李勝輝，項恭攀

（1.浙江交工集團股份有限公司，浙江杭州 310051；2.浙江交投交通建設(shè)管理有限公司，浙江杭州 310051）

近年來，新基建作為“數(shù)字中國”國家戰(zhàn)略的重要發(fā)展方向和數(shù)字經(jīng)濟的重要支撐，對應(yīng)工程領(lǐng)域的數(shù)字化施工技術(shù)也在各個項目中快速發(fā)展，同時也強調(diào)“要腳踏實地、因企制宜，不能為數(shù)字化而數(shù)字化”。對于施工傳統(tǒng)行業(yè)來說，實用的才是最好的，才是最有效的。但由于自身的傳統(tǒng)屬性，建筑施工行業(yè)的數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀并不樂觀，存在諸如開發(fā)應(yīng)用成本大、缺乏規(guī)模效應(yīng)，施工現(xiàn)場項目覆蓋率低、空泛不實用等亟需解決的問題。因此，如何利用信息技術(shù)、數(shù)字化手段與傳統(tǒng)工程行業(yè)有機結(jié)合來提高工作效率、提升管理質(zhì)量已成為施工企業(yè)的首選方案[1]。

1 工程概況

錢塘江新建大橋是國內(nèi)首座多跨長聯(lián)公軌兩用懸鏈形上加勁鋼桁梁橋，全長1 350.8 m，主跨240 m，上層為8 車道公路，下層為雙線快軌。無論單跨跨徑還是孔數(shù)在國內(nèi)極少有建成的案例，技術(shù)難度非常大；橋址位于錢江二橋下游的強涌潮區(qū)域，常年受上游泄洪及下游潮涌影響，又毗鄰滬昆高鐵橋、浙贛鐵路橋及滬杭甬高速公路，施工空間有限，安全管控風(fēng)險高；與此同時，本項目鋼桁梁采用散拼+頂推安裝工藝，構(gòu)件數(shù)量多、精度要求高、作業(yè)時間長。

2 安全信息化

2.1 潮汛預(yù)報系統(tǒng)

錢塘江是世界三大強涌潮河流之一，其最大涌潮高度可達3 m 以上，瞬間水位可驟升1～2 m，實測最大涌潮壓力為70 kPa 以上。錢塘江新建大橋因考慮橋墩阻水率和沖刷的影響，承臺全部設(shè)計為埋置型，最大埋深9.5 m，采用鎖扣鋼管樁圍堰和拉森鋼板樁圍堰施工，工人作業(yè)面位于水平面以下約16 m，涌潮對施工作業(yè)安全隱患極大。

傳統(tǒng)的避潮方式主要是通過氣象預(yù)報或潮汐漲落規(guī)律來推算潮水來臨時間，但受限于氣象預(yù)報地域和經(jīng)驗判別的精準(zhǔn)性，往往導(dǎo)致部分不熟悉潮汐規(guī)律的人員無法及時撤離或撤離過早耽誤工期，給安全生產(chǎn)帶來極大的威脅。

為了實時對項目橋址周邊的水文、潮汛等數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，同時將數(shù)據(jù)上傳到大數(shù)據(jù)管控平臺，共享到項目部，指導(dǎo)現(xiàn)場施工，研發(fā)了潮汛預(yù)報系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由潮汛監(jiān)測裝置、甚高頻VHF 通信系統(tǒng)和潮汛播報系統(tǒng)組成。其中潮汛監(jiān)測裝置安裝于施工現(xiàn)場下游約15 km 處，負責(zé)對每日漲落潮的水文參數(shù)進行監(jiān)測和反饋；然后通過甚高頻VHF 通信系統(tǒng)傳輸至施工現(xiàn)場，再通過潮汛播報系統(tǒng)或QQ/微信群發(fā)送給現(xiàn)場作業(yè)人員。

潮汛監(jiān)測系統(tǒng)如圖1 所示。該系統(tǒng)的使用可以使現(xiàn)場提前30 min 左右得知確切的潮水來臨時間及涌浪高度、速度等信息，從而為水上作業(yè)人員提供精準(zhǔn)的判別和撤離時間信息，既不耽誤現(xiàn)場施工，也能及時撤離，使水上施工安全得到保障。

圖1 潮汛監(jiān)測系統(tǒng)

2.2 吊裝區(qū)域自動化預(yù)警系統(tǒng)

錢塘江新建大橋位于錢塘江強涌潮區(qū)域，且緊鄰高鐵新橋、浙贛鐵路橋和錢江二橋。施工現(xiàn)場設(shè)備作業(yè)半徑均涉及既有大橋區(qū)域，稍有不慎，將嚴重影響大橋本身安全和車輛的行駛安全。

吊裝區(qū)域自動化預(yù)警系統(tǒng)主要由高精度毫米波雷達、無線信號傳輸器、信號處理器及聲光報警裝置組成。

通過測量、計算作業(yè)平臺尺寸及與既有建筑物的位置關(guān)系，在施工作業(yè)區(qū)域與既有構(gòu)造物之間布置數(shù)量合適的高精度毫米波雷達用于監(jiān)測是否存在大型起重設(shè)備的大臂及吊物有無越界行為，使其之間形成一道無形的安全臨界網(wǎng)（如圖2 所示）。一旦發(fā)現(xiàn)越界行為，通過信號處理器排除落葉、鳥類等其他干擾因素后，由無線信號傳輸設(shè)備將越界信息迅速傳輸至駕駛室內(nèi)的聲光報警器。

圖2 雷達覆蓋面

聲光報警器可實時顯示超出安全邊界的大型起重設(shè)備吊鉤、吊裝構(gòu)件和機械臂等距離地面的距離和位置，并進行語音提示和燈光報警給駕駛員，以便迅速進行規(guī)避糾正，避免對既有構(gòu)筑物造成破壞和其他次生損失[2]。

2.3 施工現(xiàn)場安全防護用具物聯(lián)監(jiān)測系統(tǒng)

安全帽作為施工建設(shè)過程中必不可少的安全防護用具，承擔(dān)著保障工人生命安全的重責(zé)。本工程開發(fā)了安全防護用具物聯(lián)監(jiān)測系統(tǒng)，研發(fā)了安全防護用具物聯(lián)監(jiān)測裝置。該裝置可以對進入施工場地的工作人員安全帽佩戴情況進行監(jiān)控，同時當(dāng)作業(yè)工人獨自作業(yè)發(fā)生意外，如發(fā)生墜入、摔倒、被物體打擊等事故時，在意識尚存的情況下，通過觸摸安全帽內(nèi)的SOS求救按鈕，進行系統(tǒng)報警。在突發(fā)性危險狀況（如潮汛、起火、坍塌、地震等）出現(xiàn)時，安全管理人員也可通過該系統(tǒng)對全員發(fā)出語音警報，通知人員緊急撤離危險區(qū)域。最后將脫帽監(jiān)控警告及求救等功能數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)進行整合，形成數(shù)據(jù)看板（如圖3 所示），對工程安全問題進行具體分析。

圖3 安全防護用具物聯(lián)監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)平臺

2.4 落水人員自動監(jiān)測報警系統(tǒng)

由于水上施工平臺具有施工點孤零，但施工作業(yè)內(nèi)容繁雜且涉水、涉航、涉夜等高風(fēng)險作業(yè)環(huán)境特點，傳統(tǒng)的防護網(wǎng)、柵欄等被動式防落水措施，看管維護工作量大，且難以發(fā)現(xiàn)和對異常情況、緊急情況做到風(fēng)險預(yù)警、及時響應(yīng)。針對這一情形，研發(fā)了落水人員自動監(jiān)測報警系統(tǒng)，實現(xiàn)了對海上獨立施工平臺的全天候自動監(jiān)控和及時報警。

落水人員自動監(jiān)測報警系統(tǒng)主要由毫米波雷達、AI 攝像頭、無線信號傳輸器、信號處理器及聲光報警裝置組成。其中毫米波雷達主要負責(zé)空間布控和運動檢測，在施工平臺的周邊進行布控，劃定平臺安全界限（如圖4 所示），一旦雷達探測到布控區(qū)域內(nèi)有人員或較大物體進入及自由落體運動，將通過處理中控進行算法識別，而后利用4G 網(wǎng)絡(luò)將報警信號傳輸至服務(wù)器；AI 攝像頭負責(zé)AI 識別和越界偵測，輔助雷達實時監(jiān)測人員/材料是否意外落水，如事件發(fā)生則觸發(fā)報警后立即啟動聲光現(xiàn)場報警及通過短信平臺進行值班室聯(lián)動報警，進而將預(yù)警信息傳達至各應(yīng)急救援小組成員及應(yīng)急救援智慧中心等。

圖4 落水人員自動監(jiān)測報警系統(tǒng)示意圖

3 施工信息化

3.1 鋼桁梁頂推自動測量技術(shù)

本工程鋼梁施工時采用在兩岸設(shè)置拼裝平臺，逐步由兩岸雙向頂推，中跨合龍的方式進行。由于鋼桁梁跨度大、頂推距離長、合攏精度要求高，對頂推過程中的測量監(jiān)測、空間位置糾偏的實時性要求越來越高。采用以往人工測量方法，存在受環(huán)境影響和人為誤差影響較大、作業(yè)效率低且實時偏差數(shù)據(jù)不能與參建各方及時進行共享和糾偏的問題。

本工程研發(fā)了一套自動測量方法及軟件來解決上述難題，主要由Leica TS60 機器人全站儀、無線傳輸模塊、Bridge launching 橋梁頂推測量系統(tǒng)3 個模塊組成[3]，主要通過徠卡智能機器人自動測量目標(biāo)棱鏡，然后自動循環(huán)采集、計算橋梁頂推過程中的縱向頂推距離、橫向偏距及與初始高程的高差。通過無線傳輸模塊將數(shù)據(jù)實時傳輸至計算機Bridge launching 橋梁頂推測量系統(tǒng)，最后對采集的數(shù)據(jù)進行計算對比分析，并將處理結(jié)果通過云平臺傳輸至鋼桁梁頂推可視化平臺（如圖5 所示），實現(xiàn)橋梁頂推進程及相關(guān)數(shù)據(jù)的可視化。

圖5 鋼桁梁頂推可視化平臺

該技術(shù)的應(yīng)用極大提高了測量效率，減少了測量人員投入，也降低了橋梁頂推施工過程中的安全風(fēng)險，可廣泛應(yīng)用于需實時進行監(jiān)測測量、數(shù)據(jù)共享分析的橋梁頂推、爬升及隧道測量、房建測量等領(lǐng)域。

3.2 無人機實景三維測量技術(shù)

針對錢塘江新建大橋強涌潮區(qū)域水上施工測量定位困難、安全風(fēng)險大的難題，譬如棧橋搭設(shè)、鋼護筒定位、河床沖刷監(jiān)測、塔柱頂面安裝精度的檢測等水上或高空測量作業(yè)，施工過程中需不斷采集數(shù)據(jù)進行匹配、校核、調(diào)整。采用傳統(tǒng)人工測量放樣的方法開展工作比較困難，工作安全風(fēng)險高。

為了解決上述困難，本工程應(yīng)用了一種無人機實景三維測量技術(shù)。該技術(shù)原理為通過在無人機上搭載多臺傳感器，從垂直、傾斜等多個角度拍攝，獲取高精度影像。較常見的為搭載5 臺相機分別朝向前、后、左、右和垂直向下。在每個曝光點上，由多個鏡頭同時獲得不同角度的影像。拍攝影像時需同時獲取曝光時間、平面位置、航高、大地高、飛行姿態(tài)等數(shù)據(jù)[4]，然后由計算機生成實景三維模型。采集拼裝數(shù)據(jù)與理論模型數(shù)據(jù)進行對比校核。

錢塘江新建大橋采用大疆經(jīng)緯M300 RTK 飛行平臺加掛賽爾102S 五鏡頭傾斜攝影像機，單個鏡頭2 400 萬像素，合計12 000 萬像素。主要用于以下場景：①利用無人機生成正攝影像，將成果與AutoCAD 進行整合，在正攝影像上進行施工道路、臨時場站規(guī)劃，快速驗證施工場地選址的合理性，提升了臨建施工信息化水平，提高了前期勘察與臨建施工效率。對于護筒定位檢測、圍堰平面檢測這些風(fēng)險大、棧橋晃動儀器架設(shè)困難的工作，利用無人機生成正攝圖像進行比對。②臨時棧橋受潮水往復(fù)沖刷，水下地形變化大，利用無人機加掛激光雷達對水下地形進行測量和分析，及時發(fā)現(xiàn)水下地形的變化，確保棧橋的安全。③利用無人機航攝測量系統(tǒng)對錢塘江新建大橋進行三維實景建模，在模型上對鋼梁各個部位的安裝精度進行檢查，指導(dǎo)下一節(jié)段的拼裝，精度達到20 mm，大大降低了傳統(tǒng)測量人員工作過程中的安全風(fēng)險，解決了全站儀視角阻擋和測站架設(shè)的難題，極大提升了工作效率。

同時，該技術(shù)可廣泛用于施工行業(yè)內(nèi)的地形地物測、土石方計算、臨建布置及質(zhì)量安全進度檢查方面。

4 結(jié)束語

當(dāng)前建筑行業(yè)數(shù)字化水平遠遠低于國外建筑業(yè)數(shù)字化水平，希望通過錢塘江新建大橋在數(shù)字化方面的研究與應(yīng)用，為后續(xù)類似工程數(shù)字化技術(shù)提供可借鑒的思路。充分發(fā)揮數(shù)字化技術(shù)“跨界融合、集成創(chuàng)新”的優(yōu)勢，為建筑業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供技術(shù)和安全保障。