整體爬升鋼平臺施工安全的定量監測

唐強達 康 勇 李德輝

上海建科工程咨詢有限公司 上海 200032

整體鋼平臺（integral steel platform system，ISPS）是應用于高層、超高層建筑核心筒施工的一種新型技術裝備[1]。隨著超高層建筑的發展，建筑設計中越來越多地采用復雜多變的體型及結構體系，給超高層建筑施工帶來了較大的挑戰。整體爬升鋼平臺模架裝備具有整體性強、機械集成化程度高、施工安全性能好等特點，是目前我國超高層建筑結構廣泛采用的核心施工裝備[2]。

使用整體鋼平臺進行超高空作業過程中需在“擱置—爬升”兩種狀態間反復切換[3]，存在發生重大安全事故的可能，許多學者針對整體鋼平臺施工安全性開展了研究。沈陽等[4]采用最不利條件下結構變形作為評估整體鋼平臺安全風險特性的核心指標，建立了整體鋼平臺變形預警指標體系；吳水根等[5]通過建立整體爬升式鋼平臺模架簡化分析模型與精細化分析模型，分析了擱置狀態下底部牛腿及側向頂墻導輪對鋼平臺整體受力的影響，提出了相應的分級控制指標及加固建議。以上研究一定程度上從施工方角度提升了整體鋼平臺施工過程中的安全性。作為監理方，對整體鋼平臺的施工作業進行安全施工監理是超高層建筑施工監理的重要內容。

目前，從監理的角度探討整體鋼平臺安全性監測方法的研究還很少。本文研究并提出一種基于物聯網的整體鋼平臺施工安全實時定量化監測方法，旨在提升整體鋼平臺施工安全監理的信息化、智能化水平，進一步提升整體鋼平臺施工的安全性。

1 需求分析

1.1鋼平臺的平整度監測

鋼平臺是超高層建筑施工的最主要場所，施工材料都堆放在鋼平臺上，施工人員往來頻繁，鋼平臺的傾斜會釀成重大安全事故，必須保證鋼平臺的平整度在允許的范圍內。因此，實時監測鋼平臺的平整度，并在鋼平臺平整度超過允許范圍時及時預警，對施工監理來說不僅具有必要性，而且具有緊迫性。

1.2塔吊的垂直度監測

塔吊是附著于鋼平臺上起吊建材的關鍵設備，塔吊在工作過程中必須保證塔吊主體與地面基本保持垂直（傾斜度不高于4‰）。

1.3布料機的振動強度監測

布料機的振動影響鋼平臺穩定性，需要監測各種狀態下布料機機身的振動強度，保證振動強度在允許范圍內。

1.4施工升降機升降監測

施工升降機需要頻繁升降，運送施工人員和建筑材料到鋼平臺上，但在鋼平臺爬升階段，施工升降機必須靜止在最底層，以保證鋼平臺爬升時的安全。監控鋼平臺爬升階段施工升降機的高度具有必要性。

1.5環境風速監測

鋼平臺是一種高空附著物，當環境風速大于一定級別時，鋼平臺的穩定性會受到影響。此時，繼續施工存在極大的安全隱患。因此，需要監測環境風速，以便監理方有效監測施工方是否在安全狀態下施工。

2 基于物聯網的整體鋼平臺施工安全定量監測

從整體鋼平臺施工安全監理的需求可以看出，對整體鋼平臺施工過程安全性的監理主要包括鋼平臺的平整度、塔吊的垂直度、布料機的振動強度、施工升降機的高度及施工環境風速。當前，監理方對這些設施及環境狀態的監理缺乏科學、有效的手段。目前普遍采用的監理人員現場“督導”的方法不僅需要大量的人力，而且憑人的主觀判斷只能監督施工過程的規范性，無法監測設備的狀態并及時發現設備存在的潛在風險。物聯網的興起使得物物互聯、萬物感知成為可能[6]。本文將物聯網技術應用于整體鋼平臺施工安全監理定量監測中，提出一種基于物聯網的整體鋼平臺施工安全監理定量監測方法，以輔助監理人員對鋼平臺施工過程安全性進行定量監理（圖1）。

圖1 基于物聯網的整體鋼平臺施工安全監理定量監測

物聯網架構中物物互聯的本質是部署于物體上的傳感器的互聯，對物的感知也是通過傳感器實現的。因此，本方法先將測風傳感器部署于鋼平臺頂部通風處，測平傳感器部署于鋼平臺頂層頂板上，測直傳感器部署于塔吊側壁上，測振動傳感器部署于布料機機身底部，測高傳感器部署于施工升降機上。然后將各傳感器監測數據通過NB-IoT網絡[7]無線接入到物聯網云平臺。物聯網云平臺一方面接收前端的監測數據，對接收到的數據進行存儲管理，另一方面向后臺服務器提供監測數據服務。服務器接收來自物聯網云平臺的數據，對數據進行智能分析處理，通過可視化界面實時顯示監測數據與分析結果，并按監理行業設備安全性施工標準設置預警門限，以保證施工安全。

3 方法的驗證與分析

3.1傳感器部署

為了驗證本方法的可行性和有效性，分別選擇上海和寧波2座在建超高層建筑的鋼平臺開展施工安全監理定量監測試驗。將5種傳感器部署于鋼平臺的不同位置，分別監測環境風速、鋼平臺平整度、塔吊垂直度、布料機振動強度及施工升降機的高度。每個傳感器都集成在一個單片機上，單片機上還集成了NB-IoT模塊，傳感器監測到的數據經單片機處理后，通過NB-IoT模塊發送給服務器。

3.2狀態監測與結果分析

將傳感器部署好后，開展連續數周的5種關鍵參數的監測。通過監測結果分析，開展鋼平臺施工安全定量監理。

3.2.1 塔吊垂直度

圖2（a）和圖2（b）分別為上海和寧波2個鋼平臺上塔吊的垂直度監測結果?？梢钥闯觯?個鋼平臺上塔吊的垂直度總體都保持在4‰以下，滿足施工規范規定的塔吊垂直度不得大于4‰的要求，局部出現的超過4‰的跳躍與監測設備隨機誤差或塔吊負重后的瞬時偏移有關。

圖2 塔吊垂直度監測結果

3.2.2 布料機振動強度

2個監測點的監測結果（圖3）表明，布料機在非工作狀態下的振動強度均小于2。布料機在布料作業時，振動強度明顯增大，最大可達10以上，說明此時布料機可能處在工作狀態。部署的振動傳感器能很好地監測布料機的振動強度，為施工安全監理提供依據。

圖3 布料機振動強度監測結果

3.2.3 鋼平臺的平整度

圖4為2座在建超高層建筑施工鋼平臺平整度監測結果。2座鋼平臺平整度良好，可為施工提供安全保障。

圖4 鋼平臺平整度監測結果

3.2.4 施工升降機高度

施工升降機的高度監測結果盡管存在一定的誤差，但總體的升降變化趨勢是明顯的。選取26日11時—17時上海項目鋼平臺爬升階段施工升降機高度監測結果進行分析，結果（圖5）表明，在鋼平臺爬升作業的全過程中，施工升降機經歷了10次升降，經與施工方核實，前7次升降時，鋼平臺還沒有爬升，正在做準備工作，需要提升班組人員陸續上鋼平臺，其他班組撤離，施工升降機需分批運送。第8次和第9次施工升降機升降時，鋼平臺第1行程已經結束，正在做受力轉換，鋼平臺處于靜止狀態，施工升降機接送來不及撤離的人員撤離。第10次升降時，鋼平臺第2行程已經結束，準備封閉閘板，做最后的收尾工作，此時液壓工程師身體不適，提前到6層乘人貨梯撤離?？梢姡瑴y高傳感器完整地監測到了鋼平臺爬升階段施工升降機的狀態，施工方對此期間施工升降機的每一次升降都給出了合理的解釋。本系統起到了很好的輔助施工監理的作用。

圖5 上海項目鋼平臺爬升階段施工升降機高度監測結果

3.2.5 環境風速

從圖6可看出，部署于2個鋼平臺上的風速傳感器基本能監測出鋼平臺上局部風速的變化。圖6（b）中，22日—28日存在一次明顯的風速異常增大過程，與此時期寧波經歷的一次臺風過程吻合，說明本監測方法能較好地反映環境風速的變化，為監理方監測施工環境條件提供依據。

圖6 環境風速監測結果

4 結語

本文提出了一種基于物聯網的整體鋼平臺施工安全定量監測方法，并分別在上海和寧波2個在建超高層建筑施工工地開展了方法的試驗驗證與分析，證實了該方法的可行性與有效性。本方法可以輔助監理人員開展超高層建筑施工過程中整體爬升鋼平臺的安全監理，提高監理過程的信息化、智能化水平，提升監理的時效性和準確性，達到及時發現安全隱患，指導安全生產的目的。