基于数字孪生技术的悬臂对称浇筑智慧挂篮系统
基于数字孪生技术的悬臂对称浇筑智慧挂篮系统是在传统悬臂对称浇筑施工挂篮基础上，配置安装智能化感知设备，采用无线数据传输，在专有云平台中利用挂篮数字孪生模型进行数据分析对比，给出挂篮运行的状态，实现应力、变形、稳定性的在线预警和数据自动记录，成功应用于成眉线连续桥梁悬灌梁施工中，并进行经验总结，为以后类似桥梁施工尤其是特大无砟轨道预应力混凝土连续刚构桥施工提供了借鉴，具有指导性的意义。系统总体架构如图1所示。
图1基于数字孪生技术的悬臂对称浇筑智慧挂篮系统
一、实施背景
市域（郊）铁路成都至眉山线工程（以下简称成眉线）为成都市向南至眉山方向的跨行政区市域轨道交通线，串联成都市和眉山市，是成都与眉山的同城主通道，是落实成渝城市群规划，构建成都－眉山同城化，加速眉山市经济发展的市域轨道交通线，是成眉一体化轨道交通线网的重要组成部分。工程起于红莲站，止于眉山东站。线路主要沿嘉州路－益州大道南二段－天府大道眉山段－天眉乐高速公路眉山连接线及配套工程－文忠街－裴城路敷设，呈东北～西南走向。线路全长约59.14Km，全线共13站14区间，地下站5座，高架站8座，其中换乘站5座。眉山段土建2工区起于黑龙滩站（不含），止于眉～音区间盾构井。线路全长18.86km，正线17.69km，出入场线1.166km，共设2站（岷东新区站、眉山北站）、3段高架区间、3段路基段、1段明挖区间、眉山北停车场出入线及24座连续梁桥。我部承建范围悬灌梁桥共10座，分别为（57+100+57）m一座、（40+2×64+40）m一座、（48+88+48）m三座、（42+70+42）m两座、（64+2×115+64）m一座、（106+198+106）m一座、（40+64+40）m一座。其中在YDK55+195.809~YDK55+963.809，总长度768m，采用（106+198+106）m连续刚构+（64+115×2+64）m连续刚构跨越岷江，其中198m为主航道孔，为目前我国首座采用无砟道床形式的200m级跨度的连续刚构铁路桥。
悬臂对称浇筑是大跨径预应力混凝土连续梁和连续刚构桥的核心施工技术，挂篮是其实施的最重要设备。在整个浇筑过程中，挂篮生根于已建成梁端，承担了新浇筑梁段的支架，其强度、变形和稳定性是该类桥梁施工成败的关键。尽管有几十年的工程经验，但是挂篮的事故屡见不鲜。究其原因就是挂篮仅经过了预压试验，而在每节段施工中不在（无法）监控其受力状态，且每经历一个节段施工，就要拆卸、安装一次，设备风险和人员安全风险极高，图2是常见的挂篮事故。
图2常见的挂篮事故
二、实施目标
通过基于数字孪生技术的悬臂对称浇筑智慧挂篮系统的研究和应用，形成市域郊铁路悬灌梁桥智能挂篮施工关键技术，实现对市域轨道连续桥梁挂篮施工全过程数字化显示预测、监测及控制。通过挂篮应力监测装置反馈的应力进行自动化换算，实现了挂篮两侧入模混凝土方量的实时感知，从而指导混凝土浇筑速度和平衡重管理。将挂篮主桁架应力监测及预警数据实时用于指导现场施工，实时掌握后锚杆、主桁架及吊带应力状态，在确保安全基础上，降低悬灌梁桥施工成本，提高成桥质量。
三、建设内容
采用智慧挂篮系统可以在实现挂篮从上桥到拆卸全过程每一工况的实时状态监测，包括控制杆件应力、整体变形和局部变形、关键连接件强度等，以及挂篮所处局部环境（风、雨、温度等），可以在出现挂篮异常前提供预警，且锚固和侧倾防护链还可以在出现重大事故趋势时延缓结构劣化，阻止事故的发生。视频监控自动识别系统可以及时发现施工不当操作，并语音警告制止。同时，挂篮的变形、应力将被如实自动记录，作为悬臂对称浇筑的关键数据备查。预警的判断来自系统内建设的具有一对一性质的数据孪生模型。实现多榀主桁架的高精度同步前移，保障挂篮行走安全。单个T构的左右两只挂篮实现互联，使两只挂篮同时移动，避免因不同步产生较大偏载。该系统可减小挂篮因不平衡受力而导致的安全风险。
智慧挂篮系统由物理层面的感知、数据传输系统和数字层面的挂篮数字孪生模型、综合管理系统组成，如图3所示。
图3智慧挂篮系统的组成
智慧挂篮系统实施之后，管理者可以在大屏端和手机端实时查询挂篮的基本情况、桥梁的基本情况，挂篮当前的工况，当前工况下关键构件的应力情况、变形情况，目前挂篮处的气象情况。尤其是对浇筑造成的不平衡配重、移动挂篮时候的倾覆风险实时监测，具有预警功能。同时，基于高清摄像头的自动行为识别，可以对操作工人的不规范行为发现并语音警示，避免了安全事故的发生。当设置了按层级管理的推送权限之后，工程进度和预警信息将被及时以微信或者短信息的形式推送给各级管理人员，实现挂篮悬臂对称浇筑施工全流程、全域自动化监测和一体化综合管理。
感知层采用多种类型的低功耗传感和采集仪，数据在前端做in-Site存储后以5G传输回自有数据库。数据库按照要求进行识别、清洗、归纳后，推送至平台，实现数据和图像展示。同时，推送数据内置的独有数字孪生模型，进行计算比对，结果推送至平台，实现实时评估。前端感知设备采用太阳能供电、换电式补充。后端系统布置在合适的地点，插电工作。
对于数据安全，系统有独立的安防系统。数据库按照国家相关规定执行验收和日常维护。
四、实施效果
通过基于数字孪生技术的悬臂对称浇筑智慧挂篮系统在连续桥梁施工全过程数字化显示预测、监测及控制研究及应用，具体实施效果如下：
1、通用控制系统关键技术
形成一套用于逻辑判断和数据处理，程序控制（含无线触摸屏）的通用控制系统，可在同一平台监控和指导多座连续梁挂篮施工。
2、挂篮行走同步控制关键技术。
实现多榀主桁架的高精度同步前移，保障挂篮行走安全。单个T构的左右两只挂篮实现互联，使两只挂篮同时移动，避免因不同步产生较大偏载，从而避免挂篮失稳、倾覆等事故的发生。
3、数字混凝土关键技术。
通过挂篮应力监测装置反馈的应力进行自动化换算，实现了挂篮两侧入模混凝土方量的实时感知，从而指导混凝土浇筑速度和平衡重管理，确保挂篮在均衡受力状态下工作，从而保证挂篮的施工安全和成桥线性。
4、后锚杆拉力监测及预警关键技术
国家规范要求后锚安全系数必须大于2倍以上，后锚杆拉力监测系统可对施工过程中后锚杆拉力进行实时监测，杜绝因后锚安全系数不足而导致挂篮倾覆的风险。
5、主桁架应力监测及预警关键技术
主桁架应力监测系统，可对主桁杆件应力实时监测，将各杆件应力实际测量值与设计值做实时对比，对施工过程中的不规范操作进行预警，确保挂篮施工安全。
6、吊杆应力监测及预警关键技术
吊杆作为连接挂篮上部结构和下部结构的关键部位，可靠性至关重要，国家规范中均对吊杆承载安全系数有明确要求，吊杆的安全性不容忽视，吊杆应力监测系统可对吊杆应力进行实时监测预警，确保挂篮施工安全。
该系统已在2022年12月份正式开工的市域（郊）成都至眉山线工程多座大桥、特大桥挂篮悬臂对称浇筑施工中应用，效果好、成本低，在理论、方法和实践三层面上真正地一次性实现了数智化转型。