甘夢仙，胡 鵬

(1.池州學(xué)院，安徽池州 247000；2.安徽新華學(xué)院，安徽合肥 230088)

大懸挑結(jié)構(gòu)施工監(jiān)測及預(yù)警模型研究

甘夢仙1，胡 鵬2

(1.池州學(xué)院，安徽池州 247000；2.安徽新華學(xué)院，安徽合肥 230088)

大懸挑結(jié)構(gòu)因能夠提供更加寬敞的實用空間而在工程中被廣泛采用，但這類結(jié)構(gòu)受力不利且變形較大，在實際工程施工、使用階段都出現(xiàn)過不少問題和事故。在施工中，如能對實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行快速而有效的分析處理，將動態(tài)結(jié)果清晰明了地展示給安全技術(shù)人員，用于指導(dǎo)現(xiàn)場施工，對預(yù)測的危險情況及時采取安全措施杜絕事故發(fā)生，將具有極大的現(xiàn)實意義。本文在分析影響大懸挑結(jié)構(gòu)受力和變形的主要因素基礎(chǔ)上，建立了對現(xiàn)場實時監(jiān)測數(shù)據(jù)快速有效的分析處理模型，能將分析的動態(tài)結(jié)果及預(yù)測值輸出為報告書的形式，作為采取相應(yīng)安全措施保障人員生命與財產(chǎn)安全的參考依據(jù)。

施工監(jiān)測；數(shù)據(jù)處理；監(jiān)測預(yù)警；插件開發(fā)

一、概 述

隨著建筑設(shè)計、施工水平的提高，大懸挑結(jié)構(gòu)日益增多，這類建筑無論是采用純鋼結(jié)構(gòu)還是鋼混結(jié)構(gòu)，其受力和變形都相當(dāng)復(fù)雜，很難只通過理論計算模型的受力和變形分析確保建筑物施工時的安全。這主要是因為影響結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的因素太多，并且不同因素的影響量大小又在隨時變化著。經(jīng)理論分析和大量工程實踐總結(jié)，施工工序、支撐體系組成、材料剛度、一次連續(xù)施工量、施工荷載及地基變形等是影響結(jié)構(gòu)受力和變形的主要因素。因此，對這類結(jié)構(gòu)，除了要進(jìn)行深入的理論分析得出結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的警戒指標(biāo)值外，還要在施工中采用各類監(jiān)測手段，如常用的振弦式應(yīng)力計、應(yīng)變片及其他各類應(yīng)力應(yīng)變傳感設(shè)備、傳統(tǒng)及現(xiàn)代測量技術(shù)，實時測定受力和變形，尤其當(dāng)主要影響因素變化時，加強(qiáng)監(jiān)測，適時進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集工作可以由遠(yuǎn)程計算機(jī)通過傳感器進(jìn)行完成，但在大型工程中存在大量的控制點，采集到的數(shù)據(jù)量是龐大的，需要及時分析處理，以發(fā)現(xiàn)危險值及預(yù)測未來可能的變化趨勢。

二、實時監(jiān)測數(shù)據(jù)處理方案

在大型工程控制部位設(shè)置了成百上千數(shù)據(jù)采集點，再加上人工外業(yè)觀測數(shù)據(jù)，手工處理這些數(shù)據(jù)已是不可能。目前，大多數(shù)傳感監(jiān)測設(shè)備都將采集的數(shù)據(jù)自動以文本格式或電子表格文件的形式保存在存儲設(shè)備上，還有些人工觀測數(shù)據(jù)需要手工輸入計算機(jī)進(jìn)行分析。處理大量數(shù)據(jù)可以通過各種編程語言自編程序平臺或借助目前普及的大型軟件平臺進(jìn)行插件程序再開發(fā)，顯然前一種方法要求高，實現(xiàn)周期長，需要分析人員對數(shù)據(jù)庫技術(shù)有相當(dāng)?shù)牧私猓欢鎯?shù)據(jù)的電子表格作為辦公軟件的一個套件，在工作中非常普及，且其處理數(shù)據(jù)的能力很強(qiáng)，具有高度的智能化和自動化，借助VB/VBA語言在Office軟件上開發(fā)出一整套從數(shù)據(jù)讀入到分析結(jié)果、報告輸出的快捷插件式程序，這些插件可交互、批量、快速地進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，操作就像辦公軟件的菜單、按鈕使用一樣，一鍵完成多種任務(wù)，大大減少相關(guān)人員的數(shù)據(jù)處理工作量，并且可以輸出任意時間間隔的分析結(jié)果給技術(shù)人員，從而為動態(tài)掌控結(jié)構(gòu)施工安全狀況、及時采取安全防范措施提供參考依據(jù)。插件主要實現(xiàn)功能如圖1所示。

1.數(shù)據(jù)讀入整理

大多數(shù)工程的施工監(jiān)測數(shù)據(jù)及外業(yè)數(shù)據(jù)，多儲存為Excel電子表格文件，這種格式的文件可以直接對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算、統(tǒng)計、處理分析和輔助決策等。因此只需將不符合插件程序要求的行列形式進(jìn)行轉(zhuǎn)換即可被快速讀入。圖2為某大懸挑結(jié)構(gòu)采用振弦式應(yīng)力計自動采集到的Excel格式數(shù)據(jù)，圖中只截取了18個設(shè)置應(yīng)力計部分每隔30 min測得的頻率值，只有將這些頻率根據(jù)該型號應(yīng)力計轉(zhuǎn)換為應(yīng)力才能展示給技術(shù)人員分析，插件程序根據(jù)式(1)編制了“頻率→應(yīng)力”功能按扭，將圖2現(xiàn)場測得的實時頻率處理后結(jié)果如圖3所示，這樣才便于后面插件程序的分析處理。

圖1 施工監(jiān)測插件程序功能分解圖

式中，P為被測位置應(yīng)力值，單位為kPa；K為標(biāo)定系數(shù)，單位為kPa/kHz2；F為實時測得頻率，單位為kHz；F0為基準(zhǔn)頻率，單位為kHz；b為溫度修正系數(shù)，單位為kPa/℃；T為實時測得溫度值，單位為℃；T0為基準(zhǔn)溫度值，單位為℃；C為計算修正值，單位為kPa。

式(1)在應(yīng)用中，當(dāng)施工現(xiàn)場大氣壓有較大變化時，還應(yīng)考慮氣壓修正。

圖2 施工監(jiān)測自動自采頻率數(shù)據(jù)截圖

圖3 施工監(jiān)測頻率轉(zhuǎn)換應(yīng)力截圖

對于存為TXT格式的數(shù)據(jù)，單擊“TXT→Excel”功能按鈕，將調(diào)出選擇TXT文件的對話框，當(dāng)選擇了要轉(zhuǎn)換為Excel格式的文件后，插件程序會快速將TXT文件轉(zhuǎn)換為Excel格式，供后面模塊程序處理。

外業(yè)測得的數(shù)據(jù)，通過“手工輸入”功能菜單，調(diào)入如圖4所示的輸入面板，可以快速準(zhǔn)確地將數(shù)據(jù)輸入并存為程序要求的文件格式。此輸入面板與直接在電子表中輸入相比具有諸多優(yōu)點，它可以全憑鍵盤操作，不用像在Excel中不停換行、在鍵盤與鼠標(biāo)間相互轉(zhuǎn)換等，還可以根據(jù)選擇的不同觀測項目，如沉降量、位移、應(yīng)力、應(yīng)變，自動將輸入的時間及對應(yīng)觀測值在活動工作簿中建立對應(yīng)觀測項目名稱的工作表，以后面程序要求的格式保存在新建工作表中，極大地方便了對外業(yè)觀測資料的內(nèi)業(yè)整理工作。

以上3類數(shù)據(jù)格式的讀入，可以通過“插件程序”中的“數(shù)據(jù)讀入”子菜單下的功能按鈕一鍵實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換整理，形成后續(xù)功能需要的Excel數(shù)據(jù)格式，功能菜單如圖5所示。

圖4 數(shù)據(jù)輸入對話框截圖

圖5 插件菜單截圖

2.數(shù)據(jù)除噪顯示最值

對于已經(jīng)轉(zhuǎn)換為Excel格式的各類監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用求最值、除噪功能可以快速求出任意時間段監(jiān)測數(shù)據(jù)的最大值、最小值并去除不合理的數(shù)據(jù)，該功能處理的數(shù)據(jù)越多，越能提高分析人員的工作效率。單擊圖5中“數(shù)據(jù)處理→顯示最值”按鈕，隨后選中任意想求最值的數(shù)據(jù)區(qū)域，插件會快速將數(shù)據(jù)中的最大值、最小值分別用紅色、綠色標(biāo)出并以對話框顯示最值(如圖6所示)，若有多個數(shù)值同為最大、最小值，插件會同時著色，給分析人員一個直觀的印象。對于合理但又超出警戒值的數(shù)據(jù)會即時出現(xiàn)預(yù)警提示。

圖6 求最值截圖

3.監(jiān)測數(shù)據(jù)圖表化

各類監(jiān)測數(shù)據(jù)，隨時間源源不斷地收集到一起，越來越多，對于大量數(shù)據(jù)如能以清晰直觀的圖表形式展示給施工現(xiàn)場安全技術(shù)人員用，使其能快速分析判斷出主體結(jié)構(gòu)及支架模板的受力變形情況，對指導(dǎo)后續(xù)施工大有裨益，而“數(shù)據(jù)圖表化”功能正好能完成此類工作，大大減少相關(guān)工作人員的計算分析時間。通過單擊圖5“數(shù)據(jù)處理→平滑散點圖”按鈕，可快速輸出如圖7所示的沉降分析圖，另外選擇不同功能按鈕還可以輸出多種形式圖表，如拆線散點圖、拆線線圖等。

圖7 圖表截圖

三、受力、變形的預(yù)測分析

對于施工現(xiàn)場的安全技術(shù)人員來說，除了要對監(jiān)測數(shù)據(jù)及時計算分析，發(fā)現(xiàn)危險采用安全措施外，還有一個重要任務(wù)，就是要提前預(yù)知未來一定時間段內(nèi)主體結(jié)構(gòu)及支架模板的受力、變形趨勢和大小，對可能發(fā)生的危險情況，及早采取措施，加以預(yù)防，這才是安全監(jiān)測的最主要目的。本插件程序根據(jù)現(xiàn)代預(yù)測科學(xué)的相關(guān)理論和方法，如時間序列分析法和回歸分析法等，主要采用了數(shù)學(xué)曲線擬合法、移動平均法、回歸分析法及指數(shù)平滑法等，可以對結(jié)構(gòu)支架受力、變形作出長、短期推測判斷。移動平均法是一種自適應(yīng)趨勢動態(tài)預(yù)測模型，可利用數(shù)據(jù)序列進(jìn)行外推來預(yù)測指標(biāo)的發(fā)展趨勢，該法主要是根據(jù)近期監(jiān)測數(shù)據(jù)對預(yù)測值影響較大，離預(yù)測值時間越長的數(shù)據(jù)影響越小的規(guī)律進(jìn)行，使用觀測值更接近實際情況。回歸分析是借助一元線性回歸及指數(shù)回歸擬合曲線法進(jìn)行預(yù)測。監(jiān)測數(shù)據(jù)分析人員可以根據(jù)實際情況選用不同分析方法，只需單擊想用的分析模型菜單按鈕，即可一鍵完成數(shù)據(jù)圖表繪制及未來趨勢預(yù)測，還可推算未來指定時間的預(yù)測值，作為采取措施的參考。圖7是一實際工程15 d左右的沉降觀測數(shù)據(jù)的分析圖表，可在數(shù)據(jù)圖表的基礎(chǔ)上，給出直線擬合模型公式為

y＝-0.092 4x＋3 853.6

R2＝0.319 9}(2)

插件程序的“趨勢預(yù)測”菜單下的其他功能按鈕還包括指數(shù)曲線擬合模型、移動平均法擬合模型等功能。安全分析人員可以根據(jù)這些模型推算未來一定時間內(nèi)的結(jié)構(gòu)受力、變形的變化規(guī)律。

四、施工監(jiān)測報告

作為監(jiān)測的最終成果，施工監(jiān)測報告書需要呈現(xiàn)給參與作業(yè)單位的領(lǐng)導(dǎo)及相關(guān)技術(shù)人員。目前國內(nèi)多以Word格式打印成冊，也就是施工結(jié)束后，作為收集資料的一項作業(yè)，若手工打字整理，將是一項費時費力的工作，而本插件程序有生成報告的功能，且可以生成指定格式的報告書。如圖5中，當(dāng)單擊“生成監(jiān)測報告→Word版”或“Excel版”時，在隨后出現(xiàn)的對話框中，輸入工程名及其他必要資料，插件自動填加前期數(shù)據(jù)處理結(jié)果、分析圖表、預(yù)測模型公式，并給出未來指定時間內(nèi)的結(jié)構(gòu)受力、變形值，直接在指定的位置保存成Word格式文件。從而使數(shù)據(jù)分析人員從煩瑣的數(shù)據(jù)分析處理、報告書寫中解脫出來。

五、結(jié)束語

本“施工監(jiān)測及預(yù)警模型”的插件程序是建立應(yīng)用在非常普及的辦公軟件平臺之上，插件的使用就像使用辦公軟件一樣通過單擊菜單或按鈕即可完成相應(yīng)的工作，這對數(shù)據(jù)分析人員使用非常方便。該插件是在多項工程實踐施工監(jiān)測中開發(fā)總結(jié)而出的，經(jīng)過多項工程監(jiān)測數(shù)據(jù)的驗證，得到了施工安全技術(shù)人員的認(rèn)可。之前，多是利用辦公軟件手工進(jìn)行文字編制及數(shù)據(jù)計算分析，煩瑣而耗時的數(shù)據(jù)分析總不能及時給安全技術(shù)人員提供即時資料?；趯嶋H工作的迫切需要，編制出此插件程序，使手工需要花幾天時間才能完成的監(jiān)測報告，可以在幾十分鐘內(nèi)完成工作，極大提高了工作效率。

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Research on Monitoring and Warning Model of Large Cantilever Structure Construction

GAN Mengxian，HU Peng

P258

B

0494-0911(2014)09-0097-03

2014-03-27

安徽省自然科學(xué)基金(KJ2013B098)

甘夢仙(1986—)，女，江西上饒人，碩士，研究方向為數(shù)字智能化測繪。

甘夢仙，胡鵬.大懸挑結(jié)構(gòu)施工監(jiān)測及預(yù)警模型研究[J].測繪通報，2014(9)：97-99.

10.13474/j.cnki.11-2246.2014.0305