遠程實時模架安全監測數據采集系統研發與應用*

牛學超，黨 策，岳中文

(1.北京工業職業技術學院，北京 100042； 2.北京信息職業技術學院，北京 100018；3.中國礦業大學(北京)，北京 100083)

0 引言

模架倒塌已成為建筑事故主要類型，倒塌事故由多種因素造成，包括模架自身特性。由于模架屬于超靜定結構，連接節點為半剛性，存在較多理論分析問題，給模架設計帶來一定困難。受多種人為因素的影響，難以按設計要求進行模架搭設，使模架使用時存在安全隱患。多位學者基于不同角度研究了模架變形模態、節點半剛性和穩定計算方法等[1-2]，如謝楠等[3]通過實驗室試驗和現場試驗分析了模架立桿承載力，施炳華等[4-5]和杜榮軍[6]均對立桿計算長度取值進行了研究。多數研究采用數值模擬、理論分析方法，部分研究采用物理模型試驗方法。為保證模架使用安全穩定，需對其進行受力與變形實時監測。

鑒于施工現場缺少成熟的模架安全監測儀器，筆者在多年試驗研究的基礎上[7-9]，研發了遠程實時模架安全監測數據采集系統。該系統在多個模架工程中完成了性能測試，已達實際應用水平。

1 研發背景

自2014年以來，筆者先后研發6套模架安全監測儀器。研發初期主要利用監測儀器采集模架位移，因模架位移具有協調性，僅通過監測某點水平位移與豎向位移便可掌握一定區域模架位移，其中，模架水平位移對判斷模架穩定性至關重要。隨著對監測儀器研究的不斷深入及對模架受力與變形規律認識的不斷加深，逐步優化監測參數，減少部分監測參數，從而實現監測儀器安裝方便、數據采集穩定，并通過4G數據傳輸技術實現模架安全監測信息化。

1.1 第1代監測儀器

根據模架變形監測原理，利用彈簧、鋼絲繩、百分表、滑輪等制作模架安全監測儀器，即第1代監測儀器(見圖1)。通過螺絲釘將彈簧、滑輪固定在木板兩端，并將百分表固定在木板上，將百分表探針固定在鋼絲繩上，利用百分表探針變形量等于鋼絲繩伸長量或收縮量的原理，實現直觀監測模架變形的目的。

圖1 第1代監測儀器

1.2 第2代監測儀器

第2代監測儀器位移傳感器外形尺寸為74mm×74mm×323mm(長×寬×高)，外殼由硬鋁加工而成，并進行表面處理(見圖2)。將百分表、彈簧和滑動板進行有效連接，采用拉繩傳遞位移，當固定在模架上的鋼絲繩長度發生變化時，帶動彈簧變形，通過滑動板傳遞給百分表，百分表讀數即為模架變形量。另設1套角度傳感器，將桿件角度變化與位移變化相結合，從而計算模架水平位移與豎向位移。由于位移傳感器和角度傳感器均能輸出電信號，可通過數據采集儀采集數據。第2代監測儀器的優點是可在雨水或潮濕等復雜環境中工作，具有良好的抗腐蝕性、強度及抗沖擊能力，但制作加工工藝復雜，位移傳感器與地面固定困難，且存在一定采集誤差。

圖2 第2代監測儀器

1.3 第3代監測儀器

第3代監測儀器將雙軸傾斜儀與位移采集儀進行整合(見圖3)，提高了數據采集穩定性，雖仍采用拉繩傳遞位移，但改進了角度測斜裝置與位移采集裝置，實現了現場快速安裝和快速調試。第3代監測儀器首次采用了ZigBee數據傳輸方式(見圖4)，實現了500m近程無線信號傳輸。

圖3 第3代監測儀器

圖4 無線信號傳輸示意

1.4 第4代監測儀器

為克服第3代監測儀器測點選擇困難和誤差較大的缺點，設計并制作了第4代監測儀器(坡面激光位移監測儀器)，如圖5所示。第4代監測儀器由3個激光傳感器和1個四棱臺組成，利用激光傳感器采集距離，利用四棱臺3個面反射3個激光傳感器光程，利用3個面幾何關系計算模架水平位移與豎向位移。該監測儀器數據采集可靠，省去角度測量，可同時監測x，y向水平位移與豎向位移，但激光傳感器安裝較困難、耗時較長，不宜在施工現場使用。

圖5 第4代監測儀器

1.5 第5代監測儀器

第5代監測儀器(圖像激光位移監測儀器)采用圖像識別技術，由數據采集儀、垂球、激光測距儀和攝像頭組成(見圖6)。在測點處固定特制垂球，在垂球中安設小型激光測距儀，激光照至毛玻璃上，毛玻璃安設在圓筒中，圓筒下方安設攝像頭，利用攝像頭拍攝到的激光點位置計算測點水平位移，利用激光測距儀變化計算測點豎向位移。第5代監測儀器安裝方便，圖像識別技術先進，毛玻璃中間位置處監測到的水平位移準確，但毛玻璃邊緣監測到的數據誤差較大。

圖6 第5代監測儀器

1.6 第6代監測儀器

第6代監測儀器利用遠程實時模架安全監測數據采集系統進行位移監測(見圖7)，采用有線或無線的方式進行近程數據采集，滿足現場施工要求；采用4G數據傳輸技術實現遠程數據采集，滿足長期安全監測要求。工程應用表明，該儀器具有良好的監測效果。

圖7 第6代監測儀器

2 數據采集系統概況

遠程實時模架安全監測數據采集系統可利用荷載傳感器、振弦式應變傳感器、針式高精度位移傳感器和激光位移傳感器監測桿件受力、變形等有關參數，具有近程監測、遠程監測、實時監測和限值報警等功能，采用自行編制的數據采集軟件，以數值和圖像的方式實時顯示監測數據。該系統近程狀態數據采集距離為100m，遠程狀態數據采集距離無限制，水平位移量程為10mm(精度為0.5mm)，豎向位移量程為50mm(精度為0.5mm)，應變量程為2 000με，荷載量程為100kN(精度為0.1kN)。

利用遠程實時模架安全監測數據采集系統進行荷載監測時，將荷載傳感器安放在立桿頂端U形托與托梁之間，將荷載傳感器導線連至數模轉換模塊，并將數模轉換模塊連至數據采集系統。進行位移監測時，采用特制垂球，將垂球吊點作為監測點，將x，y，z向激光束投射到垂球上，并將激光器連至數據采集系統。利用振弦式應變傳感器采集應變數據，根據需要連接針式高精度位移傳感器。目前，主要應用該系統采集荷載與位移數據，采集數據可通過有線或無線的方式傳至計算機，計算機可進行數據實時顯示，進而根據荷載-位移曲線判斷模架安全工作狀態。

3 工程應用

1)北京市某機場

北京市某機場地下1層采用27m×2.5m×2.2m(長×寬×高)預應力混凝土梁，單梁重達270t，施工時采用新型盤扣式模板支撐架。在混凝土澆筑期間，利用遠程實時模架安全監測數據采集系統完成了模架受力與變形監測，通過與現場施工的密切配合，保證了施工安全。

2)北京城市副中心某醫院

北京城市副中心某醫院直線加速器機房底板和頂板均厚1.5m，樓板自重達76.6kN/m2。施工期間利用遠程實時模架安全監測數據采集系統對關鍵梁、板和墻下模架進行受力與變形監測。根據監測數據，多次調整混凝土澆筑方案，保證了施工安全。

3)北京知蜂堂蜂產品辦公樓

北京知蜂堂蜂產品辦公樓采用大跨度梁結構，施工采用高8.8m的高大模板支撐系統。根據模架設計說明書，選擇合理的測點位置，在主梁混凝土澆筑期間利用遠程實時模架安全監測數據采集系統對模架應變、荷載和位移等進行監測，保證了混凝土澆筑期間的模架安全。

4)京燕飯店業務綜合樓

京燕飯店業務綜合樓地下室梁支模高8.3m，采用型鋼作為橫桿，并在型鋼上組立立桿。由于支撐方式特殊，為保證施工安全，在混凝土澆筑期間利用遠程實時模架安全監測數據采集系統對模架進行安全監測，主要監測立桿應力與變形。

5)中鋁科學技術研究院科技樓

中鋁科學技術研究院科技樓施工時采用17.18m高模架，在4層頂板表面組立支撐架，該工程模架系統具有高度大、類型新、搭設時間長等特點。隨施工進度不斷改進監測方案，利用遠程實時模架安全監測數據采集系統完成了對高大模板支撐系統荷載、位移的監測，實現了遠程4G數據傳輸，并應用限值報警技術保證了現場施工安全。

4 結語

1)在模架安全監測儀器設計與應用過程中，立桿荷載、桿件測點應變、模架豎向位移等較易采集，而模架水平位移較難采集。

2)拉繩式、激光測距式、圖像識別式等數據采集系統不易監測模架水平位移，可利用激光垂球進行監測。

3)遠程實時模架安全監測數據采集系統利用模架受力破壞與立桿屈曲原理，對監測參數進行了精簡，已應用于多個工程中。工程應用表明，該系統安裝簡單、操作方便、穩定性好，可實現近程、遠程信號傳輸與限值報警，具有良好的監測效果。