大懸挑結構施工監測及預警模型研究

甘夢仙，胡 鵬

(1.池州學院，安徽池州 247000；2.安徽新華學院，安徽合肥 230088)

大懸挑結構施工監測及預警模型研究

甘夢仙1，胡 鵬2

(1.池州學院，安徽池州 247000；2.安徽新華學院，安徽合肥 230088)

大懸挑結構因能夠提供更加寬敞的實用空間而在工程中被廣泛采用，但這類結構受力不利且變形較大，在實際工程施工、使用階段都出現過不少問題和事故。在施工中，如能對實時監測數據進行快速而有效的分析處理，將動態結果清晰明了地展示給安全技術人員，用于指導現場施工，對預測的危險情況及時采取安全措施杜絕事故發生，將具有極大的現實意義。本文在分析影響大懸挑結構受力和變形的主要因素基礎上，建立了對現場實時監測數據快速有效的分析處理模型，能將分析的動態結果及預測值輸出為報告書的形式，作為采取相應安全措施保障人員生命與財產安全的參考依據。

施工監測；數據處理；監測預警；插件開發

一、概 述

隨著建筑設計、施工水平的提高，大懸挑結構日益增多，這類建筑無論是采用純鋼結構還是鋼混結構，其受力和變形都相當復雜，很難只通過理論計算模型的受力和變形分析確保建筑物施工時的安全。這主要是因為影響結構內力和變形的因素太多，并且不同因素的影響量大小又在隨時變化著。經理論分析和大量工程實踐總結，施工工序、支撐體系組成、材料剛度、一次連續施工量、施工荷載及地基變形等是影響結構受力和變形的主要因素。因此，對這類結構，除了要進行深入的理論分析得出結構內力和變形的警戒指標值外，還要在施工中采用各類監測手段，如常用的振弦式應力計、應變片及其他各類應力應變傳感設備、傳統及現代測量技術，實時測定受力和變形，尤其當主要影響因素變化時，加強監測，適時進行數據采集。數據采集工作可以由遠程計算機通過傳感器進行完成，但在大型工程中存在大量的控制點，采集到的數據量是龐大的，需要及時分析處理，以發現危險值及預測未來可能的變化趨勢。

二、實時監測數據處理方案

在大型工程控制部位設置了成百上千數據采集點，再加上人工外業觀測數據，手工處理這些數據已是不可能。目前，大多數傳感監測設備都將采集的數據自動以文本格式或電子表格文件的形式保存在存儲設備上，還有些人工觀測數據需要手工輸入計算機進行分析。處理大量數據可以通過各種編程語言自編程序平臺或借助目前普及的大型軟件平臺進行插件程序再開發，顯然前一種方法要求高，實現周期長，需要分析人員對數據庫技術有相當的了解；而存儲數據的電子表格作為辦公軟件的一個套件，在工作中非常普及，且其處理數據的能力很強，具有高度的智能化和自動化，借助VB/VBA語言在Office軟件上開發出一整套從數據讀入到分析結果、報告輸出的快捷插件式程序，這些插件可交互、批量、快速地進行數據處理分析，操作就像辦公軟件的菜單、按鈕使用一樣，一鍵完成多種任務，大大減少相關人員的數據處理工作量，并且可以輸出任意時間間隔的分析結果給技術人員，從而為動態掌控結構施工安全狀況、及時采取安全防范措施提供參考依據。插件主要實現功能如圖1所示。

1.數據讀入整理

大多數工程的施工監測數據及外業數據，多儲存為Excel電子表格文件，這種格式的文件可以直接對數據進行計算、統計、處理分析和輔助決策等。因此只需將不符合插件程序要求的行列形式進行轉換即可被快速讀入。圖2為某大懸挑結構采用振弦式應力計自動采集到的Excel格式數據，圖中只截取了18個設置應力計部分每隔30 min測得的頻率值，只有將這些頻率根據該型號應力計轉換為應力才能展示給技術人員分析，插件程序根據式(1)編制了“頻率→應力”功能按扭，將圖2現場測得的實時頻率處理后結果如圖3所示，這樣才便于后面插件程序的分析處理。

圖1 施工監測插件程序功能分解圖

式中，P為被測位置應力值，單位為kPa；K為標定系數，單位為kPa/kHz2；F為實時測得頻率，單位為kHz；F0為基準頻率，單位為kHz；b為溫度修正系數，單位為kPa/℃；T為實時測得溫度值，單位為℃；T0為基準溫度值，單位為℃；C為計算修正值，單位為kPa。

式(1)在應用中，當施工現場大氣壓有較大變化時，還應考慮氣壓修正。

圖2 施工監測自動自采頻率數據截圖

圖3 施工監測頻率轉換應力截圖

對于存為TXT格式的數據，單擊“TXT→Excel”功能按鈕，將調出選擇TXT文件的對話框，當選擇了要轉換為Excel格式的文件后，插件程序會快速將TXT文件轉換為Excel格式，供后面模塊程序處理。

外業測得的數據，通過“手工輸入”功能菜單，調入如圖4所示的輸入面板，可以快速準確地將數據輸入并存為程序要求的文件格式。此輸入面板與直接在電子表中輸入相比具有諸多優點，它可以全憑鍵盤操作，不用像在Excel中不停換行、在鍵盤與鼠標間相互轉換等，還可以根據選擇的不同觀測項目，如沉降量、位移、應力、應變，自動將輸入的時間及對應觀測值在活動工作簿中建立對應觀測項目名稱的工作表，以后面程序要求的格式保存在新建工作表中，極大地方便了對外業觀測資料的內業整理工作。

以上3類數據格式的讀入，可以通過“插件程序”中的“數據讀入”子菜單下的功能按鈕一鍵實現數據的轉換整理，形成后續功能需要的Excel數據格式，功能菜單如圖5所示。

圖4 數據輸入對話框截圖

圖5 插件菜單截圖

2.數據除噪顯示最值

對于已經轉換為Excel格式的各類監測數據，利用求最值、除噪功能可以快速求出任意時間段監測數據的最大值、最小值并去除不合理的數據，該功能處理的數據越多，越能提高分析人員的工作效率。單擊圖5中“數據處理→顯示最值”按鈕，隨后選中任意想求最值的數據區域，插件會快速將數據中的最大值、最小值分別用紅色、綠色標出并以對話框顯示最值(如圖6所示)，若有多個數值同為最大、最小值，插件會同時著色，給分析人員一個直觀的印象。對于合理但又超出警戒值的數據會即時出現預警提示。

圖6 求最值截圖

3.監測數據圖表化

各類監測數據，隨時間源源不斷地收集到一起，越來越多，對于大量數據如能以清晰直觀的圖表形式展示給施工現場安全技術人員用，使其能快速分析判斷出主體結構及支架模板的受力變形情況，對指導后續施工大有裨益，而“數據圖表化”功能正好能完成此類工作，大大減少相關工作人員的計算分析時間。通過單擊圖5“數據處理→平滑散點圖”按鈕，可快速輸出如圖7所示的沉降分析圖，另外選擇不同功能按鈕還可以輸出多種形式圖表，如拆線散點圖、拆線線圖等。

圖7 圖表截圖

三、受力、變形的預測分析

對于施工現場的安全技術人員來說，除了要對監測數據及時計算分析，發現危險采用安全措施外，還有一個重要任務，就是要提前預知未來一定時間段內主體結構及支架模板的受力、變形趨勢和大小，對可能發生的危險情況，及早采取措施，加以預防，這才是安全監測的最主要目的。本插件程序根據現代預測科學的相關理論和方法，如時間序列分析法和回歸分析法等，主要采用了數學曲線擬合法、移動平均法、回歸分析法及指數平滑法等，可以對結構支架受力、變形作出長、短期推測判斷。移動平均法是一種自適應趨勢動態預測模型，可利用數據序列進行外推來預測指標的發展趨勢，該法主要是根據近期監測數據對預測值影響較大，離預測值時間越長的數據影響越小的規律進行，使用觀測值更接近實際情況。回歸分析是借助一元線性回歸及指數回歸擬合曲線法進行預測。監測數據分析人員可以根據實際情況選用不同分析方法，只需單擊想用的分析模型菜單按鈕，即可一鍵完成數據圖表繪制及未來趨勢預測，還可推算未來指定時間的預測值，作為采取措施的參考。圖7是一實際工程15 d左右的沉降觀測數據的分析圖表，可在數據圖表的基礎上，給出直線擬合模型公式為

y＝-0.092 4x＋3 853.6

R2＝0.319 9}(2)

插件程序的“趨勢預測”菜單下的其他功能按鈕還包括指數曲線擬合模型、移動平均法擬合模型等功能。安全分析人員可以根據這些模型推算未來一定時間內的結構受力、變形的變化規律。

四、施工監測報告

作為監測的最終成果，施工監測報告書需要呈現給參與作業單位的領導及相關技術人員。目前國內多以Word格式打印成冊，也就是施工結束后，作為收集資料的一項作業，若手工打字整理，將是一項費時費力的工作，而本插件程序有生成報告的功能，且可以生成指定格式的報告書。如圖5中，當單擊“生成監測報告→Word版”或“Excel版”時，在隨后出現的對話框中，輸入工程名及其他必要資料，插件自動填加前期數據處理結果、分析圖表、預測模型公式，并給出未來指定時間內的結構受力、變形值，直接在指定的位置保存成Word格式文件。從而使數據分析人員從煩瑣的數據分析處理、報告書寫中解脫出來。

五、結束語

本“施工監測及預警模型”的插件程序是建立應用在非常普及的辦公軟件平臺之上，插件的使用就像使用辦公軟件一樣通過單擊菜單或按鈕即可完成相應的工作，這對數據分析人員使用非常方便。該插件是在多項工程實踐施工監測中開發總結而出的，經過多項工程監測數據的驗證，得到了施工安全技術人員的認可。之前，多是利用辦公軟件手工進行文字編制及數據計算分析，煩瑣而耗時的數據分析總不能及時給安全技術人員提供即時資料。基于實際工作的迫切需要，編制出此插件程序，使手工需要花幾天時間才能完成的監測報告，可以在幾十分鐘內完成工作，極大提高了工作效率。

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Research on Monitoring and Warning Model of Large Cantilever Structure Construction

GAN Mengxian，HU Peng

P258

B

0494-0911(2014)09-0097-03

2014-03-27

安徽省自然科學基金(KJ2013B098)

甘夢仙(1986—)，女，江西上饒人，碩士，研究方向為數字智能化測繪。

甘夢仙，胡鵬.大懸挑結構施工監測及預警模型研究[J].測繪通報，2014(9)：97-99.

10.13474/j.cnki.11-2246.2014.0305