基于云物聯的裝配式橋梁安裝施工智能精準定位系統與快速安裝工藝優化研究

段宗軍，連光煒，張成明，張雷，任承斌

（1.山東高速工程項目管理有限公司，山東 濟南 250014；2.山東省公路橋梁建設集團有限公司，山東 濟南 250000；3.山東農業大學，山東 泰安 271018）

1 前言

現階段我國一般采用現澆混凝土進行橋梁施工，現澆式橋梁需要在現場進行大量的濕作業占用較長的施工周期，且現場拌合混凝土會造成極大的環境污染。因其在澆筑過程不能中斷，所以需要大量模板、支架，造成大量的資源浪費。

裝配式橋梁施工可以提升原有現澆式橋梁的工業化水平，因裝配式橋梁各構件先在橋梁工廠或工棚里預制再運輸至現場。由于橋梁構件都已預制，只需現場拼接安裝，所以大大節約了施工周期，節省了人力物力，使生產效率大大提高。裝配式橋梁技術因其預制的特點具有了能效更高、更安全、橋梁建設質量更高、環境污染更小等優點，因此裝配式橋梁逐漸成為了國內外橋梁建設領域的熱點，同時在現場施工方面應用也越來越廣泛，取得了顯著的經濟效益和社會效益。傳統裝配式橋梁施工需要現場裝配工人以及預制件起吊操作人員熟練、準確配合，依靠裝配工人指揮、起重機操作工人肉眼觀察進行移動、定位預制件，待預制件接近承臺或墩柱時由裝配工人手扶預制件完成最后對中并使之緩慢下落直至安裝完畢，此方法缺乏定位設備和信息傳輸設備對預制構件進行實時定位和定位信息傳輸，整個安裝過程人員交流耗費大量時間，同時信息化程度低導致溝通效率低。本文采取了一種裝配式與云物聯相結合的方式，提出了一種基于云物聯的裝配式橋梁智能精準快速定位安裝施工系統建筑施工過程信息化解決方案，通過采用提前設置在樁基之間的三維激光定位裝置進行實時定位并將其傳輸給后臺計算系統，通過定位裝置和信息傳輸設備為構件在吊裝過程中快速、準確地吊裝到確定位置提供了便利，施工人員、塔式起重機操作人員以及管理人員各方的信息均保持一致，避免了信息在傳遞過程中的不準確或理解錯誤，避免了傳統的鉛垂線法造成的人工測量誤差和時間浪費。裝配式橋梁在安裝施工過程中，云物聯作為工業信息化、智能化的技術載體，能夠有效指導施工，為橋梁建設工業化帶來極大便利。

2 基于云物聯的裝配式橋梁安裝施工智能精準定位系統

2.1 基于靶向的三維激光精確水平定位系統研究

裝配式橋梁快速精確安裝施工系統中最重要的結構就是三維激光定位裝置，其主要結構為固定三維激光測距裝置、自動云臺、采集數據裝置和信息傳輸裝置以及后臺定位數據解算裝置等四大關鍵部件。基于靶向的三維激光精確快速定位墩柱安裝位置的系統主要包括三維激光精確定位掃描技術、收集三激光光測距裝置監測坐標技術、將收集坐標數據轉化為施工區范圍內坐標系下坐標的技術、確定該墩柱、承臺激光掃描裝置不與其他位置墩柱、承臺的定位信息混淆、通過施工現場確定基站布置位置、布設基站和數據接收器，包括三維激光測距裝置的布置、現場電氣的安裝控制、定位裝置的啟動、清零裝置、定位信息接收裝置和接收線路的布置、系統軟件的內置界面設計。定位坐標信息的反算包括現場雙基站對安裝在墩柱鋼筋籠上定位裝置信息定位試驗，對得到的數據進行誤差分析包括前期安裝誤差、接收器自身誤差、基站轉接臺水平等系統自身誤差的分析。

當進行墩柱鋼筋籠定位時，只需確定樁基鋼筋籠中心坐標與套箍模板中心坐標的相對位置就可以得到鉆孔的實際位置（坐標），從而實現精準定位鋼筋籠，如圖1所示。

圖1 激光定位系統

當進行套箍模板定位時，根據已知樁基軸心的位置和套箍模板的外直徑確定套箍模板的安裝位置，放置好合適的位置和角度，此時安裝套箍模板，套箍模板安裝位置是否正確由激光測距傳感器獲得，獲得的數據上傳至控制臺，控制臺進行姿態解算后引導工人移動套箍模板的安裝位置。

同時我們利用GPS衛星定位技術，作為絕對定位技術的輔助技術結合使用。因GPS定位系統的誤差會隨定位次數變化逐漸累積，故這種方法并不適用于長時間和長距離的定位施工。

GPS主要由三大組成部分：空間部分、地面監控部分和用戶設備。偽距法單點定位，就是利用GPS接收機在某一時刻測定與4顆以上GPS衛星的偽距，及從衛星導航電文中獲得的衛星瞬時坐標，采用距離交會法求出天線在WGS-84坐標系中的三維坐標。由定位坐標確定激光掃描裝置坐標，以激光定位裝置坐標為參考建立坐標系，進而通過掃描裝置和定位裝置確定墩柱的坐標進行掃描、監測。由于多數橋梁施工多為野外作業通信質量較差甚至沒有信號，此時難以利用網絡進行通信傳輸必須使用GPS定位系統代替光纜通信進行坐標定位、信息傳輸。

2.2 可伸縮智能垂直定位導向系統研究

研究一種預制墩柱垂直定位導向裝置系統，適用于所有結構形式的預制墩柱，包括設置在預制墩柱外部的環形鋼底板、通過上斜腿支撐設置在所述環形鋼底板上方的上環形套筒、通過下斜腿支撐設置在環形鋼底板上方的下環形套筒、設置在所述上環形套筒上的上定位器、設置在所述下環形套筒上的下定位器。

可伸縮智能垂直定位導向系統適用于所有結構形式的預制墩柱，施工開始固定裝配式墩柱采用液壓調垂架，并通過布置監測裝置進行監測樁身是否傾斜、偏移，若監測出墩柱出現傾斜且傾斜度超過施工規范則利用前文布置的液壓調垂架矯正墩柱。可伸縮只能垂直定位導向系統由激光調垂傳感器、光靶、電腦輸出端、儀表及安裝支架、自動控制裝置、伸縮千斤頂及通訊電纜等組成，可實現工程現場的實時測量與監測、自動化調垂等功能。監測表盤作為最終輸出端，不僅可以顯示和讀取測量后墩柱的傾斜度和偏移比值。利用激光定位裝置定位推進可伸縮只能垂直定位導向系統實施首先就要設置光靶作為激光掃描的目標裝置，將激光掃描裝置設置的激光束定位鋼管柱刻度時，光靶作為記錄裝置進行記錄、傳輸。利用安裝支架將激光自動定位調垂裝置安裝固定在待測鋼筋籠側面，其可用于固定上述傳感器射出的激光方向，使之與待測鋼筋籠的原定側線平行。

可伸縮智能垂直定位導向系統安裝快速、便利，可以重復使用；可以快速調整預制墩柱的垂直度，起到精確垂直定位導向的作用；適用面廣泛，不僅可以用于預制實心、空心墩柱，而且可以適用于不同截面形式預制墩柱的精確定位。本裝置系統可有效地提升了預制墩柱安裝時精確定位的施工效率，加快施工進度。

2.3 基于云物聯的裝配式橋梁墩柱智能精準定位安裝控制系統開發

目前我國已有部分人員和單位開始從物聯網技術出發研究計劃管理，其主要研究方面為施工現場的施工順序計劃制定和各部分的進度管理，但是缺少現場施工各方面的協同作用，尤其缺少裝配式橋梁施工過程中云物聯的應用。在施工現場澆筑橋梁墩柱時，墩柱鋼筋籠的中心偏位和保護層均有嚴格要求，鋼筋籠下放過程出現偏位對施工影響較大。尤其是對于現澆墩柱下接基礎上接預制蓋梁結構形式中的鋼筋籠下放危害較大。如果鋼筋籠下放到位時鋼筋籠是偏位狀態，就需要進行樁基返工，導致施工速度降低，并浪費人力、物力，損失很大。本文針對上述問題，從澆筑裝配式橋梁的構件、車輛運輸、施工方進度管理等幾個方面出發，提出一種基于云物聯的裝配式橋梁安裝施工智能精準定位系統建筑施工過程信息化解決方案，高效指導施工進程。

通過研究基于RFID的物聯網技術，構建基于物聯網的預制墩柱定位安裝過程中數據采集應用架構，在分析定位安裝過程中數據采集的特點及內容的基礎上，對RFID標簽數據結構進行設計，闡明定位安裝生產信息采集流程，通過對定位安裝控制流程的深入分析，研究以動作元為基礎的定位安裝控制流程可配置化的實現，根據應用對象及控制任務的要求，以“搭積木式”的方式靈活配置，為定位安裝的監測及實時追蹤和控制提供基礎。

3 裝配式橋梁墩柱安裝工藝優化研究

相對于國外裝配式橋梁的發展，我國裝配式橋梁不僅起步較晚，且只應用于部分難度較高的現澆式橋梁施工或跨海大橋例如港珠澳大橋。經濟社會的高速發展決定了我國交通運輸和交通建設處于大規模建設時期，修建公路、道路橋梁的工程日益增。如何利用好裝配式橋梁，如何利用裝配式技術更快、更好的建設成為了目前亟待解決的問題。

近幾年來，隨著國家政策導向，預制拼裝技術開始推廣開來。比如，上海的S6滬翔高速公路、嘉閔高架北二期、國定路下匝道、S7公路（S20-月羅公路）、S3公路先期實施段、S26等其中全部或部分采用了全預制拼裝技術。

裝配式橋梁預制構件主要分為2部分，一為預制墩柱包括預制鋼筋籠、澆筑墩柱等程序；二為預制橋面板。預制裝配式墩柱首先就是將數米高的墩臺沿垂直方向、按照規范劃分合適的模數，然后將其從水平分成若干部分，在擬定建造橋梁位置的建立橋梁預制工廠或者搭建工棚進行澆筑，通過大型運輸機具運輸至現場，再用吊車等起吊機具進行拼接安裝。

研究不同優化措施對裝配式橋梁墩柱受力性能的影響，對裝配式橋墩施工過程進行優化設計研究，將大量的現場施工作業轉變成工廠預制構件和現場裝配施工，大大減少了現場施工帶來的環境污染和噪音污染，順應了我國保護環境大趨勢，各構件可以在橋梁工廠進行大批量的預制再由載具運輸至施工現場大大節省了施工周期，減少了現澆施工帶來的橋梁誤差提高工程質量。

4 結語

傳統的裝配式橋梁沒有定位設備對預制構件進行實時地精準位置信息控制，影響橋梁的施工效率。為解決上述問題，提出一種基于云物聯的裝配式橋梁安裝施工智能精準定位系統施工過程信息化解決方案，通過激光掃描、激光定位、GPS定位相結合的方式，精確化、自動化的測量樁基鋼筋籠、承臺、套箍模板、墩柱鋼筋籠的定位點坐標，大大減少了各人員的溝通交流時間，避免了施工人員現場人工作業，避免了傳統的鉛垂線法造成的人工測量誤差和時間浪費。將云物聯技術運用于建筑工程設計中，不僅有利于提高建筑工程質量，還有利于保證建筑行業的可持續發展。