超高层建筑转换层整体钢平台施工安全监控技术_张龙龙.pdf

202212Building Construction2998超高层建筑转换层整体钢平台施工安全监控技术张龙龙上海建工集团工程研究总院 上海 201114摘要：为了提高超高层建筑转换层的钢平台模架施工安全和现场施工效率，减少高空作业施工人员，采用信息化技术对钢平台施工过程进行监控，针对现浇混凝土施工状态、钢平台安全状态、现场作业状态等关键对象开展研究。通过模板侧向压力传感器研发、应力监控系统搭建、视频监控系统搭建、监测软件开发、监测数据分析等方法，实现了超高层建筑钢平台模架施工安全状态监控，极大地提高了现场施工作业信息化水平。关键词：超高层建筑；整体钢平台；施工过程；信息化监控中图分类号：TU974 文献标志码：A 文章编号：1004-1001(2022)12-2998-04 DOI：10.14144/ki.jzsg.2022.12.053Construction Safety Monitoring Technology of Integral Steel Platform for Super High-rise Building Transfer FloorZHANG LonglongEngineering General Institute of Shanghai Construction Group,Shanghai 201114,ChinaAbstract:To improve the construction safety and onsite construction efficiency of the steel platform formwork for the transfer floor of the super high-rise building,reduce the high-altitude construction workers,the informatization technology is used to monitor the construction process of the steel platform,and the key objects such as the construction status of cast-in-situ concrete,the safety status of the steel platform,and the on-site operation status are studied.Through the research and development of the lateral pressure sensor of the formwork,the construction of the stress monitoring system,the construction of the video monitoring system,the development of the monitoring software,the analysis of the monitoring data and other methods,the safety status monitoring of the steel platform formwork construction of the super high-rise building is realized,and the information level of the onsite construction operation is greatly improved.Keywords:super high-rise building;integral steel platform;construction process;informatization monitoring1 工程概况上海某超高层建筑塔楼高度320 m，核心筒高度4549层南侧剪力墙向内斜向收分，在221.40246.90 m的标高区间内（总高25.50 m）共收分2.85 m，形成倾角为6.37的超高倾斜剪力墙结构。项目应用钢柱筒架交替支撑式整体钢平台模架体系进行核心筒剪力墙结构施工，大体量的超高斜墙结构对钢平台施工技术及模板施工技术提出全新挑战（图1）。图1 超高层建筑转换层钢平台施工近年来，整体钢平台模架装备以系统整体性、体型适应性、施工便利性及作业安全性等优势，被广泛应用于当代超高层建造过程中，能够有效提升建筑核心筒施工效率和保障施工质量1-3。钢平台模架施工过程中，受限于其结构体系转换、多工种交叉作业、高空作业危险性以及施工环境复杂，同样存在较大的施工风险4-5。然而，超高层建筑转换层建造技术对于钢平台模架施工会带来更大的技术挑战，如钢平台架体适应性收分、钢平台支撑状态评估、斜墙模板安全状态评估、临边洞口安全保障等6-8。针对以上技术难点，本文采用信息化手段对超高层建筑转换层钢平台模架施工安全状态进行实时监控，进一步提高超高层建筑施工现场作业安全。基金项目：上海建工集团股份有限公司重点科研项目课题（20JCSF-06）。作者简介：张龙龙（1992），男，硕士，工程师。通信地址：上海市闵行区新骏环路700号（201114）。电子邮箱：收稿日期：2022-10-17数字建造DIGITAL CONSTRUCTION建筑施工第44卷第12期29992 钢平台施工变形监测方案2.1 斜墙模板压力监测方案2.1.1 传感器研发设计研发了监测量程为00.5 MPa的振弦传感器，直径114 mm，厚度20 mm。为了研究传感器采集的振动频率值与实际外界作用载荷间的线性规律关系，开展了多组多线程不同荷载工况下的振弦式压力标定试验，分别设置了0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 MPa等不同恒定压力作用于传感器上，通过对传感器采集频率的稳定性和重复性测试后，确定了外载荷P与传感器振动频率的对应关系，见式（1）。PK(f 2if 20)（1）式中：K传感器标定系数值；fi传感器加载时的振动频率值；f0传感器未受力时的振动频率值。2.1.2 斜墙模板施工监测方案采用型钢支架作为斜墙模板支撑体系，型钢支架采用25#工字钢，长度为6 m，下端通过螺杆抱箍与已完成结构紧固连接，上端通过钢管与钢平台大梁连接，在混凝土浇筑阶段及强度形成阶段构成稳固支撑。选取其中一块斜支撑混凝土模板作为监测对象，斜支撑模板在现浇混凝土结构施工时，内侧模板受到混凝土的压力一般高于外侧模板所受压力，因此将压力传感器分布设置于混凝土模板内侧，由下至上间隔1 m高度排列，如图2所示。钢平台型钢支架斜墙钢大模板压力传感器钢筋笼058218058204058201058200钢大模板4 m3 m2 m1 m1 m图2 斜墙模板施工与监测方案当混凝土模板从斜墙表面被拆模后，准备安置模板压力传感器。为保证压力传感器采集数据准确，应尽可能使压力传感器与模板接触面完全贴合。必要时清理混凝土模板表面混凝土废渣，保证混凝土模板表面的相对平整度。通过黏合方式将传感器固定在模板表面，传感器安装时注意避开钢筋碰撞区。压力传感器采集频率信号输出采用2芯屏蔽线，一根为激励电源线，另外一根为信号反馈线。压力传感器的屏蔽线紧贴模板内侧，最终连接外部的振弦式采集仪。图3为斜墙模板侧向压力监测传感器布置现场。2.2 结构应力监测方案钢平台外挂架是钢平台模架设备的重要组成部分，外（a）传感器安装（b）模板压力监测图3 模板压力监测实施现场围挂架与钢平台筒架结构通过顶部钢梁连接，顶部钢梁受力模式为悬挑结构变形受力；斜墙模板施工作业时，通过吊点葫芦带动钢索提拉钢模板升降，模板的质量由顶部钢梁分担，加大了钢平台外围悬挑钢大梁的变形风险。因此在钢梁与筒架柱连接点、钢梁底部安装振弦式应变计，用于测量钢梁施工过程中的变形情况。选取斜墙模板上方的4处悬挑钢梁角部位置进行应力监测，振弦式应变传感器安装在钢梁底部（图4）。悬挑钢梁提拉葫芦振弦式应变计图4 钢梁应力监测实施方案2.3 采集方式本工程采用了数据自动采集与发送功能兼具的智能模块，集成4G全网通信模块、4路振弦采集模块、1路RS485采集模块和4G控制模块，无线数据采集终端自动发送采集信号至云服务器软件。可通过微信小程序对模块进行配置，同时也支持远程后台进行配置。数据采集方式为间隔采集1次/（560 s），采集频率范围为0.450 kHz，采集仪通信方式为无线（任意流量卡）传输，工作温度2560，采样精度0.1%Fs，综合误差2.0%Fs。张龙龙:超高层建筑转换层整体钢平台施工安全监控技术202212Building Construction30003 施工作业监控3.1 混凝土施工监控为了提高钢平台现场混凝土浇筑的施工效率，方便布料人员掌握模板内的混凝土浇筑情况，提高模板内现浇混凝土工艺的标准化以及混凝土浇筑现场施工安全，同时便于管理人员实时查询混凝土结构施工现场进度，搭建了基于钢平台模架的混凝土作业监控系统，实现了对现场钢筋绑扎过程、模板开合过程、混凝土浇筑过程等环节的连续监控。3.2 支撑作业监控牛腿支撑体系是钢平台模架系统的重要组成部分，支撑牛腿伸缩作业也是钢平台模架爬升控制过程的关键部分，支撑牛腿伸缩作业状态识别对于提高钢平台模架爬升控制自动化程度和模架搁置施工状态安全尤为重要。模架支撑牛腿控制方式多由现场操控工人手动启停现场顶推油缸实现伸缩控制，钢平台每个核心筒里设置1名操控人员，支撑牛腿控制的自动化程度较低。通过设置支撑牛腿伸缩状态监控系统，大幅缩减现场牛腿操控人员，在控制末端设置1名操控人员完成所有支撑牛腿的伸缩控制，提高了钢平台支撑作业的自动化程度。3.3 临边封闭性监控高空坠物在超高层施工中造成的人员伤亡事故中经常出现。钢平台施工过程防护措施操作不合理也会造成高空坠物的风险，钢平台外挂架与建筑核心筒的活动间隙成为高处物体坠落的重大风险源。除此之外，在钢平台爬升过程中，外挂架与建筑核心筒还要保留足够的活动间隙，避免核心筒外墙凸出的钢筋、角铁、连接件等碰撞或勾挂钢平台外挂架，造成钢平台架体爬升失稳及阻碍钢平台爬升。通过在钢平台外挂架处设置视频监控系统，实现了核心筒、外挂架临边封闭性的高效监控，避免了因人力不足、安全意识不够、施工人员疲劳引起的安全事故，降低了钢平台施工过程高空坠物的风险。4 监控平台与结果分析4.1 平台监测开发了基于远程网页端的钢平台模架安全监控软件，如图5所示。在监控平台系统内组态现场采集仪设备信息，建立采集仪外接的振弦式传感器/485式传感器数据的参数信息；传感器与采集仪连接后，在现场网络通信正常的环境下，数据采集仪可将传感器反馈的监测信号发送给平台软件，通过对传感器实时监测信号与传感器初始状态反馈值进行比较、计算，得到了钢平台现场监测构件力学性能变化的实时数据。图5 基于远程网页端的钢平台模架安全监控软件4.2 模板侧压力分析图6为斜墙模板内不同高度位置的侧向压力数据曲线，数据采样间隔为1 min，斜墙模板内混凝土浇筑时间在1014点。1#传感器设置于模板底部，相对于混凝土模板底部高度1 m，2#、3#、4#传感器安装高度依次递增1 m。压强/MPa压强/MPa压强/MPa压强/MPa00.010.020.030.040.0500.010.020.030.040.0512点14点16点17点19点21点22点0点2点4点5点7点监测时间（a）斜墙模板在1 m高度的侧向压力变化曲线12点14点16点17点19点21点22点0点2点4点5点7点监测时间（c）斜墙模板在3 m高度的侧向压力变化曲线（b）斜墙模板在2 m高度的侧向压力变化曲线监测时间12点14点16点18点19点21点22点0点2点4点5点7点（d）斜墙模板在4 m高度的侧向压力变化曲线监测时间12点14点16点18点19点21点22点0点2点4点5点7点00.010.020.030.040.0500.0050.0100.0150.0200.0250.0301#传感器 3#传感器4#传感器 2#传感器图6 浇筑、初凝、凝固全过程斜墙模板侧向压力变化曲线图6（a）显示，混凝土浇筑过程中斜墙内模板的侧向压力最大值为0.038 MPa；当混凝土浇筑完成后，1721点的时间段内，混凝土浇筑完成后的第37小时属于混凝土初凝阶段，混凝土对模板的侧向压力开始增大，最大侧向压力值达到了0.046 MPa，压力最大值发生在模板底部。模板内混凝土浇筑的高度为4.5 m，1#、2#传感器的监测数据代表了模板高度位置在1、2 m处的侧向压力，图6（a）、图6（b）数据曲线结果显示，模板高度在12 m范围内的侧向压力变化趋势相似，模板内侧向压力最大值均超过了0.04 MPa；模板内混凝土经过12 h的凝固后，其数值均降低至0.02 MPa左右。3#传感器的监测数据代表了模板在3 m高度位置的侧向压力数据，图6（c）监测曲线表明，混凝土浇筑完成后的4 h初凝时间段内，模板所受到的混凝土侧向压力不断在张龙龙:超高层建筑转换层整体钢平台施工安全监控技术建筑施工第44卷第12期3001增大，在浇筑后的第57小时，模板侧向压力达到最大值0.043 MPa。4#传感器的监测数据代表了模板在4 m高度位置的侧向压力数据，图6（d）监测数据曲线表明，此处的模板压力数据较小，混凝土浇筑到凝固全过程的模板侧向压力数据小于0.03 MPa。从混凝土浇筑完成时刻14点开始，每隔1 h记录一组传感器监测数据，图7为连续17 h的斜墙模板压力变化趋势。从监测数据中得出，在模板1、2、3 m处的侧向压力最大值明显高于4 m处的模板侧向压力，在模板1、2、3 m处的模板侧向压力最大值均超过0.04 MPa。混凝土浇筑完成后的36 h内，模板侧向压力不断在增大；混凝土浇筑完成7 h后，混凝土作用的模板侧向压力逐渐减小，整体模板侧向压力最大值降至0.03 MPa内。00.0050.0100.0150.0200.0250.0300.0350.0400.0450.050实时强度/MPa监测时间15点17点19点21点23点1点3点5点7点 1 m 2 m 3 m 4 m图7 浇筑后模板各位置的侧向压力变化曲线4.3 钢梁应力变形分析对钢平台外挂架顶部悬挑钢梁进行应力监测，重点分析钢模板重力和现浇混凝土作用的钢平台顶梁应力变化情况，如图8所示。应力/MPa监测时间012345678910111213141516171819208点 10点12点13点15点17点19点20点22点 0点 2点 3点 5点 7点 8点DCBA 1#梁 2#梁 3#梁 4#梁图8 钢平台悬挑钢梁应力变化曲线通过对钢梁应力历史数据进行分析，当钢模板的重力施加于钢平台顶梁上时，钢梁应力变化过程见图8中的A阶段，钢梁部位发生最大应力值为5.5 MPa；图8中B阶段为模板内混凝土浇筑过程的钢梁应力变化情况，随着模板内混凝土体量增大，钢平台顶部钢梁变形受到模板内混凝土动态施工作用越大；图8中C阶段为模板内混凝土浇筑完成后的初始凝固过程，钢平台顶部钢梁受力负载来自模板自身重力以及全部混凝土重力的侧向力，钢平台顶部钢梁应力变化增大了17 MPa；图8中D阶段为混凝土凝固成形过程，混凝土对模板的侧向力逐渐减小，钢平台顶部钢梁受到的外部荷载不断变小，混凝土浇筑18 h后，钢梁应力变化为7 MPa。可见，通过钢平台钢梁作为吊点支撑斜墙模板施工的方案是合理的，钢平台悬挑钢梁施工状态比较安全。5 结语针对塔楼核心筒结构斜墙施工难度大、模板倾斜支撑风险系数高、传统模板体系无法感知现浇混凝土侧向压力等技术难点，研发了可贴合模板表面的高精度压力传感系统，实现了现浇混凝土模板侧向压力的实时感知、预警，降低了斜墙混凝土模板施工风险。钢平台现场施工环境复杂，借助视频监控技术，解决了支撑牛腿伸缩状态操控工人无法感知的问题，提高了钢平台上布料机设备现浇混凝土作业施工效率，钢平台施工临边洞口状态巡检方式得以改变，提升了效率，减少了现场钢平台模板施工人员数量。依靠钢平台模架钢梁支撑的现浇混凝土斜墙模板施工方案，解决了斜墙模板施工的关键难题。通过对钢梁关键节点的实时监测与受力分析，验证了钢平台斜墙模板施工状态是安全的、可靠的。1 龚剑,房霆宸,夏巨伟.我国超高建筑工程施工关键技术发展J.施 工技术,2018,47(6):19-25.2 朱毅敏,徐磊,陈逯浩,等.整体钢平台结构体系安全性能研究J.结 构工程师,2022,38(3):155-163.3 龚剑,朱毅敏,徐磊.超高层建筑核心筒结构施工中的筒架支撑式液 压爬升整体钢平台模架技术J.建筑施工,2014,36(1):33-38.4 姚浩,陈超逸,宋丹妮.基于复杂网络的超高层建筑施工安全风险耦 合评估方法J.安全与环境学报,2021,21(3):957-968.5 沈阳,徐磊,王少纯.基于风险管理的整体钢平台变形预警指标研究 J.中国安全科学学报,2021,31(6):56-63.6 黄玉林,张龙龙,左自波,等.基于实时监测的整体钢平台模架控制 技术J.空间结构,2021,27(2):83-89.7 刘勇.超高层建筑转换层的施工技术研究J.山东农业大学学报(自 然科学版),2020,51(3):537-541.8 左自波,潘曦,黄玉林,等.超高层ICCP安全监测与控制的预警指标 研究J.中国安全科学学报,2020,30(1):53-60.张龙龙:超高层建筑转换层整体钢平台施工安全监控技术