許進(jìn) 畢金鋒 羅先啟

摘要：為保障三峽升船機塔柱結(jié)構(gòu)安全和升船機的運行維護(hù)，需要對塔柱外觀變形進(jìn)行檢測。塔柱外觀檢測受通航、天氣和作業(yè)條件等諸多因素影響，檢測質(zhì)量和工期難以保障，對檢測方案進(jìn)行科學(xué)高效評價和比選非常必要。針對塔柱主要區(qū)段結(jié)構(gòu)特點，提出了多種外觀檢測方案，并采用現(xiàn)場調(diào)查和專家投票相結(jié)合的方式對每種方案優(yōu)劣進(jìn)行綜合評價。通過專家打分和現(xiàn)場計算為各指標(biāo)賦值，運用熵值法對指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)，形成了主客觀結(jié)合的綜合評價體系。實踐表明：通過該綜合評價方法優(yōu)選的方案檢測工期比預(yù)算縮短18.5%，采集畫面總合格率在99.6%以上，可為類似高聳建筑外觀檢測方案決策提供參考和借鑒。

關(guān) 鍵 詞：塔柱; 外觀檢測; 熵值法; 綜合評價; 三峽升船機

中圖法分類號： TV698.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.05.025

0 引 言

三峽升船機是三峽水利樞紐的永久通航設(shè)施之一，主要為3 000 t級客貨輪和特種船舶提供快速過壩通道[1]，是目前世界上最大的升船機。三峽升船機船廂體塔柱是超靜定薄壁鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)[2]，其變形和內(nèi)部應(yīng)力受荷載、溫度等因素影響，易產(chǎn)生表面裂縫。為保障塔柱結(jié)構(gòu)和運行安全，依據(jù)相關(guān)監(jiān)測規(guī)范要求，需要對塔柱進(jìn)行外觀檢測。由于三峽升船機塔柱高聳、內(nèi)部中空、結(jié)構(gòu)復(fù)雜[3]，人工巡視[4]、無人機[5]或爬壁機器人檢測[6-9]等手段都難以對塔柱進(jìn)行全面、安全的檢測。無人機檢測施工通常運用在獨立、開闊空間的建筑物上[10-11]，其飛行作業(yè)對三峽升船機運行不利。國內(nèi)外研制的各類爬壁檢測機器人也無法適用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的混凝土建筑物外觀檢測[12-14]。此外，三峽壩區(qū)陰雨天氣較多，光照條件差，對檢測質(zhì)量和施工工期影響較大。在通航運行的同時進(jìn)行外觀檢測更需要創(chuàng)新檢測方案并對方案進(jìn)行科學(xué)高效的優(yōu)選。目前已有專家打分[15-16]和熵權(quán)法[17-18]等綜合評價體系在土木工程施工和水資源利用方案決策中應(yīng)用，這些評價方法具有一定的主觀性和復(fù)雜性。為滿足三峽升船機塔柱外觀檢測要求，本文創(chuàng)新性地提出了多種檢測方案，運用主客觀相結(jié)合的方法構(gòu)建綜合評價系統(tǒng)，對檢測方案進(jìn)行科學(xué)實用的優(yōu)選。

1 工程概況

本次檢測內(nèi)容主要是針對高146 m、長120 m的三峽升船機塔、柱、梁外表面進(jìn)行外觀檢測，裂縫檢測精度要達(dá)到0.3 mm。三峽升船機塔柱對稱布置在船廂室兩側(cè)，塔柱編號及結(jié)構(gòu)如圖1所示。兩側(cè)塔柱在頂部196 m高程處通過7根橫梁和2個平臺實現(xiàn)橫向連接。升船機船廂最高可提升至175 m高程。工程檢測的主要區(qū)段如下：① 2號和4號塔柱的內(nèi)外表面;② 196 m高程處11根橫梁及牛腿，兩平臺下10根次橫梁;③ 24根基礎(chǔ)大梁和16根繩輪梁;④ 三峽升船機4個塔柱共168根縱梁。本文重點對2號和4號塔柱外側(cè)表面，兩塔柱175～196 m高程內(nèi)側(cè)表面以及196 m高程各橫梁、大梁、縱梁和牛腿等位置的檢測進(jìn)行研究。

2 塔柱主要區(qū)段檢測方案

2.1 2號和4號塔柱外側(cè)表面

塔柱墻體外側(cè)表面積大，受側(cè)風(fēng)等不利因素影響大，需根據(jù)工程實際研制相關(guān)設(shè)備，創(chuàng)新作業(yè)模式。

2.1.1 檢測設(shè)備

此區(qū)段檢測主要采用重型爬壁機器人。減小側(cè)風(fēng)對機器人作業(yè)影響的方法有兩種：① 在爬壁機器人上安裝導(dǎo)向孔，穿入導(dǎo)向索，將導(dǎo)向索上部固定，下端與卷揚機相連，通過張拉導(dǎo)向纜將機器人壓緊在塔柱表面，為保持穩(wěn)定，在機器人前段設(shè)置相機支架，固定5部相機進(jìn)行檢測，其單次檢測寬度達(dá)4～5 m;② 在機器人上安裝一對軸流風(fēng)扇產(chǎn)生負(fù)壓，保證在側(cè)風(fēng)條件下機器人緊貼墻壁表面作業(yè)，為降低重心，增加附面效應(yīng)，在其底部安裝寬幅相機，機器人單幀檢測區(qū)域達(dá)3 m×3 m。

2.1.2 作業(yè)模式

采用導(dǎo)向索固定重型機器人作業(yè)時，由設(shè)置在外壁底部的卷揚機通過鎧裝復(fù)合纜繞過塔柱頂?shù)亩ɑ喤c機器人相連，牽引機器人上下移動進(jìn)行檢測（見圖2）。

采用軸流風(fēng)扇重型機器人作業(yè)時，機器人上部吊耳可連接吊纜或安全繩，通過塔柱頂部布設(shè)的吊機實現(xiàn)扇形移動和垂直移動兩種作業(yè)模式。

（1） 扇形移動作業(yè)模式。

此模式采用機器人左右掛耳連接安全繩，中間掛耳接承載纜，如圖3所示。通過程序控制1號和2號吊機纜索收放，牽引機器人在墻面成扇形線移動。通過吊機編碼器記錄纜索的布放長度來實現(xiàn)機器人定位?？紤]纜索的彈性形變帶來的誤差，需要開發(fā)相關(guān)算法進(jìn)行坐標(biāo)修正。在扇形移動作業(yè)模式下，機器人的位置穩(wěn)定性好，兩臺吊機無需移動，作業(yè)效率較高，但是定位計算較復(fù)雜。

（2） 垂直移動作業(yè)模式。

作業(yè)時機器人上部用承重纜連接雙索吊機，如圖4所示，安全繩通過中間吊耳連接單索吊機。機器人位置由雙索吊機水平移動和承載纜收放長度來確定。該模式操作可靠，機器人定位簡單，但需要不斷搬動雙纜吊機來改變機器人橫向位置，作業(yè)勞動強度大，檢測施工效率低。

綜上，對2號和4號塔柱外側(cè)表面檢測共有3種方案：① 導(dǎo)向索固定重型機器人進(jìn)行牽引檢測;② 重型軸流風(fēng)扇機器人扇形移動模式檢測;③ 軸流風(fēng)扇重型機器人垂直移動模式檢測。

2.2 兩塔柱175～196 m高程內(nèi)側(cè)表面

2號及4號塔柱內(nèi)側(cè)表面結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，且檢測施工受升船機運行影響較大，其中175～196 m高程段塔柱內(nèi)側(cè)表面結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，如圖1所示，其檢測難度極大，可選方案采用的檢測設(shè)備和作業(yè)模式總結(jié)如下。

2.2.1 檢測設(shè)備

（1） 輕型爬壁機器人。

此區(qū)段不易安裝吊機，可采用專用輕型爬壁機器人檢測。機器人整體由3K碳纖維管和碳纖維板制造，采用多臺無刷電機和無人機推進(jìn)槳組成推力系統(tǒng)實現(xiàn)爬壁作業(yè)，機器人下部裝有麥克納姆輪，可全向移動。爬壁機器人垂直行程大于140 m，攜帶輕型檢測相機，單幀檢測區(qū)域1.2 m×1.2 m。

（2） 液壓抬升機。

在垂直式液壓抬升機作業(yè)平臺設(shè)置檢測設(shè)備，通過抬升機升降對175～196 m高程塔柱內(nèi)側(cè)表面進(jìn)行檢測。液壓抬升機底座寬1.1 m，可通過船廂兩側(cè)甲板最窄處，垂直抬升高度18 m，能滿足檢測要求。該方案單幀檢測區(qū)域2.5 m×2.5 m。

（3） 檢測桁架車。

檢測桁架車跨設(shè)在船廂兩側(cè)甲板，由平面可移動桁架、滑行軌道、相機組支架以及其他輔助設(shè)備構(gòu)成，桁架能在船廂甲板自由移動，相機的滑動與轉(zhuǎn)向可通過人工牽引或電機驅(qū)動來控制，如圖5所示。桁架車高18 m，寬20 m。相機組支架可安裝10部相機，檢測寬度約20 m。

2.2.2 作業(yè)模式

輕型爬壁機器人通過人工遙控自行在墻壁行走，機器人施工中全程系安全繩。機器人通過4組電機編碼組成的里程計實時記錄機器人的位置坐標(biāo)，控制系統(tǒng)通過換算獲得圖像絕對坐標(biāo)值。

運用液壓抬升機檢測時，待船廂升至175 m高程后，在甲板上抬升載有檢測相機的作業(yè)平臺從下至上依次檢測。檢測時先對相機進(jìn)行基準(zhǔn)標(biāo)定，系統(tǒng)將抬升機的上升速度換算成采集圖像坐標(biāo)增量，并對每張圖像自動標(biāo)定。完成一段位置測量后再由人工推運抬升機進(jìn)入下一位置繼續(xù)測量，每次檢測寬度2～3 m。

運用桁架車檢測時，將船廂提升至157 m高程，在桁架車頂端固定好相機后借助升船機上升移動對墻面進(jìn)行檢測（見圖6）。

2.3 196 m高程各類梁及牛腿

對該區(qū)域進(jìn)行檢測的方案有3種。

（1） 采用吊機配合軸流風(fēng)扇重型機器人進(jìn)行檢測。通過位于塔柱頂部平臺的4部同頻吊機對機器人進(jìn)行控制，檢測時將機器人下放到與橫梁或平臺下次梁相應(yīng)的高度，然后通過改變4部吊機的纜繩長度，調(diào)整機器人的姿態(tài)，使相機正對檢測位置，再通過扇形移動作業(yè)模式，使機器人沿著梁的縱向移動進(jìn)行檢測，如圖7所示。該模式作業(yè)單幀檢測區(qū)域2.0 m×1.5 m。

（2） 采用兩臺液壓抬升機安裝簡支橫梁導(dǎo)軌進(jìn)行檢測。在船廂兩側(cè)甲板對應(yīng)設(shè)置兩臺抬升高度為18 m的垂直抬升機，在抬升機頂部搭設(shè)簡支梁導(dǎo)軌，在導(dǎo)軌中安裝帶有檢測相機滑輪平臺，采用電機或人工牽引滑輪平臺對各橫梁檢測。通過抬升機頂部安裝遙控云臺相機對各牛腿及大梁進(jìn)行多角度拍攝，該方案單幀檢測區(qū)域約2 m×2 m。

（3） 采用檢測桁架車作業(yè)，將相機架折疊成“U”形或“L”形，通過移動桁架車或相機架滑塊對大梁、橫梁和牛腿檢測，單幀檢測達(dá)2.5 m×2.5 m（見圖8）。

3 檢測方案綜合評價

3.1 評價指標(biāo)

對施工方案評價通常以技術(shù)可行性、安全性、進(jìn)度可控性和成本經(jīng)濟性等作為評價原則，先對3個主要區(qū)段各施工方案進(jìn)行編號（見表1）。

結(jié)合工程要求，根據(jù)上述評價原則通過現(xiàn)場調(diào)查獲得可靠性、安全性、進(jìn)度控制和工期成本施工方案四大類22個評價指標(biāo)。采用專家打分對指標(biāo)進(jìn)行篩選，確定了技術(shù)成熟度、施工難度等級、采集畫面合格率、單位面積檢測耗時、單位面積檢測經(jīng)費、升船機停運時間、對塔柱墻壁損傷比和施工安全性等級8個較全面的關(guān)鍵性指標(biāo)。

根據(jù)指標(biāo)屬性不同，分為正向指標(biāo)和反向指標(biāo)。

正向指標(biāo)包括：① 技術(shù)成熟度，是指技術(shù)水平、施工流程、配套保障等方面所具有的工程施工實用化程度，取值范圍為1～9;② 采集畫面合格率，要求檢測采集畫面分辨率不低于1 000×800，無模糊點;③ 施工安全性，按可能產(chǎn)生事故的幾率和可能產(chǎn)生危害的嚴(yán)重程度分級，1級幾率最高且程度最嚴(yán)重。

反向指標(biāo)包括：① 施工難度等級，參照國家關(guān)于崗位難度系數(shù)等級，分為1～5級，1級難度最低;② 單位面積檢測耗時，即區(qū)段檢測施工所需總時間;③ 單位面積檢測經(jīng)費，即檢測總費（檢測設(shè)備研制費、試驗費、安裝拆除費、材料費和檢測勞務(wù)費等）與檢測區(qū)段面積比值;④ 升船機停運時間，為配合檢測施工需要升船機停運的時間;⑤ 對塔柱墻壁損傷比，檢測施工對塔柱墻壁造成損傷面積與所檢測面積的比值。

20名專家根據(jù)各檢測方案內(nèi)容對技術(shù)成熟度、施工難度等級和施工安全性3個關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行打分。同時，考慮不同專家權(quán)威性差異，采用模糊優(yōu)選理論從學(xué)歷、職稱、學(xué)術(shù)成果、評價實踐經(jīng)驗、專業(yè)熟練程度等方面衡量專家打分權(quán)重[19]。再根據(jù)專家評分和其打分權(quán)重計算上述3個關(guān)鍵指標(biāo)數(shù)值。對采集畫面合格率、單位面積檢測耗時、單位面積檢測經(jīng)費、升船機停運時間和對塔柱墻壁損傷比5個關(guān)鍵指標(biāo)采用多次現(xiàn)場實驗記錄數(shù)據(jù)并通過求平均計算獲得數(shù)值，為運用熵值法賦權(quán)做好準(zhǔn)備。經(jīng)計算獲得各檢測方案評價指標(biāo)的數(shù)值如表2所列。

3.2 熵值評價法

在構(gòu)建了三峽升船機塔柱外觀檢測方案評價指標(biāo)體系后，接著對各評價指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)。常用的賦權(quán)方法主要有主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法?？陀^賦權(quán)法不受主觀判斷的影響，是根據(jù)客觀值的內(nèi)在聯(lián)系來計算指標(biāo)權(quán)重，得到的結(jié)果更加客觀。本文采用客觀賦權(quán)法中的熵值賦權(quán)法[20]進(jìn)行計算，使評價結(jié)果更為準(zhǔn)確。以3個重點區(qū)域共9種方案的專家評價分值作為樣本，對各方案的8個評價指標(biāo)值進(jìn)行打分，得到xij。xij表示第i種方案的第j個評價指標(biāo)值（i=1，2，3…9;j=1，2，3…8），計算步驟如下。

（1） 對原始數(shù)據(jù)采用極值法進(jìn)行無量綱化處理，獲得無量綱化值x′ij。

對于正向指標(biāo)：

x′ij=xij-mjMj-mj（1）

對于逆向指標(biāo)：

x′ij=Mj-xijMj-mj（2）

式中：Mj為xij最大值，mj為xij最小值。

（2） 計算特征貢獻(xiàn)率pij，即第j個評價指標(biāo)下，第i個方案的貢獻(xiàn)度。

pij=x′ijni=1xij（3）

（3） 熵值計算。第j項指標(biāo)的嫡值ej為

ej=-1lnni=1pijln（pij）（4）

（4） 差異性系數(shù)計算。第j項指標(biāo)的差異性系數(shù)gj為

gj=1-ej（5）

（5） 確定評價指標(biāo)的權(quán)重wj

wj=gjmi=1gj， j=1，2，3……m（6）

3.3 基于熵值評價法構(gòu)建綜合評價體系

首先對表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理，結(jié)果如表3所列。為了數(shù)據(jù)運算處理有意義，必須消除零，故需對無量綱化后的數(shù)據(jù)采用公式（7）進(jìn)行整體平移。

x′ij=x′ij+α（7）

為了不破壞原始數(shù)據(jù)的內(nèi)在規(guī)律，最大限度地保留原始數(shù)據(jù)，取α=0.000 1。

依據(jù)上述9種方案評價指標(biāo)無量綱化結(jié)果，運用熵值法計算步驟得出各評價指標(biāo)的熵值、差異性系數(shù)及權(quán)重，計算結(jié)果見表4。

將得到的指標(biāo)權(quán)重wj與第i個被評價方案在第j個評價指標(biāo)上的特征貢獻(xiàn)率相乘得出每個方案各指標(biāo)評價的綜合得分（見表5）。將每一種方案各指標(biāo)相加求得各方案的綜合得分S。綜合得分計算公式為

S=mj=1wj×pij（8）

根據(jù)公式計算各方案綜合得分，從高到低進(jìn)行排名，獲得方案在各區(qū)段內(nèi)的名次（見表6）。

根據(jù)各種方案綜合得分排名，選出每個區(qū)段排名第一的方案作為優(yōu)選方案：在2號和4號塔柱外側(cè)表面區(qū)段檢測選擇A2方案;2號和4號塔柱175～196 m高程內(nèi)表面區(qū)段檢測選擇B2方案;196 m高程各梁及牛腿檢測選擇C2方案。

此外，通過對各優(yōu)選方案綜合得分分析，根據(jù)方案在關(guān)鍵指標(biāo)上的得分異常，進(jìn)行針對性的調(diào)整和修正，使已選方案更加合理。例如A2方案中對塔柱墻壁損傷比得分較低，因此施工時要加強機器人外表面防撞設(shè)施，實現(xiàn)對塔柱墻壁的保護(hù);B2方案中施工難度等級得分較低，需要在施工前反復(fù)進(jìn)行設(shè)備調(diào)試和作業(yè)演練，解決難點問題;C2方案要求升船機配合停運時間較長，可結(jié)合船廂停航和檢修計劃合理安排施工時間，以確保檢測施工安全高效。

4 結(jié) 語

根據(jù)綜合評價體系得到的最優(yōu)方案（A2B2C2）已經(jīng)在三峽升船機塔柱外觀檢測工程中成功實施。經(jīng)統(tǒng)計，除去惡劣天氣和臨時性停工等影響外，主要區(qū)段檢測工期比預(yù)算縮短18.5%，采集畫面總合格率控制在99.6%以上，未發(fā)生塔柱墻壁損傷，檢測經(jīng)費在合理范圍內(nèi)，施工過程未發(fā)生任何安全事故。

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（編輯：胡旭東）

Appearance inspection schemes of Three Gorges ship lift tower and its comprehensive assessment

XU Jin，BI Jinfeng，LUO Xianqi

（School of Naval Architecture，Ocean and Civil Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China）

Abstract：

To ensure safety of the tower structure and the operation-maintenance of the Three Gorges ship lift，it is necessary to detect the deformation of the tower appearance.Because of the tower appearance inspection is easily affected by many factors such as navigation，weather and working conditions，the inspection quality and construction period are difficult to guarantee.Therefore，it is necessary to carry out scientific and efficient assessment and comparison of the tower appearance inspection scheme.In this paper，according to the structural characteristics of the main sections of the tower，several appearance inspection schemes were proposed，the advantages and disadvantages of various inspection schemes were comprehensively assessed by field investigation and expert voting.Through expert scoring and field experiment calculation，each index was assigned，and the entropy method was used to weight the index，forming a comprehensive assessment system with subjective and objective combination.Practice showed that the scheme optimized by the comprehensive assessment method had high detection quality and short construction period，which can provide reference for the decision-making of the appearance inspection scheme of similar high-rise buildings.

Key words：

tower;appearance inspection;entropy method;comprehensive assessment;Three Gorges ship lift