远程实时模架安全监测数据采集系统研发与应用*

牛学超，党 策，岳中文

(1.北京工业职业技术学院，北京 100042； 2.北京信息职业技术学院，北京 100018；3.中国矿业大学(北京)，北京 100083)

0 引言

模架倒塌已成为建筑事故主要类型，倒塌事故由多种因素造成，包括模架自身特性。由于模架属于超静定结构，连接节点为半刚性，存在较多理论分析问题，给模架设计带来一定困难。受多种人为因素的影响，难以按设计要求进行模架搭设，使模架使用时存在安全隐患。多位学者基于不同角度研究了模架变形模态、节点半刚性和稳定计算方法等[1-2]，如谢楠等[3]通过实验室试验和现场试验分析了模架立杆承载力，施炳华等[4-5]和杜荣军[6]均对立杆计算长度取值进行了研究。多数研究采用数值模拟、理论分析方法，部分研究采用物理模型试验方法。为保证模架使用安全稳定，需对其进行受力与变形实时监测。

鉴于施工现场缺少成熟的模架安全监测仪器，笔者在多年试验研究的基础上[7-9]，研发了远程实时模架安全监测数据采集系统。该系统在多个模架工程中完成了性能测试，已达实际应用水平。

1 研发背景

自2014年以来，笔者先后研发6套模架安全监测仪器。研发初期主要利用监测仪器采集模架位移，因模架位移具有协调性，仅通过监测某点水平位移与竖向位移便可掌握一定区域模架位移，其中，模架水平位移对判断模架稳定性至关重要。随着对监测仪器研究的不断深入及对模架受力与变形规律认识的不断加深，逐步优化监测参数，减少部分监测参数，从而实现监测仪器安装方便、数据采集稳定，并通过4G数据传输技术实现模架安全监测信息化。

1.1 第1代监测仪器

根据模架变形监测原理，利用弹簧、钢丝绳、百分表、滑轮等制作模架安全监测仪器，即第1代监测仪器(见图1)。通过螺丝钉将弹簧、滑轮固定在木板两端，并将百分表固定在木板上，将百分表探针固定在钢丝绳上，利用百分表探针变形量等于钢丝绳伸长量或收缩量的原理，实现直观监测模架变形的目的。

图1 第1代监测仪器

1.2 第2代监测仪器

第2代监测仪器位移传感器外形尺寸为74mm×74mm×323mm(长×宽×高)，外壳由硬铝加工而成，并进行表面处理(见图2)。将百分表、弹簧和滑动板进行有效连接，采用拉绳传递位移，当固定在模架上的钢丝绳长度发生变化时，带动弹簧变形，通过滑动板传递给百分表，百分表读数即为模架变形量。另设1套角度传感器，将杆件角度变化与位移变化相结合，从而计算模架水平位移与竖向位移。由于位移传感器和角度传感器均能输出电信号，可通过数据采集仪采集数据。第2代监测仪器的优点是可在雨水或潮湿等复杂环境中工作，具有良好的抗腐蚀性、强度及抗冲击能力，但制作加工工艺复杂，位移传感器与地面固定困难，且存在一定采集误差。

图2 第2代监测仪器

1.3 第3代监测仪器

第3代监测仪器将双轴倾斜仪与位移采集仪进行整合(见图3)，提高了数据采集稳定性，虽仍采用拉绳传递位移，但改进了角度测斜装置与位移采集装置，实现了现场快速安装和快速调试。第3代监测仪器首次采用了ZigBee数据传输方式(见图4)，实现了500m近程无线信号传输。

图3 第3代监测仪器

图4 无线信号传输示意

1.4 第4代监测仪器

为克服第3代监测仪器测点选择困难和误差较大的缺点，设计并制作了第4代监测仪器(坡面激光位移监测仪器)，如图5所示。第4代监测仪器由3个激光传感器和1个四棱台组成，利用激光传感器采集距离，利用四棱台3个面反射3个激光传感器光程，利用3个面几何关系计算模架水平位移与竖向位移。该监测仪器数据采集可靠，省去角度测量，可同时监测x，y向水平位移与竖向位移，但激光传感器安装较困难、耗时较长，不宜在施工现场使用。

图5 第4代监测仪器

1.5 第5代监测仪器

第5代监测仪器(图像激光位移监测仪器)采用图像识别技术，由数据采集仪、垂球、激光测距仪和摄像头组成(见图6)。在测点处固定特制垂球，在垂球中安设小型激光测距仪，激光照至毛玻璃上，毛玻璃安设在圆筒中，圆筒下方安设摄像头，利用摄像头拍摄到的激光点位置计算测点水平位移，利用激光测距仪变化计算测点竖向位移。第5代监测仪器安装方便，图像识别技术先进，毛玻璃中间位置处监测到的水平位移准确，但毛玻璃边缘监测到的数据误差较大。

图6 第5代监测仪器

1.6 第6代监测仪器

第6代监测仪器利用远程实时模架安全监测数据采集系统进行位移监测(见图7)，采用有线或无线的方式进行近程数据采集，满足现场施工要求；采用4G数据传输技术实现远程数据采集，满足长期安全监测要求。工程应用表明，该仪器具有良好的监测效果。

图7 第6代监测仪器

2 数据采集系统概况

远程实时模架安全监测数据采集系统可利用荷载传感器、振弦式应变传感器、针式高精度位移传感器和激光位移传感器监测杆件受力、变形等有关参数，具有近程监测、远程监测、实时监测和限值报警等功能，采用自行编制的数据采集软件，以数值和图像的方式实时显示监测数据。该系统近程状态数据采集距离为100m，远程状态数据采集距离无限制，水平位移量程为10mm(精度为0.5mm)，竖向位移量程为50mm(精度为0.5mm)，应变量程为2 000με，荷载量程为100kN(精度为0.1kN)。

利用远程实时模架安全监测数据采集系统进行荷载监测时，将荷载传感器安放在立杆顶端U形托与托梁之间，将荷载传感器导线连至数模转换模块，并将数模转换模块连至数据采集系统。进行位移监测时，采用特制垂球，将垂球吊点作为监测点，将x，y，z向激光束投射到垂球上，并将激光器连至数据采集系统。利用振弦式应变传感器采集应变数据，根据需要连接针式高精度位移传感器。目前，主要应用该系统采集荷载与位移数据，采集数据可通过有线或无线的方式传至计算机，计算机可进行数据实时显示，进而根据荷载-位移曲线判断模架安全工作状态。

3 工程应用

1)北京市某机场

北京市某机场地下1层采用27m×2.5m×2.2m(长×宽×高)预应力混凝土梁，单梁重达270t，施工时采用新型盘扣式模板支撑架。在混凝土浇筑期间，利用远程实时模架安全监测数据采集系统完成了模架受力与变形监测，通过与现场施工的密切配合，保证了施工安全。

2)北京城市副中心某医院

北京城市副中心某医院直线加速器机房底板和顶板均厚1.5m，楼板自重达76.6kN/m2。施工期间利用远程实时模架安全监测数据采集系统对关键梁、板和墙下模架进行受力与变形监测。根据监测数据，多次调整混凝土浇筑方案，保证了施工安全。

3)北京知蜂堂蜂产品办公楼

北京知蜂堂蜂产品办公楼采用大跨度梁结构，施工采用高8.8m的高大模板支撑系统。根据模架设计说明书，选择合理的测点位置，在主梁混凝土浇筑期间利用远程实时模架安全监测数据采集系统对模架应变、荷载和位移等进行监测，保证了混凝土浇筑期间的模架安全。

4)京燕饭店业务综合楼

京燕饭店业务综合楼地下室梁支模高8.3m，采用型钢作为横杆，并在型钢上组立立杆。由于支撑方式特殊，为保证施工安全，在混凝土浇筑期间利用远程实时模架安全监测数据采集系统对模架进行安全监测，主要监测立杆应力与变形。

5)中铝科学技术研究院科技楼

中铝科学技术研究院科技楼施工时采用17.18m高模架，在4层顶板表面组立支撑架，该工程模架系统具有高度大、类型新、搭设时间长等特点。随施工进度不断改进监测方案，利用远程实时模架安全监测数据采集系统完成了对高大模板支撑系统荷载、位移的监测，实现了远程4G数据传输，并应用限值报警技术保证了现场施工安全。

4 结语

1)在模架安全监测仪器设计与应用过程中，立杆荷载、杆件测点应变、模架竖向位移等较易采集，而模架水平位移较难采集。

2)拉绳式、激光测距式、图像识别式等数据采集系统不易监测模架水平位移，可利用激光垂球进行监测。

3)远程实时模架安全监测数据采集系统利用模架受力破坏与立杆屈曲原理，对监测参数进行了精简，已应用于多个工程中。工程应用表明，该系统安装简单、操作方便、稳定性好，可实现近程、远程信号传输与限值报警，具有良好的监测效果。