運(yùn)寶黃河大橋掛籃施工監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

（中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040）

一、工程概況

運(yùn)寶黃河大橋位于山西省芮城縣陌南鎮(zhèn)柳彎村和河南省靈寶縣老城村之間，是溝通晉西南和豫西北的重要公路橋梁。運(yùn)寶黃河大橋橋跨布置為4×40m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁+110m+2×200m+110m波形鋼腹板矮塔斜拉+48m+9×90m+48m連續(xù)梁-連續(xù)剛構(gòu)組合梁。主橋采用110m+2200m+110m矮塔斜拉橋，墩、塔、梁固結(jié)體系，主梁采用波形鋼腹板箱梁，橋墩采用等截面實(shí)心雙薄壁墩，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。主橋箱梁采取掛籃懸臂澆筑施工，具體施工步驟為：前移掛籃—安裝主梁外側(cè)波腹板—安裝底板鋼筋—安裝主梁內(nèi)側(cè)波腹板—安裝頂板和內(nèi)腹板鋼筋—澆筑梁段混凝土。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

目前，橋梁施工中的掛籃操作均為傳統(tǒng)人工操作，勞動密集型效率低下，多點(diǎn)獨(dú)立操作過程同步性控制僅靠人為控制，缺乏智能化傳感技術(shù)，故存在自動化、集成化、智能化程度低等缺點(diǎn)。橋梁施工掛籃操作過程投入勞動力較多，完成單套掛籃操作需8名到10名勞動力，多點(diǎn)之間信息反饋后手動調(diào)節(jié)油泵流量來調(diào)整糾偏，導(dǎo)致誤差大且安全隱患較大。在掛籃施工中引入掛籃智能化監(jiān)控后，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控掛籃行走距離、多點(diǎn)同步性控制及掛籃空間姿態(tài)與受力情況，根據(jù)自動化采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)整掛籃，提高掛籃操作效率、減少勞動力投入，從而達(dá)到降低風(fēng)險(xiǎn)的目的。

三、掛籃施工監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該監(jiān)控系統(tǒng)由設(shè)備子系統(tǒng)和用戶界面子系統(tǒng)兩部分組成，其中設(shè)備子系統(tǒng)包含掛籃施工數(shù)據(jù)的采集、傳輸和處理環(huán)節(jié)；用戶界面子系統(tǒng)包含用戶界面、檢測預(yù)警模塊和掛籃控制模塊，系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖

（一）硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

首先需要根據(jù)工程項(xiàng)目中掛籃施工的特點(diǎn)，合理布置監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)量和范圍、傳感器和采集設(shè)備的布置都直接關(guān)乎到數(shù)據(jù)的采集質(zhì)量。另外，硬件設(shè)備工作的穩(wěn)定性也影響到實(shí)時(shí)監(jiān)測的效果，因此在掛籃施工的全過程中，監(jiān)控系統(tǒng)要求掛籃狀態(tài)數(shù)據(jù)必須具備連續(xù)性、實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，這對數(shù)據(jù)的采集、傳輸和存儲設(shè)備有較高要求。

1.掛籃監(jiān)測點(diǎn)傳感器布置

掛籃內(nèi)力和空間姿態(tài)監(jiān)測：主梁節(jié)段施工中，在掛籃前吊桿和牽索共同作用下，必須保證前吊桿受拉力，而且拉力值必須在設(shè)計(jì)規(guī)定范圍內(nèi)。該系統(tǒng)中掛籃為單懸臂受力、承受負(fù)彎矩較大，因此需要在掛籃關(guān)鍵部位安裝相應(yīng)的傳感器，來監(jiān)測其受力情況和實(shí)時(shí)空間姿態(tài)。該系統(tǒng)在兩臺掛籃的6根前吊點(diǎn)拉桿安裝了錨索計(jì)；另外在掛籃后錨點(diǎn)拉桿力監(jiān)測點(diǎn)布置方面，每片主桁架后錨點(diǎn)沿橫橋向錯(cuò)開布置兩個(gè)測點(diǎn)，4片主桁架共計(jì)8個(gè)測點(diǎn)。掛籃空間姿態(tài)監(jiān)測安裝傾角傳感器，每片主桁架1個(gè)測點(diǎn)，4片主桁架共計(jì)4個(gè)測點(diǎn)；另外，選取4道鋼腹板共計(jì)8個(gè)測點(diǎn)，測點(diǎn)安裝位置距離懸臂端1m處。

掛籃行走同步性監(jiān)測：由于位于同一T構(gòu)上的兩套掛籃移位必須同步對稱進(jìn)行，位移大于40cm，同一側(cè)掛籃行走距離不得大于20cm，因此需要監(jiān)測每座掛籃在施工中的實(shí)時(shí)位移。該系統(tǒng)采用高精度激光測距儀作為位移測量傳感器，在每片主桁架布置1個(gè)測點(diǎn)，8片主桁架共計(jì)8個(gè)測點(diǎn)。激光測距儀固定在掛籃軌道錨固處，在掛籃后端合適位置安裝標(biāo)靶以供實(shí)時(shí)測量。在施工過程中，若掛籃同步性沒有達(dá)到要求須停止施工，及時(shí)調(diào)整掛籃位移。

2.監(jiān)測數(shù)據(jù)采集與傳輸

在數(shù)據(jù)采集方面，采用高精度智能傳感器、數(shù)據(jù)自補(bǔ)償和預(yù)處理調(diào)理器設(shè)備代替原有的普通傳感器，能夠滿足數(shù)據(jù)采集高精度和連續(xù)性的要求。在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸方面采用了4G無線通信、本地局域范圍靈活組網(wǎng)的智能云盒組網(wǎng)設(shè)備，所有傳感器的測點(diǎn)均能實(shí)時(shí)傳輸?shù)皆贫朔?wù)器，解決了其過程過于依賴人工且數(shù)據(jù)易出錯(cuò)、易丟失的問題；在設(shè)備供電方面，根據(jù)現(xiàn)場條件選擇自供電方式或者接入直流電源，解決了施工現(xiàn)場可能無法供電的問題。

（二）軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件方面采用分布式應(yīng)用架構(gòu)，結(jié)合云計(jì)算、Web技術(shù)打造了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)三維場景展示平臺，通過數(shù)據(jù)變化驅(qū)動橋梁和掛籃三維模型運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)全方位查看傳感器數(shù)據(jù)，具有直觀而豐富的展示效果。

1.三維模型與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互

三維模型可以讓掛籃空間位置細(xì)節(jié)在實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)中反映地更為準(zhǔn)確和直觀，模型數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性也會讓三維模型產(chǎn)生豐富的動態(tài)效果。該系統(tǒng)根據(jù)橋梁和掛籃設(shè)計(jì)圖紙建立全信息BIM模型，再將模型整體導(dǎo)入到虛擬施工場景中，將整個(gè)施工現(xiàn)場還原在系統(tǒng)中。通過云端服務(wù)器接收實(shí)時(shí)傳感器數(shù)據(jù)，根據(jù)測點(diǎn)與數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系編將二者關(guān)聯(lián)，即可在系統(tǒng)中實(shí)時(shí)查看現(xiàn)場掛籃行走距離和受力、空間姿態(tài)信息。

2.系統(tǒng)網(wǎng)頁端發(fā)布

為方便工程項(xiàng)目參與各方間協(xié)同分享橋梁施工實(shí)時(shí)信息，該系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，打造為數(shù)字仿真三維施工信息網(wǎng)頁端，各個(gè)用戶組均可根據(jù)各自權(quán)限的帳號密碼在施工進(jìn)行時(shí)接入到系統(tǒng)中。監(jiān)控系統(tǒng)中所有的功能均已集成到網(wǎng)頁中，所有橋梁和三維模型通過插件的形式安裝到網(wǎng)頁，保證了網(wǎng)頁三維程序運(yùn)行的流暢性。通過網(wǎng)頁和云端數(shù)據(jù)庫的對接，用戶能夠修改系統(tǒng)配置文件和預(yù)警相關(guān)信息，可以隨著施工進(jìn)度不同而改變監(jiān)控閾值和施工預(yù)警聯(lián)系人等信息，真正做到隨時(shí)隨地訪問系統(tǒng)、查看現(xiàn)場實(shí)時(shí)施工情況。

四、掛籃施工實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用

2018年6月，世界在建最大跨度的波形鋼腹板矮塔斜拉橋——山西運(yùn)城至河南靈寶高速公路運(yùn)寶黃河大橋主橋成功合龍，全橋貫通，該系統(tǒng)對橋梁掛籃施工進(jìn)行了全過程監(jiān)控。

橋梁掛籃施工監(jiān)控系統(tǒng)主界面，主要包括三維界面和數(shù)據(jù)欄兩個(gè)部分，用戶可以查看到掛籃施工的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，例如掛籃吊桿受力、掛籃行走距離和空間姿態(tài)數(shù)據(jù)、測點(diǎn)布置圖和測點(diǎn)數(shù)據(jù)列表等。在主界面中用戶可以根據(jù)實(shí)際施工進(jìn)度設(shè)置工況值和測點(diǎn)屬性，在當(dāng)天施工結(jié)束后還能查看數(shù)據(jù)回放和施工情景重現(xiàn)。當(dāng)檢測數(shù)據(jù)超過預(yù)先設(shè)置的閾值時(shí)，系統(tǒng)會通過網(wǎng)頁推送和手機(jī)短信的方式進(jìn)行預(yù)警，以便施工管理者采取控制措施。

五、結(jié)語

在硬件方面，運(yùn)寶黃河大橋掛籃施工監(jiān)控系統(tǒng)使用了高頻智能傳感器和4G模塊傳輸設(shè)備，相比傳統(tǒng)監(jiān)測設(shè)備提高了穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性；在軟件方面，以橋梁和掛籃BIM模型為基礎(chǔ)打造了三維施工場景平臺，通過云服務(wù)器讀取實(shí)時(shí)掛籃施工監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，將施工過程中各個(gè)掛籃的實(shí)時(shí)狀態(tài)以三維可視化的方式展示，對掛籃受力情況和空間姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，將各個(gè)掛籃的行走距離同步展示在系統(tǒng)中，并對橋梁施工狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和評估，在數(shù)據(jù)異常時(shí)發(fā)出預(yù)警信號，為施工管理決策提供了科學(xué)的依據(jù)。