數字化技術在錢塘江新建大橋工程中的應用

李勝輝，項恭攀

（1.浙江交工集團股份有限公司，浙江杭州 310051；2.浙江交投交通建設管理有限公司，浙江杭州 310051）

近年來，新基建作為“數字中國”國家戰略的重要發展方向和數字經濟的重要支撐，對應工程領域的數字化施工技術也在各個項目中快速發展，同時也強調“要腳踏實地、因企制宜，不能為數字化而數字化”。對于施工傳統行業來說，實用的才是最好的，才是最有效的。但由于自身的傳統屬性，建筑施工行業的數字化技術應用現狀并不樂觀，存在諸如開發應用成本大、缺乏規模效應，施工現場項目覆蓋率低、空泛不實用等亟需解決的問題。因此，如何利用信息技術、數字化手段與傳統工程行業有機結合來提高工作效率、提升管理質量已成為施工企業的首選方案[1]。

1 工程概況

錢塘江新建大橋是國內首座多跨長聯公軌兩用懸鏈形上加勁鋼桁梁橋，全長1 350.8 m，主跨240 m，上層為8 車道公路，下層為雙線快軌。無論單跨跨徑還是孔數在國內極少有建成的案例，技術難度非常大；橋址位于錢江二橋下游的強涌潮區域，常年受上游泄洪及下游潮涌影響，又毗鄰滬昆高鐵橋、浙贛鐵路橋及滬杭甬高速公路，施工空間有限，安全管控風險高；與此同時，本項目鋼桁梁采用散拼+頂推安裝工藝，構件數量多、精度要求高、作業時間長。

2 安全信息化

2.1 潮汛預報系統

錢塘江是世界三大強涌潮河流之一，其最大涌潮高度可達3 m 以上，瞬間水位可驟升1～2 m，實測最大涌潮壓力為70 kPa 以上。錢塘江新建大橋因考慮橋墩阻水率和沖刷的影響，承臺全部設計為埋置型，最大埋深9.5 m，采用鎖扣鋼管樁圍堰和拉森鋼板樁圍堰施工，工人作業面位于水平面以下約16 m，涌潮對施工作業安全隱患極大。

傳統的避潮方式主要是通過氣象預報或潮汐漲落規律來推算潮水來臨時間，但受限于氣象預報地域和經驗判別的精準性，往往導致部分不熟悉潮汐規律的人員無法及時撤離或撤離過早耽誤工期，給安全生產帶來極大的威脅。

為了實時對項目橋址周邊的水文、潮汛等數據進行監測，同時將數據上傳到大數據管控平臺，共享到項目部，指導現場施工，研發了潮汛預報系統。該系統主要由潮汛監測裝置、甚高頻VHF 通信系統和潮汛播報系統組成。其中潮汛監測裝置安裝于施工現場下游約15 km 處，負責對每日漲落潮的水文參數進行監測和反饋；然后通過甚高頻VHF 通信系統傳輸至施工現場，再通過潮汛播報系統或QQ/微信群發送給現場作業人員。

潮汛監測系統如圖1 所示。該系統的使用可以使現場提前30 min 左右得知確切的潮水來臨時間及涌浪高度、速度等信息，從而為水上作業人員提供精準的判別和撤離時間信息，既不耽誤現場施工，也能及時撤離，使水上施工安全得到保障。

圖1 潮汛監測系統

2.2 吊裝區域自動化預警系統

錢塘江新建大橋位于錢塘江強涌潮區域，且緊鄰高鐵新橋、浙贛鐵路橋和錢江二橋。施工現場設備作業半徑均涉及既有大橋區域，稍有不慎，將嚴重影響大橋本身安全和車輛的行駛安全。

吊裝區域自動化預警系統主要由高精度毫米波雷達、無線信號傳輸器、信號處理器及聲光報警裝置組成。

通過測量、計算作業平臺尺寸及與既有建筑物的位置關系，在施工作業區域與既有構造物之間布置數量合適的高精度毫米波雷達用于監測是否存在大型起重設備的大臂及吊物有無越界行為，使其之間形成一道無形的安全臨界網（如圖2 所示）。一旦發現越界行為，通過信號處理器排除落葉、鳥類等其他干擾因素后，由無線信號傳輸設備將越界信息迅速傳輸至駕駛室內的聲光報警器。

圖2 雷達覆蓋面

聲光報警器可實時顯示超出安全邊界的大型起重設備吊鉤、吊裝構件和機械臂等距離地面的距離和位置，并進行語音提示和燈光報警給駕駛員，以便迅速進行規避糾正，避免對既有構筑物造成破壞和其他次生損失[2]。

2.3 施工現場安全防護用具物聯監測系統

安全帽作為施工建設過程中必不可少的安全防護用具，承擔著保障工人生命安全的重責。本工程開發了安全防護用具物聯監測系統，研發了安全防護用具物聯監測裝置。該裝置可以對進入施工場地的工作人員安全帽佩戴情況進行監控，同時當作業工人獨自作業發生意外，如發生墜入、摔倒、被物體打擊等事故時，在意識尚存的情況下，通過觸摸安全帽內的SOS求救按鈕，進行系統報警。在突發性危險狀況（如潮汛、起火、坍塌、地震等）出現時，安全管理人員也可通過該系統對全員發出語音警報，通知人員緊急撤離危險區域。最后將脫帽監控警告及求救等功能數據通過系統進行整合，形成數據看板（如圖3 所示），對工程安全問題進行具體分析。

圖3 安全防護用具物聯監測系統數據平臺

2.4 落水人員自動監測報警系統

由于水上施工平臺具有施工點孤零，但施工作業內容繁雜且涉水、涉航、涉夜等高風險作業環境特點，傳統的防護網、柵欄等被動式防落水措施，看管維護工作量大，且難以發現和對異常情況、緊急情況做到風險預警、及時響應。針對這一情形，研發了落水人員自動監測報警系統，實現了對海上獨立施工平臺的全天候自動監控和及時報警。

落水人員自動監測報警系統主要由毫米波雷達、AI 攝像頭、無線信號傳輸器、信號處理器及聲光報警裝置組成。其中毫米波雷達主要負責空間布控和運動檢測，在施工平臺的周邊進行布控，劃定平臺安全界限（如圖4 所示），一旦雷達探測到布控區域內有人員或較大物體進入及自由落體運動，將通過處理中控進行算法識別，而后利用4G 網絡將報警信號傳輸至服務器；AI 攝像頭負責AI 識別和越界偵測，輔助雷達實時監測人員/材料是否意外落水，如事件發生則觸發報警后立即啟動聲光現場報警及通過短信平臺進行值班室聯動報警，進而將預警信息傳達至各應急救援小組成員及應急救援智慧中心等。

圖4 落水人員自動監測報警系統示意圖

3 施工信息化

3.1 鋼桁梁頂推自動測量技術

本工程鋼梁施工時采用在兩岸設置拼裝平臺，逐步由兩岸雙向頂推，中跨合龍的方式進行。由于鋼桁梁跨度大、頂推距離長、合攏精度要求高，對頂推過程中的測量監測、空間位置糾偏的實時性要求越來越高。采用以往人工測量方法，存在受環境影響和人為誤差影響較大、作業效率低且實時偏差數據不能與參建各方及時進行共享和糾偏的問題。

本工程研發了一套自動測量方法及軟件來解決上述難題，主要由Leica TS60 機器人全站儀、無線傳輸模塊、Bridge launching 橋梁頂推測量系統3 個模塊組成[3]，主要通過徠卡智能機器人自動測量目標棱鏡，然后自動循環采集、計算橋梁頂推過程中的縱向頂推距離、橫向偏距及與初始高程的高差。通過無線傳輸模塊將數據實時傳輸至計算機Bridge launching 橋梁頂推測量系統，最后對采集的數據進行計算對比分析，并將處理結果通過云平臺傳輸至鋼桁梁頂推可視化平臺（如圖5 所示），實現橋梁頂推進程及相關數據的可視化。

圖5 鋼桁梁頂推可視化平臺

該技術的應用極大提高了測量效率，減少了測量人員投入，也降低了橋梁頂推施工過程中的安全風險，可廣泛應用于需實時進行監測測量、數據共享分析的橋梁頂推、爬升及隧道測量、房建測量等領域。

3.2 無人機實景三維測量技術

針對錢塘江新建大橋強涌潮區域水上施工測量定位困難、安全風險大的難題，譬如棧橋搭設、鋼護筒定位、河床沖刷監測、塔柱頂面安裝精度的檢測等水上或高空測量作業，施工過程中需不斷采集數據進行匹配、校核、調整。采用傳統人工測量放樣的方法開展工作比較困難，工作安全風險高。

為了解決上述困難，本工程應用了一種無人機實景三維測量技術。該技術原理為通過在無人機上搭載多臺傳感器，從垂直、傾斜等多個角度拍攝，獲取高精度影像。較常見的為搭載5 臺相機分別朝向前、后、左、右和垂直向下。在每個曝光點上，由多個鏡頭同時獲得不同角度的影像。拍攝影像時需同時獲取曝光時間、平面位置、航高、大地高、飛行姿態等數據[4]，然后由計算機生成實景三維模型。采集拼裝數據與理論模型數據進行對比校核。

錢塘江新建大橋采用大疆經緯M300 RTK 飛行平臺加掛賽爾102S 五鏡頭傾斜攝影像機，單個鏡頭2 400 萬像素，合計12 000 萬像素。主要用于以下場景：①利用無人機生成正攝影像，將成果與AutoCAD 進行整合，在正攝影像上進行施工道路、臨時場站規劃，快速驗證施工場地選址的合理性，提升了臨建施工信息化水平，提高了前期勘察與臨建施工效率。對于護筒定位檢測、圍堰平面檢測這些風險大、棧橋晃動儀器架設困難的工作，利用無人機生成正攝圖像進行比對。②臨時棧橋受潮水往復沖刷，水下地形變化大，利用無人機加掛激光雷達對水下地形進行測量和分析，及時發現水下地形的變化，確保棧橋的安全。③利用無人機航攝測量系統對錢塘江新建大橋進行三維實景建模，在模型上對鋼梁各個部位的安裝精度進行檢查，指導下一節段的拼裝，精度達到20 mm，大大降低了傳統測量人員工作過程中的安全風險，解決了全站儀視角阻擋和測站架設的難題，極大提升了工作效率。

同時，該技術可廣泛用于施工行業內的地形地物測、土石方計算、臨建布置及質量安全進度檢查方面。

4 結束語

當前建筑行業數字化水平遠遠低于國外建筑業數字化水平，希望通過錢塘江新建大橋在數字化方面的研究與應用，為后續類似工程數字化技術提供可借鑒的思路。充分發揮數字化技術“跨界融合、集成創新”的優勢，為建筑業高質量發展提供技術和安全保障。