滬通長江大橋天生港專用航道橋采用先梁后拱、主梁斜拉扣掛和拱肋梁上豎轉(zhuǎn)的多種組合施工方法，首次實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜環(huán)境下鋼桁梁上三肋鋼箱拱的豎向轉(zhuǎn)體施工。滬通長江大橋轉(zhuǎn)體監(jiān)控系統(tǒng)以動態(tài)三維施工場景為展示環(huán)境，通過云端讀取實(shí)時(shí)施工監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，再用數(shù)據(jù)驅(qū)動模型運(yùn)動，將轉(zhuǎn)體過程中大橋各個(gè)構(gòu)件的實(shí)時(shí)狀態(tài)以三維可視化的方式進(jìn)行展示。

工程概況

滬通長江大橋是新建滬通鐵路的控制性工程，為四線鐵路六車道公路合建橋梁，橋梁全長11.072km。正橋鋼梁總長5831.3m，由主航道橋、天生港航道橋和水中非通航孔橋組成，其中天生港專用航道橋采用（1.5+140+336+140+1.5）=619m鋼桁梁柔性拱橋方案。主桁采用剛性梁柔性拱的華倫式三主桁結(jié)構(gòu)，柔性拱設(shè)在336m通航孔。三主桁的橫向桁間距為2×17.25m，邊桁桁高15.7m，柔性拱矢高60m。

天生港航道橋上部結(jié)構(gòu)總體采用“先梁后拱，主梁上分節(jié)拼裝拱肋，再進(jìn)行拱肋轉(zhuǎn)體”的施工方案。其中，平弦鋼桁梁采用架梁吊機(jī)從主墩往兩側(cè)雙懸臂架設(shè)，柔性拱肋架設(shè)采用在鋼梁上成拱，在主梁上完成拱肋拼裝后，利用扣塔將兩側(cè)拱肋分別進(jìn)行精確豎向轉(zhuǎn)體，待就位后安裝拱肋中間的合龍段。滬通長江大橋天生港專用航道橋首次采用主跨達(dá)336m的大跨度公鐵兩用三主桁鋼桁梁柔性拱橋結(jié)構(gòu)。

轉(zhuǎn)體施工監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該監(jiān)控系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成，其中，硬件系統(tǒng)包含施工數(shù)據(jù)的采集和傳輸兩個(gè)環(huán)節(jié)，軟件系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)的存儲、計(jì)算和展示環(huán)節(jié)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖如圖1所示。

硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件工作的穩(wěn)定性直接決定著數(shù)據(jù)的可靠程度，橋梁轉(zhuǎn)體施工是一個(gè)持續(xù)作業(yè)的過程，如果要時(shí)刻掌握橋梁構(gòu)件實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，首先要保證施工數(shù)據(jù)采集過程的連續(xù)性，其次要保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，二者缺一不可。在該轉(zhuǎn)體施工監(jiān)控系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的采集和傳輸這兩個(gè)環(huán)節(jié)是緊密聯(lián)系無縫對接的。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖

數(shù)據(jù)采集

在該系統(tǒng)中，整座橋梁的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)由一定數(shù)量的數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)組成，每個(gè)采集系統(tǒng)包括一個(gè)區(qū)域監(jiān)測點(diǎn)，采集系統(tǒng)中采用了高精度智能傳感器、數(shù)據(jù)自補(bǔ)償和預(yù)處理調(diào)理器設(shè)備以保證采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。考慮到拱肋上沒有穩(wěn)定持續(xù)的供電方式，因此在橋位處無電源條件下采用自供電方式，保證了全天實(shí)時(shí)自動采集。在轉(zhuǎn)體之前所有的采集設(shè)備均進(jìn)行了反復(fù)調(diào)試，在現(xiàn)場的安裝和組網(wǎng)也嚴(yán)格按照方案實(shí)施，避免其他不必要因素影響設(shè)備的運(yùn)行。

數(shù)據(jù)傳輸

該系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸均采用無線網(wǎng)絡(luò)方式24小時(shí)無間斷傳輸?shù)皆贫?。滬通長江大橋天生港專用航道橋所處江面較寬，無線通信信號較差，如果使用普通的無線設(shè)備將會存在數(shù)據(jù)丟失或數(shù)據(jù)傳輸延遲的情況，這都將對轉(zhuǎn)體施工監(jiān)控效果產(chǎn)生影響。因此，在無線傳輸方面采用的是低功耗無線、傳輸距離遠(yuǎn)、可點(diǎn)對點(diǎn)或一對多組網(wǎng)靈活的Lora節(jié)點(diǎn)和智能云盒等傳輸組網(wǎng)設(shè)備，用無線傳輸方式將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸并存儲到云端，解決了江面信號差及需人工采集誤差等問題，保證了數(shù)據(jù)的完整性和實(shí)時(shí)性。

軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

施工數(shù)據(jù)的存儲與計(jì)算

該系統(tǒng)中傳感器的數(shù)據(jù)采集頻率較高，每天都有大量的數(shù)據(jù)由無線設(shè)備傳輸?shù)皆贫诉M(jìn)行處理，由于橋梁結(jié)構(gòu)中每根桿件上安裝的傳感器位置和理論數(shù)據(jù)都不同，所以需要處理每個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)庫中考慮到傳感器的各種狀態(tài)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的若干字段描述實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，例如傳感器安裝位置、理論值、閾值和工作狀態(tài)等，同時(shí)安裝在同一區(qū)域的傳感器對比分析數(shù)據(jù)。所有傳輸?shù)皆贫说臄?shù)據(jù)均由一定的算法計(jì)算后，再存儲到數(shù)據(jù)庫中，以供展示平臺進(jìn)行可視化處理，并實(shí)現(xiàn)了橋梁施工狀態(tài)24小時(shí)異常預(yù)警功能。

三維界面設(shè)計(jì)

使用三維模型可以讓施工細(xì)節(jié)在監(jiān)控系統(tǒng)中反映得更準(zhǔn)確和清晰，通過對三維模型的各種操作能夠讓用戶精確定位到需要查看的施工信息，模型數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性也會讓三維模型產(chǎn)生豐富的動態(tài)效果。首先制作出等比例的橋梁三維模型進(jìn)行貼圖和渲染，生成可以與其他三維引擎平臺對接的模型文件。再根據(jù)橋梁周邊的環(huán)境特征建立虛擬地形，之后將橋梁模型導(dǎo)入到虛擬地形中，在相應(yīng)位置的施工監(jiān)測點(diǎn)上布置傳感器模型后，初步的三維虛擬施工場景則搭建完畢，如圖2所示。

圖2 搭建三維虛擬施工場景

編寫腳本文件可使監(jiān)控系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫產(chǎn)生數(shù)據(jù)交互，既能讀取實(shí)時(shí)橋梁施工監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，也能修改數(shù)據(jù)庫中的數(shù)值。獲得這些數(shù)據(jù)后，將其與相應(yīng)的三維模型綁定，這樣所有的傳感器模型都能顯示實(shí)際設(shè)備采集到的實(shí)時(shí)施工數(shù)據(jù)。

程序客戶端發(fā)布

客戶端的功能直接關(guān)系到監(jiān)控系統(tǒng)的展示效果，上述步驟只是在程序和數(shù)據(jù)庫之間的聯(lián)系，還需要建立起使用者和程序之間的交互，例如對三維模型的各種操作、查看不同位置的傳感器信息、放大或縮小視角等功能，因此根據(jù)橋梁施工方案詳細(xì)設(shè)計(jì)了用戶操作界面，合理設(shè)計(jì)各個(gè)功能按鈕和狀態(tài)顯示欄，按照一定尺寸比例布局在屏幕上，保證整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)所需的功能在屏幕上一目了然。最后將設(shè)計(jì)好所有程序打包成客戶端文件，用戶可以憑借指定的帳號和密碼使用任意一臺電腦登錄施工監(jiān)控系統(tǒng)，各個(gè)參建方可協(xié)同共享轉(zhuǎn)體施工的信息。

圖3 橋梁轉(zhuǎn)體施工監(jiān)控系統(tǒng)主界面

轉(zhuǎn)體施工監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用

2017年10月，滬通長江大橋天生港專用航道橋拱肋成功完成豎向轉(zhuǎn)體，兩側(cè)拱肋完美實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)體對接，該監(jiān)控系統(tǒng)全過程監(jiān)控橋梁轉(zhuǎn)體施工，系統(tǒng)主界面如圖3所示。

橋梁轉(zhuǎn)體施工監(jiān)控系統(tǒng)主界面主要包括三維界面、曲線欄和數(shù)據(jù)欄等部分，用戶可以查看到轉(zhuǎn)體施工數(shù)據(jù)相關(guān)的信息，例如拱肋轉(zhuǎn)動姿態(tài)和角度、測點(diǎn)布置圖和測點(diǎn)數(shù)據(jù)、拱肋之間的高程差曲線等。在主界面中還能對橋梁模型進(jìn)行一定的操作來查找制定位置的施工信息，除了在模型上直接顯示數(shù)據(jù)之外還能打開所有傳感器的列表信息。監(jiān)控人員可以隨時(shí)在電腦上登錄監(jiān)控系統(tǒng)查看各個(gè)拱肋的轉(zhuǎn)動角度、拱肋間高差值、關(guān)鍵部位受力情況等施工數(shù)據(jù)，根據(jù)這些信息可以隨時(shí)調(diào)整現(xiàn)場施工設(shè)備，讓拱肋轉(zhuǎn)體更加精確可控、減小誤差。在橋梁轉(zhuǎn)體施工完成后，還能通過監(jiān)控系統(tǒng)對施工過程進(jìn)行回放，選擇任意時(shí)間點(diǎn)對當(dāng)時(shí)的橋梁整體狀態(tài)進(jìn)行還原。

結(jié)語

滬通長江大橋天生港專用航道橋轉(zhuǎn)體施工監(jiān)控系統(tǒng)在硬件方面使用了高精度智能傳感器和低功耗傳輸能力強(qiáng)的無線發(fā)射設(shè)備，保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，在軟件方面以動態(tài)三維施工場景為展示環(huán)境，通過云端讀取實(shí)時(shí)施工監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，再用數(shù)據(jù)驅(qū)動模型運(yùn)動，將轉(zhuǎn)體過程中大橋各個(gè)構(gòu)件的實(shí)時(shí)狀態(tài)以三維可視化的方式進(jìn)行展示，同時(shí)對轉(zhuǎn)體過程中拱肋各個(gè)測點(diǎn)的高程差數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將各個(gè)測點(diǎn)的高程差曲線與數(shù)據(jù)列表、三維模型、橋梁立面視角同時(shí)展現(xiàn)在畫面中，能夠?qū)崟r(shí)掌握到拱肋的轉(zhuǎn)動姿態(tài)和構(gòu)件的受力狀態(tài)、轉(zhuǎn)體施工的進(jìn)度等信息，保證了拱肋的穩(wěn)定同步轉(zhuǎn)體。