混凝土作为土木工程中广泛运用的材料, 其在浇筑时必须振捣充填模板、钢筋与预埋件之间的间隙, 同时排出裹挟在拌合物中的气泡从而达到密实成型效果。但因人工振捣作业随机性强, 复杂结构形式 (特别是密布钢筋) 导致的可浇筑性差, 混凝土拌合物工作性波动大, 振捣效果及施工成型质量一直处于依赖经验性管控的状态, 缺少精准量化的实时评价和监控手段, 致使缺陷形成后无法知晓。处理这类问题常常十分被动且代价较大。国内外对人工振捣混凝土质量监控所做研究不多。目前已有研究采用GPS-RTK定位技术跟踪振捣棒在振捣作业中的运行轨迹和利用特制电极装置采集混凝土振捣插拔时信号差异计算插入振捣时间, 以及结合运用图形软件显示振捣状态, 初步实现振捣监控平面可视化^[1]。

依据GNSS (global navigation satellite system) 的定位技术, 可采用RTK (real-time kinematic) 方式对振捣棒进行实时定位跟踪。目前, 商用GNSS多频率多星组合导航定位效率成倍增加。RTK采用载波相位动态实时差分方法, 相较于一般静态、快速静态, 其动态测量需要事后进行解算才能得到更高精度定位信息。基于GNSS协同工作性所提供的服务更为稳定和可靠, RTK系统解算精度和稳定性也显著提升^[2,3,4], 已能在野外测试实时获得cm级定位精度^[5] (水平精度:±1cm+1×10^-6D;垂直精度:±2cm+1×10^-6D) , 精度满足质量监控需求。同时GNSS-RTK的工作范围可达5km, 也保证了整个施工过程的信号全覆盖。上述技术应用于采集振捣棒棒头位置数据时, 可将GNSS固定接收机安置于已知点作为基准站, 而移动站接收基准站和固定于振捣棒的天线数据, 采用RTK模式获得振捣棒棒点运动实时定位数据。

振捣持续时间是指一次振捣动作从插入到拔出的历时。振捣时间是一个不可或缺的工艺评价参数, 采集装置由安装于振捣电机的电流互感器及转换电路组成。电流互感器是依据电磁学原理将电流进行转换测量^[6], 原理如图1所示。装置采用穿心式电流互感器 (型号为DL-CT08CL5) , 互感器设置一次绕组, 直接安装于振捣棒电机电源线上, 二次绕组匝数为2 000匝, 输出二次电流经转换获取所需电压值, 装置实物及转换电路如图2所示。当振捣棒插入混凝土振捣时, 由于功耗增加, 一次侧电流发生变化, 同步引发二次侧电流变化, 电路转换电压值改变。单片机根据转换电压值变化判断振捣棒插入和拔出混凝土状态。

振捣信息采集盒由专门开发单片机板卡和收发电台等附件组成。系统单片机采取无线射频方式持续接收振捣棒棒头位置3D坐标和振捣状态两类实时信息数据, 经过滤、整合^[7], 然后通过Wi-Fi或GPRS等无线传输方式上传至云端数据库^[8]。

系统采用C/S架构模式, 如图3所示。服务器 (Server) 为云服务器的SQL Server数据库。混凝土振捣过程中, 振捣数据 (包括振捣点3D空间坐标、振捣状态) 以固定的时间间隔通过SOCKET通信, 发送至云端服务器端口;在云端后台运行的服务程序实时接收振捣数据, 并以规定的标准格式写入云端数据库。系统通过ADO与云端远程数据库进行交互, 包括3D可视化振捣计算与分析, 以及振捣信息查询、统计与管理;同时, 系统为手机APP功能提供数据接口, 以指导振捣施工员作业。

可视化软件开发基于VS2 010开发平台, 结合VC++面向对象编程技术、Open GL图形系统^[9]、数据库等技术。该软件实现了现场混凝土浇筑振捣施工信息数据库管理、欠振区自动预警、3D实体的拾取与反馈、3D虚拟环境下的混凝土单元振捣密实效果分析, 以及3D可视化等功能。系统显示功能的架构如图4所示。

可视化效果首先要解决的问题是混凝土浇筑体块的3D建模。利用原有的Auto CAD二维图形技术资料, 将其转化为二维图形交换格式 (如DXF) 。鉴于常见混凝土结构都可以通过二维图形拉伸建立, 因而设计了如下简化建模方法。步骤如下。

1) 获取模型投影的2D图形多边形顶点数据。

2) 为使建立的3D模型表面获得正确的渲染, 判断多边形顶点次序 (顺时针或逆时针方向) :可根据顶点坐标计算多边形面积, 再根据面积的正负判断顶点次序。按照公式 (1) 计算面积, 面积大于零则该多边形顶点为顺时针方向, 否则为逆时针方向。

3) 逐线段拉伸多边形轮廓, 建立3D模型各侧面;并计算每个面的法向量, 以获得正确的光照渲染。

4) 根据多边形轮廓建立3D模型上、下表面。对于复杂的凹多边形, 则对这类多边形进行网格化:将其分解成一组简单的、能够进行渲染的凸多边形。

Auto CAD平面图中各轮廓采用二维多段线, 通过其“标高”属性控制构件底板高程, “厚度”属性控制3D模型的拉伸高度。若混凝土实体不是简单的竖向柱体, 建模时可将实体分解为若干竖向柱体单元构件叠加组成, 如图6所示。

3D模型建立完成后, 需对坐标进行转换。利用GNSS测定现场混凝土浇筑体≥3个关键点的实时位置坐标, 一般选取实体角点;系统设定将关键点坐标与3D模型中相对应点对应匹配。根据用户输入测定坐标以及模型CAD坐标, 自动解算出CAD图映射到GNSS坐标转换参数, 转换关系见式 (2) :

式中:X_C, Y_C, Z_C为模型CAD图中坐标;X_G, Y_G, Z_G为GNSS实测坐标;X₀, Y₀, Z₀为坐标平移参数;A, B为坐标旋转参数。

为计算振捣棒振动对混凝土局部振捣部位影响效果, 需要对模型划分单元、单元赋予振捣参数属性以及分析显示等。首先, 将混凝土浇筑块3D模型划分为若干立方体有限元, 如图7所示;立方体元尺寸精度可设置为1~10cm (取决于一次浇筑体量和计算分析精度要求) ;其次, 为每个立方体元赋予振捣强度属性:振捣强度采用振捣累计时长表达, 以1s为1个单位振捣强度赋值;根据振捣棒棒头位置、振捣时间、振捣棒影响半径以及混凝土钢筋分部和拌合物工作性, 确定每个受振影响范围内立方体元的振捣强度。这其中, 振捣棒棒头位置和振捣时间通过读取云端数据库中获取的现场数据获得;其他评价参数如振捣棒影响半径则根据已有现场大量试验统计参数模型细化选取, 一般取振捣棒棒头半径的5~10倍^[1,10]。

关于实体块中一次振捣影响范围划分问题, 根据振捣棒棒头位置和振捣棒的影响半径, 将振捣影响范围视为竖直圆柱体, 振捣棒头位置为圆柱体底面圆心, 圆柱体半径为振捣棒的影响半径, 圆柱体高度为振捣棒头长度。判断每个立方体元与此圆柱体的空间包含关系, 如立方体元的重心在圆柱体内, 则该体元振捣强度值增加相应倍数的振捣赋值单位。

根据设定的振捣强度阈值 (由现场试验确定^[11,12], 以振捣时混凝土骨料不再显著下沉并开始泛浆的时间为振捣强度阈值) , 逐个体元判断其振捣强度是否合格。3D可视化表达时, 不同振捣强度自动赋予设定的颜色, 加以区分。

对于混凝土浇筑体内部的欠振漏振区域, 其连续体积达到一定程度则需要预警, 告知施工人员及时补振。

欠振区域搜索时, 从某一个欠振体元出发, 搜索其临域26个立方体元, 如图8所示, 找出欠振的相邻体元, 再以这些体元为新的节点, 进一步搜索各处相邻的其他欠振体元, 即进行多叉树搜索, 通过递归算法找出所有彼此相邻的欠振体元。

经过欠振体3D连通域搜索后, 得到混凝土构件内部由连通欠振体元集组成的不规则欠振体。计算所有欠振体体积, 如体积超过设定的阈值, 则将其体积、空间位置参数提交到云端振捣质量报告数据库, 并统计累计欠振体积及其占浇筑体总体积的百分比等质量参数, 并对整体振捣质量进行评价。

为将欠振信息及时反馈给振捣作业人员, 指导振捣人员快速弥补振捣缺陷以实现智能化振捣, 可视化系统以生成预警点的方式对3D振捣质量信息进行有效降维处理, 实时向云服务器和手持PDA (如智能手机) 播报预警信息。

预警点生成采用分层四叉树算法:根据混凝土构件的分层数量和分层高度, 对每层构件进行四叉树划分^[13];统计每个分支所包含的立方体元的振捣强度;如果该分支每个立方体元强度值都超过设定的强度阈值, 即振捣密实, 则该分支不再进行细分, 对该分支遍历终止;如果该分支每个体元的振捣强度值都小于阈值, 即欠振或漏振, 则该分支也不再进行细分, 对该分支遍历终止, 同时统计该分支代表的体积, 并在该区块重心生成一个预警点, 预警点的二维半径由欠振体积计算得到;如果该分支中, 同时包含欠振、漏振和振捣密实的立方体元, 则对该分支进行再次四叉树分割, 对下一级分支进行判别与处理, 如图9所示;最终得到不同大小和空间分布的缺陷预警点, 将预警点半径和位置参数上传到云端数据库, 供预警APP读取。通过读取数据库中的模型数据和预警点数据, 预警APP可快速显示欠漏振体大小和准确位置。如此, 可有助现场施工人员及时对振捣缺陷区域进行补救。

本系统已应用于四川省成都市轨道交通地铁18号线工程锦城广场站混凝土浇筑施工作实时馈控。如:第6段顶板梁板尺寸, 板为22.5m×24.1m×0.8m, 4根纵梁尺寸均为22.5m×1.2m×1.5m。选用ZN50振动棒, 振动棒有效影响半径参考判定模型设定为250mm, 振捣强度阈值为20s, 立方体元尺寸设为10cm, 现场2D预警APP显示效果如图10所示。

3D软件精确显示出混凝土的振捣状况立体效果。结果表明, 施工结束后, 仍有部分区域存在振捣过振情况, 主要集中在3D显示图中的左侧 (构件西南角部分) ;3号纵梁以及面板上存在少量漏振欠振区域。图10中现场APP图形显示出预警点的位置以及大小与3D显示效果一致, 可依据此预警信息指导施工人员对振捣缺陷处及时补振, 以保证振捣质量。

1) 以GNSS-RTK技术测定振捣棒棒头运动轨迹, 利用电流互感器判断振捣棒工作状态, 为3D精确显示振捣效果提供了可靠数据。

2) 浇筑体3D可视化建模、数据读取、振捣信息导入、振捣体元划分、振捣能量计算、缺陷效果评价方法等主要环节, 是3D可视化形象显示振捣状态的重要步骤和内容。

3) 振捣缺陷2D预警APP功能, 方便施工人员及时发现缺陷部位并准确补救。