自动化监测技术在高大排架及模板支撑体系安全管控中的应用

周向阳 申 维 宋雪飞

1. 上海建工集团股份有限公司 上海 200080；

2. 重庆高新鼎诚置业有限公司 重庆 400000

近年来，高大排架及模板支撑体系（下称“高支模”）安全事故频发。高支模安全事故发生的主要原因是在荷载作用下产生了过大的变形或荷载，诱发体系内构件失效，使局部或整体失去稳定，从而导致高支模局部坍塌或整体倾覆，造成作业人员伤亡[1]。因此，在建筑工程安全监督管理过程中，高支模的安全监测尤为重要，采取科学、高效、精准的监测手段成为迫切需求。自动化监测技术的快速发展，为高支模安全管控监测技术提供了有利的发展前景，其能够更好地实现高支模实时监测的信息化监管。

本文针对高支模的结构特点，将高支模监测与自动化监测技术相结合，建立集数据分析、展示、预警于一体的高支模安全管控平台，通过实时监测高支模在混凝土浇筑及硬化过程中的力学参数变化规律，实现高支模的安全管控。

1 传统技术及难点

传统高支模的监测手段采用光学测量仪器，依靠人工进行监测。此种监测方法间隔较长，达不到实时监测的效果，且监测内容不够全面，只能局部（外围）进行监测，覆盖不够全面。同时，监测人员在异常问题的处理上存在一定的响应不及时、反应滞后等情况，不能及时反馈高支模的异常状态，从而导致发生危险时施工作业人员不能及时撤离危险覆盖区域。

2 技术方案

针对高支模高效、全面、实时监测的需求，本文阐述一种高支模安全管控自动化监测系统的方案。

在对高支模的破坏机理进行分析的基础上，以监测高支模中的模板沉降情况、立杆轴力变化状况、立杆倾斜偏移状态及支架变形情况等为切入点，利用高精度位移传感器、倾角传感器、压力传感器以及自动化采集设备等元件，集合成一整套高支模自动化实时监控系统。该系统可对在建高支模项目实现覆盖面广、监测参数全、监测数据实时更新、超限报警速度快的信息化安全监管。

高支模安全监控系统（图1），采用自动化监测技术，通过无线传输模式进行高支模各参数的数据整合及汇总分析，实现预报警功能，大大减少或避免了安全事故的发生，从而达到安全管控的效果。传统监测技术与自动化监测技术的对比分析如表1所示。

图1 高支模安全监控系统构架

表1 传统监测技术与自动化监测技术对比

3 工程应用

3.1 工程概况

杭州西湖大学工程项目总计容建筑面积449 495 m2，其中地上计容建筑面积321 027 m2，地下计容建筑面积128 468 m2[2]。工程包括学术交流中心、行政办公楼、教师食堂、学生食堂、师生活动中心、研究生公寓、博士后公寓、教师周转公寓、各类后勤用房等建筑单体，以及机动车停车位、非机动车停车位、人防用房等辅助用房，并配建体育活动场所、室外道路、景观绿化、综合管线、学生活动区域等室外工程。

3.2 自动化监测的必要性

在地下室顶板至屋顶层结构中，有多种不同型号梁的集中线荷载均超20 kN/m，并且在上部结构中，有多个部位的排架搭设高度超过8 m。其高度高、荷载大等特点给工程项目带来了一定的安全隐患。根据相关规定，本项目的模板支撑体系属于危险性较大的分部分项工程，为控制排架使用过程中的安全性，需针对排架使用过程开展实时监测[2-3]。

3.3 自动化监测内容

根据排架及脚手架的结构特点与使用特点，提炼出安全控制要点包括立杆轴力、立杆竖向变形、立杆倾斜，据此选取相应传感器对相关参数进行监测。

立杆轴力：在立杆及其顶端设置传感器，监测模板传递至立杆的荷载，防止施工中立杆轴力超过规范允许值，一旦超过规范允许值立即报警，从而控制脚手架整体安全。

立杆竖向变形：立杆在轴力和侧向力荷载作用下会产生变形，较大的竖向变形意味着立杆将失稳破坏，因此通过监测立杆竖向变形可控制脚手架整体安全。

立杆倾斜：立杆使用过程中要求与支撑面垂直，当立杆在外部条件下出现过大的倾斜时，将对脚手架整体安全带来影响，因此需要监测混凝土浇筑前、中、后的立杆倾斜。

3.4 测点布置

以工程某一分区（E区）为例，对高支模的安全监测方案进行研究。地下室、地上结构选取4个区域进行支架模板监测，学术堂选取1个区域进行支架模板监测。区域位置如图2所示，各区域监测测点布置如图3所示。

图2 地下室、地上结构监测区域示意

图3 测点布置

在上述各监测区域选取关键部件位置进行监测，主要监测对应区域支架立杆承受的压力分布、立杆顶部的倾斜状态以及模板底部的竖向变形，具体监测项目如表2所示。

表2 监测项目

在表2中，每个监测部位均选取3个监测断面：2个梁会交断面、1个梁跨中断面。每个监测断面上，在立杆顶部布置1个压力传感器、1个倾斜传感器，并在模板底方木上布置1个位移传感器，合计12个压力传感器、12个倾斜传感器、12个位移传感器。

3.5 设备安装

现场采用由上海建工集团工程研究总院自主研发的集高精度传感设备以及无线智能采集设备于一体的高支模无线监控系统。系统包括传感设备、采集设备、声光报警、无线传输及数据处理节点，可实现数据交互、实时数据分析展示、预警报警等功能。

3.6 监测结果及数据分析

以E区19#块高支模测点为例进行分析，测点布置如图4所示。

图4 E区19#块测点示意

3.6.1 倾斜变化

排架立杆倾斜在混凝土浇筑过程中变化明显，主要表现为：浇筑前，倾角变化趋于稳定；浇筑过程中，倾角出现急剧变化；浇筑完成后，倾角变化再次趋于稳定。

混凝土浇筑前，x/y向倾角位移变化趋于稳定，变化幅度在0°～0.02°之间；混凝土浇筑过程中，x/y向倾角位移出现急剧变化，变化幅度最大为－0.09°；混凝土浇筑后，x/y向倾角位移变化趋于稳定，变化幅度在0°～0.01°之间。立杆倾斜变化幅度小于报警值，符合倾角变化规律。

3.6.2 压力变化

模板轴向压力在混凝土浇筑过程中变化明显（图5）：受混凝土荷载影响，模板及支架所承受的压力出现增大趋势；混凝土浇筑完成且无施工荷载增大后，压力变化趋于稳定。

图5 模板轴向压力变化时程曲线

在图5中，混凝土分块浇筑趋势明显，分2个阶段进行浇筑。混凝土浇筑前，压力基本保持不变。随着混凝土施工荷载不断增大，压力急剧增大，达到8 kN后趋于稳定。进行二次浇筑后，混凝土荷载继续增大，压力相应呈增长趋势。但总的变化幅度小于报警值，符合压力变化规律。

3.6.3 位移变化

模板位移在混凝土浇筑过程中变化明显（图6）：受混凝土荷载影响，模板及支架的位移出现增大趋势；混凝土浇筑完成且无施工荷载增大后，位移趋于稳定。

图6 模板位移变化时程曲线（正为升，负为降）

在图6中，随着混凝土荷载增大，模板位移也逐渐增大，3个测点的模板位移变化趋势保持一致，最大位移稳定在4.5 mm，直至浇筑完毕。从图5与图6对比分析可以得出，在混凝土浇筑过程中，模板轴向压力与模板的位移变化情况基本保持一致。

在本次高支模安全监测过程中，模板的位移变化、模板轴向压力变化、立杆倾斜变化基本保持一致。随着混凝土施工荷载的不断增大，模板轴向压力逐渐增大，位移沉降也呈现增大趋势。立杆倾斜受外界影响因素较多（如施工振捣等），偶然会出现不规律的变化趋势，但总体仍按混凝土荷载变化情况呈现相应的变化趋势。

4 结语

在现今工程建设中，高支模是不可或缺的一部分，其结构的安全稳定一直是关注的重点[3]。高支模因结构荷载大、高度高、跨度大等特点，对其材料配件等参数以及现场搭设要求极为严格，易造成承压过大、模板沉降、整体偏移倾斜等不良状态。因此，对高支模的安全管控必不可少。利用高精度的传感设备配合无线传输模块进行实时数据采集，掌握监控体系的安全状态，及时发现问题、反馈分析并进行安全评估，可以达到预警效果，保证整个体系的安全可控及项目的安全平稳推进。