程高支模施工安全监测的重要性。在桥梁工程施工过程中，对高支模进行持续监测基准点是基础，为保证高支模监测的准确性，在进行位移变化量的观测时，必须考虑其基准点布设问题。

高支模自动化监测系统采用拉绳式位移传感器对模板支架水平进行观测，在测量支架的整体水平位移时，测点顺桥向布设在支架外侧。桥梁模板支架整体水平位移的观测，可分为沿桥向方向和垂直桥梁走向方向，沿桥向方向两跨之间模板支架两侧有桥墩的支撑，该方向水平位移变形较小，水平位移基准点可设置在两侧桥墩固定。但是在进行垂直桥线方向的水平位移测点布设时，基准点需向两侧垂直桥线方向拉升，桥梁两侧一般情况下不存在建（构）筑物或其建（构）筑物距离较远，拉绳式位移传感器将面临无稳定结构作为基准点或基准点过远影响测量精度的情况。

卢松耀等人［12］结合工程实例，将测量机器人用于高支模变形监测，提出建立适合高支模监测的变形监测预警系统。笔者在实际模板工程监测中进行对比试验，在不要求高频次监测的情况下，自动化全站仪可实现小区域内的垂直桥线方向的水平位移的自动化监测，以广州市番禺区某道路改造工程为例，该工程两侧为市政道路，道路周边存在绿植绿被。涉及两座匝道桥为现浇箱梁，桥长58 m，宽8.5 m。由于匝道桥的环形设计，在环内侧可保障对桥梁支架各跨的通视，采用全站仪自动化测量支架水平位移，很好地补充了高支模自动化监测的手段。

由于场地的限制和全站仪自动化监测通视的要求，跨度较大的桥梁不适宜使用全站仪进行垂直桥线方向的水平位移的自动化监测。针对此类情况，激光位移传感器基于激光的高方向性的特点，可实现无接触远距离高频测量。在进行水平位移的自动化监测时，将感光元件（靶标）固定在立杆顶端，激光传感器探头固定在桥梁两侧，通过测量感光元件（靶标）的位移变化，反映垂直桥线方向支架整体的水平位移点。根据测量任务的需要，测量距离可最大至50 m，但是选择大量程，测量精度会有所下降，在监测仪器选择时需综合考虑。以广州市花都区某跨线桥为例，现浇箱梁长60 m，宽20 m，线路两侧为既有市政道路，有电杆和广告牌存在，距离高支模支架20 m，水平位移的监测很难通过拉绳式传感器或者自动化全站仪，在不影响交通正常运行的情况下实现，选择30 m量程的激光位移传感器将靶标固定在支架顶端，激光传感器探头固定在桥梁两侧杆件上方，通过测量靶标和激光传感器探头的位移即可计算支架垂直桥线方向的位移，具体计算流程如图3所示。

图3 支架水平位移计算图解Fig.3 Horizontal Displacement Calculation of Support

4 结论

高支模自动化监测系统不是高支模行业的万能钥匙，作为一套完整的应用工具，在工程实践中高支模自动化监测系统解决了高支模监测行业存在的部分问题，有助于高支模监测市场的规范，进一步推进高支模监测行业的的健康发展，提升高支模监测行业的社会认可度。但是，高支模自动化监测系统的建设疑难尚存，亟需指导和改进。在工程作业中我们也应明了其优缺点，扬长避短正确使用，避免出现监测数据的缺失、错漏等情况，从而最终实现对高支模安全的有效监控和监管。