塔吊運行狀態安全監控系統研究與應用

周泉吉 陳峰軍 郭 振 朱小磊

1. 上海建工集團工程研究總院 上海 201114；2. 浙江上嘉建設有限公司 浙江 嘉興 314001；3. 合肥宇科電子科技有限公司 安徽 合肥 230041

塔式起重機簡稱塔吊，作為建筑工程項目應用最為廣泛的垂直吊運設備，因其結構的復雜性、使用的特殊性以及安全管理水平的相對落后，具有較大的安全風險。塔吊側傾、倒塌、碰撞等事故頻發，造成重大人員傷亡和經濟損失。據不完全統計，2010ü 2019年，我國至少發生了382例塔吊生產安全事故，其中塔吊運行階段事故占比達54.2%[1]，研究如何提升塔吊運行階段的安全管理水平，具有重要的現實意義。

傳統的塔吊安全輔助控制更依賴于機械設備自身安裝限制器來對過限操作的強制制動，從而避免如超載、回轉超限相關的事故發生。近年來，隨著信息技術的不斷發展，尤其是基于物聯網技術的智慧工地建設的不斷發展，使得借助附加傳感器采集塔吊安全狀態數據，并進行即時通信、即時分析、即時預警，可以大幅提高塔吊安全監控的準確性[2]。同時隨著傳感器多樣化發展以及檢測性能的不斷提升，基于物聯網的實時智能在線監控不斷步入深化應用階段，使得塔吊安全管理逐步向標準化、數字化和精細化的方向發展。

本文充分結合規范要求，利用一些穩定可靠的傳感設備進行集成研發，構建塔吊運行狀態安全監控系統，實現對塔吊運行狀態參數的實時獲取、實時展示，為塔吊司機提供更直觀有效的塔吊運行狀態數據，并基于物聯網技術實現多塔吊實時交互的群塔吊防碰撞模塊，最終對各項狀態參數進行實時判定，完成智能預警。同時，根據項目應用現場施工管理人員的實際需求，搭建塔吊安全信息化安全管控平臺，施工安全管理人員可在任意地點同步獲取整個施工場地內的塔機運行狀態數據，從而實現安全風險的多重、多方監管，進一步降低塔吊安全事故的發生概率。

1 塔吊安全狀態參數及其監測方法

根據JGJ 59ü 2011《建筑施工安全檢查標準》中有關塔吊施工規范的相關內容和規定要求，塔吊運行安全狀態參數主要包括吊重、幅度、回轉、風速、傾角等。

通過對塔吊加裝相應監測設備實行塔吊運行全狀態數據采集。設備及其對應安裝位置如圖1所示。

圖1 塔吊安全監控系統相關設備及其安裝位置

其中，采用重力傳感器測取調運材料的重力和參數，其原理在于，安裝過程中預施加一定作用力使得滑輪將鋼絲繩拉偏形成160e ～170e 的夾角，此時滑輪所受壓力與鋼絲繩所受拉力成比例，因而將重力傳感器安裝在動滑輪轉動軸位置測得滑輪所受壓力，最后安排塔吊起吊給定質量的材料，對重力傳感器讀數與實際測重進行標定，即可投入使用。經驗表明，該方法測重誤差在5%左右，滿足使用要求；幅度監測和高度監測的原理類似，都是通過對卷揚機加裝同軸器，直接根據電機轉動圈數換算得出。力矩可以通過重力測值與幅度測值的乘積得出。回轉傳感器安裝于塔吊轉盤裙邊位置，通過齒輪咬合獲取塔吊大臂的當前回轉角度，一般不應超過720e ，防止對塔身電纜產生拉扯作用。

GB 5144ü 2006《塔式起重機安全規程》規定，塔吊運行必須低于6級風（＜10.8 m/s），安裝風速傳感器可以實時精確監測當前風速是否超限，從而避免強行逆風工作引起塔吊斷裂倒塌。

JGJ 196ü 2010《建筑施工塔式起重機安裝、使用、拆卸安全技術規程》規定，塔吊安裝過程中空載且風速不超過3 m/s條件下，垂直度偏差不得超過0.4%。而在使用過程中，在塔身安裝傾斜傳感器，用于監測塔身的實際傾斜角度，防止吊裝過程中傾斜角度過大引起塔吊側傾事故的發生。

將上述各項傳感設備監測數據通過無線、有線方式接入主機，安裝于塔吊駕駛艙，塔吊司機通過顯示屏可以直接查看當前塔吊的各項安全運行參數，同時主機也會通過所監測到的各項參數完成對塔吊安全運行的風險評定，并及時發出語音提示和操作指令。

同時，針對場地內有多臺塔吊且形成交叉作業的情況，通過加裝無線傳輸模塊，結合GPS衛星定位，自動識別周邊存在交叉作業的塔吊設備，并自動進行多塔吊防碰撞組網，各塔吊之間互相傳輸坐標、幅度、回轉角度、高度等位置數據，通過主機同步換算并判定此刻是否存在碰撞事故趨勢。并將預警信息及時分發給各塔吊司機，提醒塔吊司機及時修正危險操作。

2 塔吊遠程監控管理平臺及應用

2.1 塔吊遠程監控管理平臺

長期以來，由于塔吊駕駛艙處于高空，現場地面的施工管理人員無法實時掌握塔吊當前的實際運行狀態，缺乏對這一重大危險源的直接監管手段。為了確保施工管理人員充分行使監督管理職責，必須確保參建各方的監管人員能夠實時同步獲取現場各個塔機的運行狀態參數。

基于物聯網技術，構建塔吊運行狀態監控系統，其系統構成如圖2所示。通過對各塔吊的安全監控系統加裝無線傳輸模塊，使其動態監測數據的判定結果實時上傳至遠程監控管理平臺服務器，由服務器提供網頁端登錄查看功能，施工管理人員即可無限制地實時在線查看場內各塔吊的運行安全狀態，實現安全風險的多重、多方監管，進一步降低塔吊安全事故的發生概率。

圖2 群塔遠程監控管理平臺系統構成

2.2 工程應用

某項目一期用地約9.5萬 m2。項目包括多棟1～3層單體建筑以及若干配套建筑等，各棟單體地下均設1層地下室并局部連通。項目總建筑面積81 110 m2，其中地下建筑面積31 540 m2。項目共配置了6臺塔吊進行施工吊運作業，每臺塔吊與周邊塔吊均存在一個或多個交叉作業，塔吊運行作業環境復雜。

首先，為6個塔吊分別加裝安全監控系統，使得每個塔吊的司機能夠直觀獲取塔吊當前的運行狀態信息，并接收系統的安全預警提示，幫助塔吊司機在安全風險出現時能夠第一時間做出正確的風險規避動作，從而將事故扼殺在萌發階段。

其次，現場施工管理人員通過登錄塔吊遠程安全監控平臺，上傳并維護設備的資質、檢測、維修、保養等資料，實現塔吊基本信息的統一管理。通過將各塔吊監控系統接入平臺，相關人員可以隨時隨地查看場內6臺塔吊各自的狀態參數以及操作軌跡。

3 結語

本文結合規范總結了塔吊安全狀態監測的關鍵參數，系統梳理了目前各關鍵參數相關的監測設備及工作原理，并對各自的適用情況簡要分析。同時研發了一套塔吊運行狀態安全監控系統，通過結合GPS衛星定位以及無線通信技術，實現群塔交叉作業的自動定位、自動識別、自動組網，根據各塔吊實測的各項位置信息，同步推算判定此刻碰撞發生的潛在趨勢，實現了一種基于物聯網的群塔防碰撞實施方法。根據項目應用現場施工管理人員的實際需求，構建了基于物聯網的塔吊運行狀態監控系統，實現安全風險的多重、多方監管，以期進一步降低塔吊安全事故發生的概率。