張意，陳怡宏

一種塔吊傾斜度智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張意，陳怡宏

(重慶建工住宅建設(shè)有限公司重慶400015)

塔吊危險(xiǎn)性高，如何實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)塔吊傾斜狀態(tài)是很多建筑施工單位重點(diǎn)關(guān)注的技術(shù)改造內(nèi)容。本設(shè)計(jì)在充分研究塔吊垂直度與其安全關(guān)系的基礎(chǔ)上，提出基于無(wú)線通信技術(shù)的塔吊防傾覆智能監(jiān)測(cè)研究，設(shè)計(jì)出一套具有實(shí)時(shí)、現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控塔吊安全狀態(tài)的系統(tǒng)，以構(gòu)建具有預(yù)報(bào)和預(yù)警功能的建筑用塔吊安全監(jiān)測(cè)機(jī)制。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)高效監(jiān)測(cè)塔吊傾斜度，塔頂檢測(cè)儀和地面監(jiān)控儀能夠有效改善和提高塔吊施工的安全性。

塔吊傾斜度；智能監(jiān)測(cè)；塔頂檢測(cè)；地面監(jiān)控

引言

塔吊的設(shè)計(jì)、安裝、維修和嚴(yán)格的使用管理機(jī)制對(duì)于塔吊安全至關(guān)重要，但人為操作的實(shí)時(shí)性、檢測(cè)精度和生產(chǎn)效率很難達(dá)到預(yù)期要求，同時(shí)對(duì)塔吊安全檢測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)分析需要豐富的經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)知識(shí)，這對(duì)于多數(shù)現(xiàn)場(chǎng)施工操作人員較難實(shí)施。

由于無(wú)線監(jiān)控裝置安裝方便、靈活性強(qiáng)、性價(jià)比高等特性，使得很多行業(yè)的監(jiān)控系統(tǒng)采用無(wú)線監(jiān)控方式，建立被監(jiān)控點(diǎn)和監(jiān)控中心之間的連接。但由于塔吊安全監(jiān)測(cè)場(chǎng)地的特殊性和復(fù)雜性，目前還沒(méi)有出現(xiàn)采用微電子技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)等技術(shù)相結(jié)合的塔吊安全監(jiān)測(cè)的具體研究成果。如果能夠?qū)⑽㈦娮蛹夹g(shù)、無(wú)線通信技術(shù)和數(shù)據(jù)感知、處理技術(shù)有效應(yīng)用到塔吊安全監(jiān)測(cè)中，無(wú)疑會(huì)顯著提高建筑施工的效率和降低安全事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

1 整體方案設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目主要研究基于傾角傳感器和加速度傳感器的塔吊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用以提高塔吊施工過(guò)程的安全性。塔吊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 塔吊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

傾斜度檢測(cè)儀用于分析塔吊在X，Y兩個(gè)方向的傾斜程度，為保障測(cè)量準(zhǔn)確和提高可靠性，采用兩套傳感器以正交位置安裝，各傳感器同時(shí)獲取x，y方向的傾斜角度，利用數(shù)學(xué)算法實(shí)現(xiàn)測(cè)量?jī)A斜角度冗余數(shù)據(jù)處理，一方面提高數(shù)據(jù)可靠性，另一方面用于判斷是否存在傳感器工作異常。

2 傾斜角度測(cè)量基本原理

在測(cè)量?jī)A斜角度的應(yīng)用中，通常采用對(duì)陀螺儀輸出求解積分獲取角度，該方法雖然簡(jiǎn)單，但隨著積分周期的增加，測(cè)量誤差會(huì)逐步加大；此外，陀螺儀測(cè)量的實(shí)時(shí)性與測(cè)量精度在工程中較難處理。針對(duì)塔吊傾斜測(cè)量的特殊性：響應(yīng)速度快，測(cè)量精度要求高，以確保塔吊在工作時(shí)，其傾斜角度必須位于安全范圍內(nèi)，一旦超出極限值，測(cè)量?jī)x必須以最快速度報(bào)告現(xiàn)場(chǎng)操作員和監(jiān)控中心。為此，采用三軸加速度測(cè)量方法獲取兩軸傾斜角度。單軸傾斜角度測(cè)試基本原理如圖2所示。

圖2 單軸傾斜角度

圖2中，傾斜角度可用式（1）計(jì)算得到。

單軸測(cè)量穩(wěn)定性較難處理，為獲取較好測(cè)量效果，采用兩軸測(cè)量加速度獲取傾斜角度，基本原理與式(1)類(lèi)似，傾銷(xiāo)角度計(jì)算如式（2）所示。

顯然要同時(shí)獲取x，y軸兩個(gè)方向的傾斜角度，只需同時(shí)測(cè)量3個(gè)方向的加速度即可，計(jì)算模型如式（3）所示。

為快速準(zhǔn)確獲取塔吊工作中的傾斜狀態(tài)，本設(shè)計(jì)采用2套三軸加速傳感器測(cè)量芯片，通過(guò)32位的高速ARM處理器快速分析、計(jì)算得到結(jié)果。

3 傾斜系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案

針對(duì)塔吊傾斜檢測(cè)，一方面需要通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)獲取塔吊傾斜角度并在本地進(jìn)行顯示和報(bào)警管理，另一方面，為提高安全管理水平，需要將塔吊實(shí)時(shí)傾斜狀態(tài)反饋到地面監(jiān)控中心，因此，系統(tǒng)包括兩大部分：塔頂檢測(cè)儀和地面監(jiān)控儀。

塔頂檢測(cè)儀硬件電路主要包括電源處理模塊、傾斜角度測(cè)量前端電路模塊、處理器電路模塊和無(wú)線通信電路模塊，其組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 測(cè)量?jī)x硬件設(shè)計(jì)方案

電源處理模塊一方面為傳感器檢測(cè)電路提供極低紋波的穩(wěn)壓電源，確保信號(hào)處理電路可靠工作，另一方面需要向處理器電路、無(wú)線裝置與報(bào)警裝置提供驅(qū)動(dòng)電源。信號(hào)處理電路完成信號(hào)的濾波、放大和數(shù)模轉(zhuǎn)換，將傳感器信號(hào)變換成處理器能夠識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。處理器電路主要實(shí)現(xiàn)傳感器信號(hào)的分析與處理，如分析兩套傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性，提高測(cè)量精度，分析各個(gè)傳感器是否正常工作，同時(shí)，當(dāng)某一個(gè)傳感器失效或者塔頂傾斜超過(guò)設(shè)定的安全范圍，通過(guò)本地報(bào)警裝置發(fā)出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)以無(wú)線通信方式通知地面監(jiān)控中心。塔頂檢測(cè)儀的無(wú)線通信裝置主要用于地面監(jiān)控中心與塔頂實(shí)時(shí)通信，將地面監(jiān)控儀設(shè)置參數(shù)發(fā)送到塔頂檢測(cè)儀，塔頂檢測(cè)儀將實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)已經(jīng)工作狀態(tài)反饋到地面監(jiān)控儀。

地面監(jiān)控儀的主要任務(wù)是負(fù)責(zé)設(shè)置塔頂檢測(cè)儀的相關(guān)參數(shù)并以無(wú)線方式發(fā)送到塔頂檢測(cè)儀，同時(shí)，接收來(lái)自塔頂檢測(cè)儀發(fā)來(lái)的實(shí)施測(cè)量數(shù)據(jù)和報(bào)警信號(hào)等。因此，其硬件組成由電源模塊、處理器模塊和無(wú)線通信模塊三部分。其組成結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 地面監(jiān)控儀硬件組成結(jié)構(gòu)

地面監(jiān)控儀在接口上只比塔頂檢測(cè)儀少傳感器接口，其主要功能是以無(wú)線通信方式實(shí)現(xiàn)與塔頂監(jiān)測(cè)儀通信，獲取檢測(cè)儀的測(cè)量參數(shù)或者設(shè)置測(cè)量報(bào)警參數(shù)。

4 傾斜系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案

塔頂檢測(cè)儀一方面需要實(shí)時(shí)測(cè)量?jī)奢S傾斜數(shù)據(jù)，通過(guò)ARM處理器和數(shù)據(jù)融合算法，分析測(cè)量數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性，判斷兩個(gè)傳感器是否工作正常。當(dāng)兩個(gè)傳感器處于正常工作狀態(tài)時(shí)，由處理器計(jì)算獲取最終各個(gè)軸的傾斜角度值，一方面將該數(shù)據(jù)與設(shè)置報(bào)警參數(shù)比較，判斷是否需要發(fā)送報(bào)警信號(hào)。如果該次測(cè)量的傾斜角度數(shù)據(jù)處于安全值范圍內(nèi)，則控制器只需將本次測(cè)量值以無(wú)線通信方式發(fā)送到地面監(jiān)控中心；如果測(cè)量的傾斜角度數(shù)據(jù)超出安全范圍，控制器需要同時(shí)發(fā)送測(cè)量數(shù)據(jù)并發(fā)送報(bào)警命令給地面監(jiān)控中心，并打開(kāi)本地報(bào)警裝置。由于不同施工階段，不同應(yīng)用場(chǎng)合，塔頂傾斜角度安全范圍有所不同，根據(jù)地面監(jiān)控儀發(fā)送的參數(shù)修改命令，塔頂檢測(cè)儀可以動(dòng)態(tài)修改各個(gè)參數(shù)。塔頂檢測(cè)儀軟件流程如圖5所示。

圖5 塔頂檢測(cè)儀軟件流程

地面監(jiān)控儀其軟件功能相對(duì)較小，主要功能是周期性向塔頂檢測(cè)儀發(fā)送握手命令，確保通信聯(lián)絡(luò)正常，其次是向測(cè)量?jī)x發(fā)送參數(shù)設(shè)置命令和相關(guān)參數(shù)值。當(dāng)通信聯(lián)絡(luò)正常后，監(jiān)控儀將接收來(lái)自檢測(cè)儀的測(cè)量參數(shù)和各個(gè)傳感器的健康狀態(tài)，并通過(guò)顯示屏顯示相關(guān)參數(shù)與狀態(tài)。

5 測(cè)試驗(yàn)證

本次設(shè)計(jì)的塔頂檢測(cè)儀測(cè)量精度為0.01度。由于安裝位置本身存在傾斜偏差，因此，測(cè)量?jī)x初始角度通常在0.5度左右?？紤]到塔頂監(jiān)控儀與地面監(jiān)控儀操作環(huán)境和操作人員的不同，塔頂檢測(cè)儀沒(méi)有參數(shù)設(shè)置功能，避免操作工人誤操作，系統(tǒng)所有參數(shù)設(shè)置由地面監(jiān)控儀完成，并通過(guò)無(wú)線通信傳輸?shù)剿敱O(jiān)控儀。塔頂檢測(cè)儀與地面監(jiān)控儀實(shí)物如圖6和圖7所示。

其中，圖7中所示的地面監(jiān)控儀觸摸屏中顯示為白底黑字有兩處“報(bào)警參數(shù)”和“時(shí)間”，代表可以設(shè)置報(bào)警參數(shù)和系統(tǒng)工作時(shí)間。X、Y軸報(bào)警參數(shù)設(shè)置范圍為±10度，通過(guò)觸摸功能可以按最小步進(jìn)單位0.1度進(jìn)行上下限調(diào)整。系統(tǒng)默認(rèn)報(bào)警參數(shù)為±5度，即X軸正向、X軸反向極限傾斜為5度，同樣Y軸正反向極限傾斜為5度。任何一個(gè)方向測(cè)量結(jié)果超過(guò)該參數(shù)，塔頂檢測(cè)儀和地面監(jiān)控儀均要報(bào)警。

圖6 塔頂檢測(cè)儀實(shí)物

圖7 地面監(jiān)控儀實(shí)物

6 結(jié)論

本系統(tǒng)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試，各裝置工作正常，可以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)安裝運(yùn)行。通過(guò)該系統(tǒng)的運(yùn)行，可以方便實(shí)現(xiàn)塔吊傾斜預(yù)警監(jiān)測(cè)，改善和提高建筑施工現(xiàn)場(chǎng)安全等級(jí)，特別是對(duì)于無(wú)人監(jiān)管的建筑塔吊的傾斜狀態(tài)的監(jiān)測(cè)具有很高的實(shí)用價(jià)值。項(xiàng)目后期研究任務(wù)，將該系統(tǒng)在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝、測(cè)試并改進(jìn)。

責(zé)任編輯：余詠梅

施工經(jīng)驗(yàn)

預(yù)防現(xiàn)澆板裂縫的“十八字”施工措施

1裂縫現(xiàn)象和產(chǎn)生原因

經(jīng)過(guò)對(duì)被投訴的住房進(jìn)行走訪和查看，現(xiàn)澆板產(chǎn)生裂縫的原因有以下幾個(gè)方面：(1)混凝土的水灰比過(guò)大，表面產(chǎn)生蜂窩、裂縫，現(xiàn)在普遍使用泵送混凝土，坍落度大，材料中細(xì)顆粒偏多，水泥用量大，易引起收縮裂縫。(2)模板支撐系統(tǒng)剛度不足或模板支撐系統(tǒng)拆除過(guò)早，引起混凝土下墜，致使構(gòu)造筋和負(fù)筋移位。(3)現(xiàn)澆板鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度不足，導(dǎo)致其開(kāi)裂。(4)混凝土養(yǎng)護(hù)不當(dāng)，失水過(guò)多。(5)過(guò)早施加荷載，在結(jié)構(gòu)施工階段出現(xiàn)施工荷載大于使用荷載的情況。

2“十八字”預(yù)防措施

抓材料：不合格材料不得使用?；炷翍?yīng)選用合理的配合比和外加劑。對(duì)于預(yù)拌混凝土，注意其坍落度的控制，嚴(yán)禁現(xiàn)場(chǎng)加水?dāng)嚢琛?/p>

控位置：保證模板、鋼筋位置準(zhǔn)確。模板支撐系統(tǒng)的設(shè)置須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格計(jì)算，適當(dāng)減小立桿間距，減小和控制模板下?lián)铣潭?，控制模板頂和混凝土頂?biāo)高。澆筑時(shí)用"十"字形鋼筋構(gòu)件測(cè)量板厚，保證現(xiàn)澆板厚度符合設(shè)計(jì)要求。嚴(yán)格控制板面鋼筋的保護(hù)層的厚度，采用鋼筋馬凳和砂漿墊塊來(lái)固定鋼筋的位置，墊塊布置應(yīng)科學(xué)合理。

精澆搗：注意混凝土澆搗順序和質(zhì)量。泵送混凝土應(yīng)在2～3 m范圍內(nèi)水平移動(dòng)布料，錯(cuò)開(kāi)每層下料位置，認(rèn)真計(jì)劃澆筑順序，大面積板采取"跳倉(cāng)"方式澆搗。澆搗時(shí)振搗棒應(yīng)快插慢拔，根據(jù)不同的混凝土坍落度和現(xiàn)場(chǎng)溫度正確掌握振搗時(shí)間。避免過(guò)振或漏振，嚴(yán)禁用振搗棒橫拖趕動(dòng)混凝土拌合物。采用二次振搗和二次抹壓技術(shù)，改善骨料界面結(jié)構(gòu)，提高混凝土密實(shí)度和強(qiáng)度。

重養(yǎng)護(hù)：混凝土澆筑后及時(shí)澆水并覆蓋，必要時(shí)用塑料薄膜遮蓋養(yǎng)護(hù)，保證樓板混凝土的濕潤(rùn)環(huán)境，控制混凝土硬化過(guò)程中因干縮而引起的收縮裂縫。

慢上人：嚴(yán)格控制新澆混凝土樓板上人和堆載時(shí)間?；炷翝仓蟊ＷC3 d的技術(shù)間歇時(shí)間，嚴(yán)禁集中堆載，避免人為破壞產(chǎn)生裂縫。

緩拆模：控制拆模時(shí)間。按規(guī)定混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的75%以上才可拆模，為避免施工荷載對(duì)現(xiàn)澆樓板的影響，待上層樓板混凝土澆筑并達(dá)到一定強(qiáng)度后方可拆除下一層樓板模板。

Designing An Intelligent Monitor System for Tower Crane's Inclination

There are high risks with tower cranes,how to monitor instantaneously inclined state of tower crane is a great concern that is paid attention by all construction technicians.On the basis of a thorough study of the vertical relationship of tower crane and its safety condition,the design of a tower crane anti-overturn monitoring alarm was tried which is conducted on the basis of wireless communication technology.It is a real-time,on-site and remote monitoring tower crane safety state system and its purpose is to build tower crane safety monitoring system with forecasting and early warning function.The results show that the system can monitor instantaneously the inclination of tower crane.What's more,the top of the tower detecting instrument and the ground monitor can effectively be improved and the safety of tower crane construction is accordingly enhanced.

inclined state of tower crane;intelligent monitor;top of the tower detection;ground monitor

TU731文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1671-9107（2012）03-0050-04

10.3969／j.issn.1671-9107.2012.3.050

2011-11-15

張意（1981-），男，工程師，碩士研究生，主要從事科技質(zhì)量管理工作。