基于大層高下板厚檢測裝置的改進設計

吳玉龍，孫 晨，顧 盛，張 軍，劉以龍，路宗南

（1.昆山市建設工程質量檢測中心，江蘇 昆山 215337；2.南京理工大學理學院，江蘇 南京 210094）

0 引言

樓板厚度對混凝土結構工程的安全與使用有非常重要的作用，因此，在混凝土主體結構施工完成后，結構實體的樓板厚度檢測結果是評定施工質量的主要參數之一［1］。樓板厚度偏大或偏小都會給建筑物帶來不利影響：一方面，若樓板厚度偏小，則可能會導致樓面承載力不足、樓板的彈性增加而引發樓板的震動較大以及影響隔音、隔熱、防水等一系列問題；另一方面，若樓板厚度偏大，則不僅造成混凝土用量的浪費，還會導致結構自重加大進而影響結構性能等諸多問題［2］。此外，只要樓板厚度不符合設計要求，都可能引起跨中撓度的變化，成為樓板開裂的原因之一［3］。同時，很可能直接導致質量驗收“不合格”，從而帶來直接或間接的經濟損失。因此，做好板厚檢測工作尤為重要，尤其是隨著新興建筑層高的不斷增加，如何保證其板厚檢測的安全性、準確性和效率是一個工程難題。

1 技術現狀及存在的問題

目前，現有樓板厚度檢測類型主要分有損與無損檢測兩種，常用的方法具體有局部破損測量法和儀器無損檢測法等。這些方法在一定程度上都能實現樓板厚度的檢測，存在各自的優勢。但在實際檢測中，對于層高較大的大型混凝土結構廠房和辦公樓大廳，以上方法都逐漸暴露出顯著的缺陷和不足，在檢測的安全性、數據的準確性和檢測效率上都不能獲得保證。

1.1 局部破損測量法

局部破損測量法是對樓板進行鉆孔后，采用鋼卷尺測量板厚的方法。該方法也是符合驗收規范要求的一種檢測方法，具有原理簡單、操作便捷、檢測過程直觀的特點，其檢測原理和現場檢測實拍如圖 1～2 所示。然而，由于該方法在進行板厚檢測前，需要預先對樓板進行鉆孔或開洞，因此，檢測效率低且屬于一種有損檢測的方法［4］。同時，為了保證尺具能夠順利進入洞口且滿足便于觀察讀數的要求，一般都需要開設直徑 50 mm 以上的洞口。因此，便不可避免地會傷及樓板結構，即造成樓板的剛度下降，承載能力下降，有時甚至可能會破壞樓板內的受力鋼筋而導致對結構更大的損傷。這樣的樓板在使用過程中，一方面，若荷載超重且集中于樓板損傷部位附近，可能會造成出現樓板受力裂縫甚至斷裂，危及人身安全；另一方面，樓板開洞后，破壞了混凝土的自防水性能，即使采取修補措施也不可能達到初始的抗滲效果，容易引發后續的樓面滲漏等問題。

圖1 檢測原理示意

圖2 現場檢測實拍

此外，一方面，在對樓板進行鉆孔或開洞過程中，常常因鉆頭磨鈍、鉆孔打滑等問題引起鉆頭偏心而造成鉆頭與孔壁摩擦，常常造成所鉆的孔存在傾斜問題，使得采用鋼卷尺檢測時致使板厚檢測結果偏大；另一方面，也常出現洞口底部爆孔的情況，孔洞的下方邊緣出現破損，底部附近的孔洞直徑大于預設直徑。這將導致鋼卷尺勾連孔洞底部時，實際的零點位于板底的上方某一位置，最終致使板厚檢測結果偏小。另外，檢測時，鋼卷尺緊貼孔洞邊緣本身也是比較困難的，造成檢測誤差；由于孔洞上沿與鋼卷尺的交點位于樓面水平面，目視讀數為斜視，存在較大的人為讀數誤差等。因此，該方法多用于樓板本身就設置有洞口的板厚抽樣粗測，因其檢測準確性和效率較低等缺點，故不太適用于檢測量較大而數據準確性要求較高的板厚檢測。

1.2 儀器無損檢測法

儀器無損檢測法是利用板厚檢測儀進行樓板厚度檢測。板厚檢測儀是基于電磁波運動學、動力學原理和現代電子技術而形成的一種檢測裝置［5］。板厚檢測儀主要由信號發射和接收、信號處理和信號顯示等單元組成，發射探頭置于樓板底面，接收探頭置于樓板頂面，當接收探頭接收到發射探頭電磁信號后，信號處理單元根據電磁波的運動學特性進行分析，自動計算出發射到接收探頭的距離，該距離即為測試樓板的厚度，如圖 3～5 所示。該檢測方法是目前應用最廣泛、也是檢測效果最好的樓板厚度檢測手段之一，具有檢測范圍大、檢測效率高和結果準確性高等顯著優點。通常情況下，檢測人員只需手持延伸桿將發射探頭伸至樓板底面并與之貼合緊密，配合樓板頂面的接收探頭就可以實現板厚的精準測量。

圖3 檢測原理示意

圖4 頂桿現場實拍

圖5 現場檢測實拍

然而，由于目前新興的混凝土結構廠房或辦公樓的一層大廳時常會出現大層高的情況，檢測人員需要搭建腳手架以此滿足發射探頭抵接樓板底面的要求，而這恰恰引發了諸多的問題。首先，檢測人員需站在所搭建的臨時腳手架上進行頂桿，因層高較大，腳手架需要搭設多層、高度大且不可能設置一些與地面或墻面的支撐，而在這樣的條件下進行操作十分危險，無法保證檢測人員的人身安全；其次，由于無穩定支撐而引起的腳手架晃動會導致立于其上的檢測人員手持頂桿不穩，致使發射探頭與板底接觸不穩定且貼合不緊密，從而影響接收探頭的信號接收而造成測量結果的準確性降低；最后，根據 GB 50204－2015《混凝土結構工程施工質量驗收規范》，樓板厚度檢測項目需在所測樓板對角線方向上布置 3 個測點［6］，因此，在完成第一個測點的檢測工作后，需要將搭建的腳手架進行拆除并移至下一個測點進行再次測量，如此重復至 3 個測點全部檢測完畢，而此番多次腳手架的搭拆和檢測無疑會使上述風險出現概率加倍，同時檢測效率也大大降低。

2 無人機與板厚檢測儀融合設計

近年來，隨著高新科技的迅速發展，“智慧檢測”的理念深入人心［7］，無人機在工程建設領域的應用不斷獲得推廣，很多行業依靠無人機技術實現了安全和效率的提升。無人機具有體積較小、靈活機動、快速高效、作業成本低、作業范圍廣等優勢［8］，可根據不同的工程需要搭載不同設備來滿足現場實際需求。在此基礎上，經筆者實地調研和深入研究相關規范，利用無人機的自身優勢，將無人機與板厚檢測儀進行融合，實現優勢互補，擬將其應用于目前大層高的樓板厚度檢測場景中，以克服現有方法無法保證人員安全、檢測效率較低、結果準確性低等缺陷，解決在板厚檢測時所遇到的工程難題。

2.1 融合模型的構建

融合模型主要包括四懸翼無人機、發射探頭、接收探頭以及測量儀等設備，整體融合模型的構造示意如圖 6 所示，模型構造具體分解如下［9］。

圖6 融合模型的構造示意

1）首先，在無人機本體上方設置十字對稱型的搭載架，在搭載架的其中一個延伸臂上設置安裝發射探頭，以無人機中心為基點，將與發射探頭等重的配重物均勻設置安裝于其余 3 個延伸臂上，保證整個模型的重心與無人機本體重合。

2）其次，在無人機的旋翼部分安裝保護支架；在發射探頭搭載架的側表面安裝緩沖彈片。

3）最后，在發射探頭對應的搭載架上設置安裝接近傳感器和指示燈；在配重物內部分別設置安裝 LED 照明單元和拍攝單元，LED 照明單元與拍攝單元朝向發射探頭頂部設置。

2.2 融合模型的可行性分析

將無人機與板厚檢測儀進行融合以實現優勢互補，解決板厚檢測儀應用在大層高場景下的問題，這看似容易，實則需要考慮諸多問題。在構建模型的過程中，需要分析這種構建方式能否滿足無人機安全和穩態飛行的要求以及能否滿足板厚檢測的規范要求等核心要點。因此，本節將從飛行穩定性、操作安全性和檢測規范性等 3 個方面對無人機與板厚檢測儀的融合模型進行詳細論述，以論證其具有可行性且能夠滿足現場板厚檢測的要求。

2.2.1 飛行穩定性

在構建融合模型時，搭載有板厚檢測儀的無人機能否飛行穩定是可行性分析中的第一步，飛行時無人機的載重問題是影響無人機飛行穩定的關鍵因素。本模型采用的無人機額外載重約為 5 kg（不包括自重）。原因如下：其一，發射探頭經實際稱重為 0.7 kg，如圖 7 所示；其二，為了不改變四懸翼無人機的重心位置，其他 3 個配重物質量均設置為 0.7 kg，共計 2.8 kg，以此滿足無人機的各向受力平衡的要求；其三，發射探頭搭載系統中的搭載架為輕型金屬材料，質量約為 1 kg。因此，本模型的搭載總重量約為 3.8 kg，不足 5 kg，滿足無人機的載重要求，不會對其飛行性能產生影響，無人機能夠正常地安全穩定飛行。

圖7 發射探頭稱重

2.2.2 操作安全性

本融合模型的操作安全性，主要從設備安全性和檢測人員安全性兩個方面考慮，分析如下。

1）設備安全性。無人機在可以穩定起飛后，需考慮無人機在室內飛行過程是否安全。首先，設計時，之所以考慮無人機本體上安裝旋翼保護支架，是為了降低與障礙物發生偶然撞擊下對旋翼的沖擊力，有效保護無人機，不至于發生墜機事故；其次，為了避免四懸翼無人機因操作不當或速度過快而造成猛烈撞擊墻體等風險，故在發射探頭對應的搭載架上設置安裝了接近傳感器和指示燈。指示燈設置在搭載架底部，接近傳感器觸發指示燈發光，如圖 8 所示。檢測人員可以通過指示燈的閃爍狀態，判斷是否接近樓板底部，若指示燈發光并保持常亮，則代表無人機已接近樓板底部，此時警示檢測人員應降低無人機的飛行速度，合理控制飛行速度，使得無人機緩慢貼近樓板底部。

圖8 傳感器與指示燈的位置示意

此外，為了避免因操作失誤導致無人機速度過快撞擊樓板周邊墻體，在發射探頭對應的搭載架側表面上還設置安裝了緩沖彈片，使得無人機在靠近墻面時，先由緩沖彈片與墻體接觸，以降低無人機撞擊墻體的沖擊力，起到有效保護發射探頭及整個設備的作用，通過保護措施盡可能降低因人為操作失誤而帶來的風險，確保飛行安全。

2）人員安全性。使用該模型人員安全性同樣不容忽視。該模型采用四懸翼無人機托載發射探頭替代人工頂桿的方式，避免了檢測人員站立在很高的、不穩固的多層腳手架上的頂桿操作，解除了安全風險源。就無人機而言，目前相關技術已日趨成熟，其自身的安全系統也得到權威性認證，可靠性高。同時，無人機行業對操作人員的技能有嚴格要求，需要進行專業培訓并通過考核才可獲得駕駛證，從事無人機的專業工作。因此，經專業培訓后，操控無人機的過程是安全可靠的，基本不會傷及操作人員自身和其他人員。

2.2.3 檢測規范性

在保證無人機飛行穩定性與操作安全性后，非常關鍵的一個問題是：采用該模型進行板厚檢測能否滿足相關規范的要求。這主要涉及到兩個問題：一是，能否滿足測點位置的要求；二是，能否實現發射探頭與板底的有效抵接。

1）在融合模型的設計中，為解決上述第一個問題，進行了特殊的設計。將發射探頭的位置從無人機中心移至搭載架的延伸臂的末端，主要考慮是，若將發射探頭設置在中心位置，雖可以免除設置其余配重物而減輕整體模型重量，但在檢測兩角測點時，因發射探頭距無人機邊緣距離較大，無法移動至角測點的相應位置，即無法滿足規范要求。而設置在延伸臂的末端則能夠滿足規范對角測點的要求。即此構造設計可以使得無人機所搭載的發射探頭盡可能地靠近邊緣，能夠將無人機飛行至角測點的相應位置，保證板厚角測點位置的規范性，如圖 9 所示。

圖9 發射探頭安裝位置原理示意

2）針對第二個問題，在模型設計時同樣予以了考慮，甚至把一些比較極端的情況也考慮其中。如在遇到光線較暗的樓板夾角處時，可分別利用配重物內部的 LED 照明單元和拍攝單元功能保證板厚檢測的規范性：LED 照明單元對著發射探頭與樓板的接觸部位進行照射，補足夾角處的光線強度，避免因光線較暗、觀察不清而導致發射探頭與其貼合不緊密等情況，進而采取微調操作以保證檢測結果的準確性。利用拍攝單元功能，通過無人機拍攝的畫面，能夠直觀地觀察樓板底部情況，有效解決因距離大而導致的肉眼觀察困難等問題。

3 操作方法

針對上述無人機與板厚檢測儀的融合模型，為方便工程技術人員更清晰地了解該模型并開展后續的應用，筆者總結了該模型的操作方法，分解如下。

1）飛行至測點相應位置。首先整體檢查四旋翼無人機的系統狀態，如電量、遙感器信號、指南針狀態等，確認無誤后啟動無人機，檢測人員通過無人機遙控器將搭載設備的無人機平穩地飛向樓板底部，在到達測點位置下方附近時，進行懸停操作。觀察四周情況，確認安全后，適當加大無人機直線上升速度，使發射探頭穩固抵接在樓板底部的測點相應位置。此過程需要注意的是，一方面，在無人機直線上升時，應時刻注意指示燈的閃爍狀態來判斷無人機是否接近板底，時刻準備降低無人機上升速度，避免無人機撞擊板底而帶來的危險；另一方面，若遇到因光線較暗而不利觀察的情況時，需立刻開啟 LED 照明和拍攝單元，通過操作顯示屏來觀察發射探頭與板底貼合情況，避免因光線較暗、板底粗糙不平而造成貼合不緊，進而影響檢測準確性的問題。

2）測點信號接收及檢測。當無人機所搭載的發射探頭緊密貼合在板底的測點相應位置后，通過發射探頭發射電磁信號，板面上方的檢測人員利用板厚測量儀在樓面上的測點附近前后左右來回移動以接收信號，待測量儀顯示屏上顯示的數值為最小值時停止，該數值即為所抽檢樓板該測點的樓板厚度實測值。

3）完成1）、2）步驟后，即代表第一個測點的檢測工作完畢，隨后控制無人機直線下降的速度，使無人機平穩地遠離樓板底部，再參照上述步驟完成剩余所有測點的檢測工作。

總而言之，該模型的操作方法包括飛行與檢測兩部分，相較現有檢測方法，在操作方式上對“儀器無損檢測法”進行了改進，巧妙地將頂桿的主體由人轉變為無人機，使得檢測人員無需站立在腳手架上進行頂桿，只需操控無人機飛行至測點的相應位置，即可完成檢測。該操作方法簡單明了，在保證檢測人員安全的同時，提高了板厚檢測的效率。

4 結論

針對現有板厚檢測方法不能滿足大層高建筑物場景下的要求，存在較低的檢測安全性、準確性和效率等問題，本文利用無人機具備的自身優勢，將其與板厚檢測儀進行融合，實現優勢互補，設計和構建了兩者的融合模型，并從飛行穩定性、操作安全性和檢測規范性等三方面分析和論證了將其應用于板厚檢測的可行性，能夠有效地克服現有方法的不足，并取得了如下結論。

1）該模型能夠有效解決目前大層高場景下板厚檢測的工程難題，利用無人機搭載設備的方式，使得檢測人員無需反復搭設并攀爬腳手架，保證了人員的安全性；利用無人機飛行將發射探頭與板底穩定抵接，避免了于高位人工頂桿造成發射探頭的晃動，有效提高了檢測結果的準確性；利用飛行操作實現了測點間的快速切換，大大提高了檢測效率。

2）該模型的設計能夠拓展無人機在工程質量檢測領域的應用，為廣大工程檢測人員提供了一個檢測創新思路，符合目前建筑行業的數字化、智能化趨勢及“智慧檢測”的理念。