梁陸軍 張智皓 陸龍耀 郟鴻韜 李 強(qiáng) 毛江鴻

1. 浙江省二建建設(shè)集團(tuán)有限公司 浙江 寧波 315200；2. 重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400074；3. 浙大寧波理工學(xué)院土木建筑工程學(xué)院 浙江 寧波 315100

塔式起重機(jī)又稱塔吊，是工程機(jī)械施工的重要部分之一。隨著建筑業(yè)的飛速發(fā)展，塔吊已在建筑工地中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。但是由于塔吊的結(jié)構(gòu)以及作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性，其易成為施工過(guò)程中危險(xiǎn)性較大的設(shè)備。相關(guān)規(guī)范規(guī)定，塔吊凡發(fā)生傾覆、摔臂、折臂、脫軌、塔帽脫落事故，無(wú)論是否有人身傷害及經(jīng)濟(jì)損失，必須按重大事故處理[1]。因此，監(jiān)測(cè)塔吊的運(yùn)行狀態(tài)顯得尤為必要。傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方式主要依靠人工檢查相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)、構(gòu)件來(lái)確保塔吊的正常運(yùn)行。然而該方法工作量較大，且不具備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的功能，具有局限性?；诖?，為提高工作效率及防止傾覆事故的發(fā)生，利用現(xiàn)代信息技術(shù)提升塔吊安全管理水平具有重大意義。

隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，其被廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，基于物聯(lián)網(wǎng)的塔吊安全系統(tǒng)也得到了發(fā)展。張瑜等[2]研究了一種通過(guò)傳感器采集數(shù)據(jù)并具備預(yù)警功能的安全監(jiān)控系統(tǒng)，收集到的數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程端；宋雪飛[3]設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)和BIM技術(shù)的塔吊實(shí)時(shí)安全監(jiān)控平臺(tái)。雖然學(xué)者們?cè)谒醢踩O(jiān)測(cè)系統(tǒng)方面的研究取得了重大進(jìn)展，但是研究工作主要針對(duì)塔吊整體的監(jiān)測(cè)，對(duì)塔身各段的位移變化以及傾斜角度卻少有研究。基于此，本文以某工地1#上回轉(zhuǎn)式塔吊為例，通過(guò)在塔身分段布設(shè)傳感器獲取各段信息，集成一套基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，并結(jié)合施工作業(yè)記錄，實(shí)現(xiàn)對(duì)塔吊吊裝過(guò)程的分段實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1 “塔吊＋物聯(lián)網(wǎng)”監(jiān)控系統(tǒng)的搭建

1.1 監(jiān)控方案

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在眾多塔吊事故類型中，塔吊倒塌的占比最高，接近40%[4]。因此，需要對(duì)塔身著重進(jìn)行監(jiān)測(cè)。本文以某工地1#塔吊為研究對(duì)象，采用監(jiān)控系統(tǒng)加以人工記錄塔吊作業(yè)情況的方式對(duì)其進(jìn)行分段監(jiān)控和分析。為了分析各段的傾斜變化情況，需要實(shí)時(shí)測(cè)量多段的傾斜量，傳感器布置及相鄰距離如圖1所示。圖中編號(hào)1610－1616為傾角傳感器，編號(hào)4601為加速度傳感器，X、Y、Z為傳感器的初始坐標(biāo)。1610－1615傳感器均布置于圖2所示的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段內(nèi)。1616、4601儀器固定放于塔尖。整一套監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控內(nèi)容包括各段X、Y、Z軸的傾角以及塔吊的整體加速度。此外，考慮到風(fēng)載對(duì)塔吊的影響，需要在場(chǎng)地內(nèi)布置小型氣象站用以監(jiān)測(cè)場(chǎng)地風(fēng)速。

圖1 儀器布置示意及其坐標(biāo)系

圖2 塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)傳感器布置位置

1.2 監(jiān)測(cè)儀器選擇

近年來(lái)，科技發(fā)展的速度越來(lái)越快，無(wú)線通信、集成電路、傳感器和微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）以及數(shù)字電子學(xué)越來(lái)越成熟。這一系列的進(jìn)展使開發(fā)低功耗、小體積、低成本和多功能的無(wú)線短距離通信傳感器模塊成為了可能[5]。為方便實(shí)時(shí)觀測(cè)塔吊的運(yùn)行狀態(tài)，本文選取的傾角、加速度傳感器分別為WEMS401-LTL、WEMS401-VIB系列采集器，二者均具有實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)的功能。

傾角傳感器測(cè)量?jī)?nèi)容為X、Y、Z軸三軸傾角，上傳數(shù)據(jù)內(nèi)容為三軸傾角平均值、最大值、最小值，量程為±90°，靈敏度為0.001°，最大誤差為0.01°。加速度傳感器測(cè)量X、Y、Z軸三軸加速度，上傳數(shù)據(jù)內(nèi)容為周期內(nèi)的三軸振動(dòng)平均值、最大值、最小值，量程為±2g，靈敏度為0.07×10－3g。2種儀器均利用抱箍固定在測(cè)點(diǎn)，可在惡劣環(huán)境下長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。為了更直觀地觀測(cè)塔吊運(yùn)行的狀態(tài)，將系統(tǒng)收集數(shù)據(jù)的頻率設(shè)置為1 min/次。該塔吊監(jiān)控系統(tǒng)共布設(shè)了7個(gè)傾角傳感器、1個(gè)加速度傳感器和1個(gè)無(wú)線網(wǎng)關(guān)。另外，場(chǎng)地內(nèi)安裝有1個(gè)氣象站，安裝示意如圖3所示。該儀器可實(shí)時(shí)自動(dòng)記錄場(chǎng)地風(fēng)速、風(fēng)向的變化情況并通過(guò)網(wǎng)關(guān)發(fā)送至終端。

圖3 氣象站及網(wǎng)關(guān)安裝示意

1.3 監(jiān)測(cè)云平臺(tái)搭建

圖4為無(wú)線傳感網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。一個(gè)完整的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)包含一個(gè)用于采集數(shù)據(jù)的感知層，一個(gè)用于傳輸數(shù)據(jù)的傳輸層以及一個(gè)用于數(shù)據(jù)處理和顯示的應(yīng)用層。本文塔吊系統(tǒng)同樣分為3層。感知層由測(cè)量?jī)A角和加速度的傳感器組成，用于收集塔吊工作時(shí)的自身傾角、加速度數(shù)據(jù)；傳輸層主要為GPRS網(wǎng)絡(luò)，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸；應(yīng)用層由遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)云平臺(tái)構(gòu)成，用于顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，如圖5所示。為實(shí)現(xiàn)對(duì)塔吊的智能化管理，在上述硬件的基礎(chǔ)上，通過(guò)設(shè)置用戶名和密碼登錄系統(tǒng)，檢查傳感器的工作狀態(tài)。同時(shí)，該云平臺(tái)具有存儲(chǔ)、下載等功能，不僅可保證數(shù)據(jù)的安全性，而且可以更加方便地對(duì)塔吊進(jìn)行監(jiān)控。

圖4 無(wú)線傳感網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖5 監(jiān)測(cè)云平臺(tái)

1.4 塔身垂直度指標(biāo)

本文對(duì)塔吊進(jìn)行監(jiān)控的目的是獲得塔吊各段偏移的情況，將其與相關(guān)技術(shù)規(guī)范和工程標(biāo)準(zhǔn)給出的控制值進(jìn)行比較，確定塔吊是否處于安全狀態(tài)，以確?，F(xiàn)場(chǎng)人員安全和設(shè)備安全。在監(jiān)控期間，根據(jù)JGJ 33—2012《建筑機(jī)械使用安全技術(shù)規(guī)程》[6]的要求：塔身在無(wú)荷載的情況下，塔身垂直度允許偏差應(yīng)為0.4%。本文研究的上回轉(zhuǎn)式塔吊總高為61 m，即要求在無(wú)荷載時(shí)塔吊垂直度允許偏差為244 mm。

2 作業(yè)過(guò)程塔吊的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析

2.1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理

傾角變化如圖6所示，原儀器擺放為X、Y、Z軸形成的空間直角坐標(biāo)系。由于儀器固定在塔吊上，當(dāng)塔身產(chǎn)生偏移時(shí)，儀器也隨之傾斜，其坐標(biāo)系變?yōu)閄＇、Y＇、Z＇軸形成的空間直角坐標(biāo)系。α為X＇軸與水平地面的夾角，β為Y＇軸與水平地面的夾角，θ為Z＇軸與水平地面的夾角。圖7中OA表示某一段塔身的高度h，通過(guò)式（1）計(jì)算得到的OA＇，即為其工作時(shí)偏移的距離，同時(shí)通過(guò)式（2）計(jì)算可以得到對(duì)應(yīng)的A(x,y,z)坐標(biāo)。

圖6 傾角變化示意

圖7 塔吊計(jì)算簡(jiǎn)化模型

2.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

2.2.1 偏移量分析

以8：00－16：30作為塔吊的一個(gè)工作周期。現(xiàn)已通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)人員記錄了4月14日8：00－16：30的塔吊工作狀態(tài)，如圖8所示，1表示塔吊正處于吊裝狀態(tài)，0表示塔吊處于空載狀態(tài)。

圖8 工作記錄中塔吊的工作狀態(tài)

本文以4月14日8：00的塔吊空閑狀態(tài)為初始狀態(tài)，以17：00即塔吊停止工作后的30 min狀態(tài)為結(jié)束狀態(tài)，通過(guò)式（1）計(jì)算，可得到塔吊各段偏移量，結(jié)果如圖9所示。

圖9 各測(cè)點(diǎn)偏移量

從圖9可以看出，塔吊在吊裝過(guò)程中，各測(cè)點(diǎn)的偏移量隨著高度升高而增加，在工作過(guò)程中，塔尖部分最大位移達(dá)457.12 mm，塔身最大位移達(dá)406.9 mm。1610、1611、1612段塔身對(duì)塔吊工作時(shí)位移響應(yīng)相比其他各段要小，其他各段受吊機(jī)工作影響較大，且會(huì)隨著塔吊的吊裝、卸載而變化，與圖8工作基本吻合，不同的是在圖9中的紅色虛線框部分和藍(lán)色虛線框部分。紅框部分雖然工作記錄上顯示塔吊處于空閑狀態(tài)，但是塔吊整體偏移量較大。根據(jù)JG/T 100—1999《塔式起重機(jī)操作使用規(guī)程》中的相關(guān)規(guī)定，塔吊在運(yùn)行前，會(huì)進(jìn)行空載運(yùn)載作業(yè)。因此，雖然工作記錄中前1 h吊車沒(méi)有處于吊裝狀態(tài)，但在此期間吊鉤加速度、小車距離等問(wèn)題均會(huì)造成偏移量增大。而在圖中藍(lán)框內(nèi)，已知塔吊正處于非工作時(shí)間，但圖中塔身各段的位移仍然存在，結(jié)合當(dāng)時(shí)所測(cè)得的風(fēng)速可知，平時(shí)的風(fēng)速值在0～1 m/s之間，而11：30有5.08 m/s的大風(fēng)。因此，在風(fēng)載的作用下，塔吊各段也會(huì)產(chǎn)生位移。另外，由于本項(xiàng)目中各傳感器安裝位置與塔吊中心軸線存在一定距離，當(dāng)塔吊出現(xiàn)微小的扭轉(zhuǎn)及存在微小旋轉(zhuǎn)的情況時(shí)，塔身自身會(huì)對(duì)水平兩軸的測(cè)量值以及傾斜度產(chǎn)生影響。因此，由于旋轉(zhuǎn)角度的不同，塔吊即使吊裝同一物體也會(huì)產(chǎn)生一定誤差。

為了觀察塔吊工作1 d后的垂直量變化情況，以4月14日17：00（塔吊停止工作30 min后）空載下的塔吊作為結(jié)束狀態(tài)。通過(guò)計(jì)算可知，各測(cè)點(diǎn)偏移量如表1所示。從表中可以看出，塔吊最大偏移量為66.3 mm，遠(yuǎn)小于本文塔吊最大允許偏差244 mm的范圍，塔吊仍安全。

表1 17：00塔吊各測(cè)點(diǎn)偏移量

2.2.2 偏移角度分析

已知可通過(guò)式（2）計(jì)算塔吊各測(cè)點(diǎn)在工作狀態(tài)下的坐標(biāo)(x,y,z)，因此塔身各段偏移角度ω可通過(guò)式（3）計(jì)算。另外，將XOY坐標(biāo)系劃分為4個(gè)區(qū)域，如圖10所示。通過(guò)分析X軸傾角α、Y軸傾角β可以確定傾斜發(fā)生的區(qū)域。

圖10 坐標(biāo)系劃分區(qū)域

當(dāng)α＜0，β＜0，傾斜發(fā)生在第Ⅰ區(qū)域；當(dāng)α＞0，β＜0，傾斜發(fā)生在第Ⅱ區(qū)域；當(dāng)α＞0，β＞0，傾斜發(fā)生在第Ⅲ區(qū)域；當(dāng)α＜0，β＞0，傾斜發(fā)生在第Ⅳ區(qū)域。通過(guò)式（3）計(jì)算及區(qū)域判斷，各段偏移角度及區(qū)域部分?jǐn)?shù)據(jù)見(jiàn)表2，以8：00為起始狀態(tài)，可以從表中看出塔身各段的偏移角度及區(qū)域在同一時(shí)間會(huì)有所不同，說(shuō)明塔身存在一定的扭轉(zhuǎn)。造成塔吊扭轉(zhuǎn)有多方面的因素，包括塔吊自轉(zhuǎn)、風(fēng)、吊鉤擺動(dòng)等，需綜合考慮。

表2 各段部分?jǐn)?shù)據(jù)

綜上所述，通過(guò)此數(shù)據(jù)，可判斷塔身各段的扭轉(zhuǎn)程度，為動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)塔吊工作狀態(tài)提供了一定的參考。相關(guān)人員可利用實(shí)時(shí)獲得的數(shù)據(jù)及時(shí)對(duì)塔機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，從而降低塔吊發(fā)生傾斜倒塌的可能性，提高工作效率。

3 結(jié)語(yǔ)

為實(shí)時(shí)研究上回轉(zhuǎn)式塔吊在工作過(guò)程中傾斜量及傾斜角度的變化，本文通過(guò)安裝氣象站、傾角及加速度傳感器，建立了基于物聯(lián)網(wǎng)的塔吊分段監(jiān)控系統(tǒng)。

1）運(yùn)用了可直接測(cè)量三軸傾角的儀器，并通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)判斷塔吊的運(yùn)行狀態(tài)。結(jié)果表明，塔吊各段偏移量隨著高度的增加而增加，且經(jīng)過(guò)1個(gè)工作周期后，該塔吊垂直度未超過(guò)國(guó)家規(guī)定的安全值，塔吊安全。

2）基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)控技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可同時(shí)測(cè)量3個(gè)方向的傾斜，且具有高精度、高可靠性等特點(diǎn)，可有效解決人工監(jiān)測(cè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的主要難題，為建筑工地安全提供重要的應(yīng)用價(jià)值。

3）可以通過(guò)偏移角度和區(qū)域，及時(shí)調(diào)整塔吊的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)出現(xiàn)較大扭轉(zhuǎn)的地方重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，為動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)提供了一定的參考。

4）本文所測(cè)的數(shù)據(jù)需進(jìn)行計(jì)算處理才能反映塔吊的傾斜量及角度。因此，可以通過(guò)在系統(tǒng)應(yīng)用層中加入自動(dòng)計(jì)算、警報(bào)等功能來(lái)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化，使系統(tǒng)能夠自動(dòng)計(jì)算塔吊的傾斜量以及傾斜角度，并對(duì)超過(guò)國(guó)家規(guī)定安全值的狀態(tài)進(jìn)行預(yù)警。