攝像測量在建筑物爆破拆除力學(xué)分析應(yīng)用

劉 源

（保利新聯(lián)爆破工程集團(tuán)有限公司 貴州貴陽 550000）

1 引言

近年來，社會經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，部分建筑物已經(jīng)面臨破舊等問題而急需被拆除。爆破拆除方式成為目前最主要的拆除方式之一，研究人員對建筑物在爆破拆除過程中的力學(xué)分析進(jìn)行了大量的研究。在拆除坍塌的過程中，建筑物的各組成構(gòu)件的位移變化數(shù)據(jù)、速度數(shù)據(jù)以及加速度動態(tài)數(shù)據(jù)等作為力學(xué)研究、工程總結(jié)以及計算機(jī)模擬計算的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，如何獲取這些關(guān)鍵數(shù)據(jù)成為目前的研究熱點(diǎn)。而隨著攝像機(jī)以及計算機(jī)等科學(xué)工具的發(fā)展，攝像測量通過采集建筑物爆破拆除過程中符合工程精度的圖像以及記錄建筑物拆除過程的圖像，用來后期計算機(jī)輔助模擬建筑物的整體爆破拆除的過程。通過攝像測量技術(shù)監(jiān)控整個建筑物坍塌過程，完整地記錄建筑物各主要構(gòu)件的空間位移變化，獲得構(gòu)件在坍塌過程中完整的位移、速度以及加速度數(shù)據(jù)，從而更科學(xué)且有效地進(jìn)行建筑物爆破拆除過程中的力學(xué)研究。

2 攝像測量在建筑物爆破拆除中的簡要介紹

攝像測量作為新興的一項(xiàng)測量技術(shù)手段，其融合了傳統(tǒng)的測量學(xué)、光學(xué)測量以及計算機(jī)視覺圖像處理技術(shù)等眾多學(xué)科技術(shù)，通過利用高速攝像機(jī)以及照相機(jī)對動態(tài)或者靜態(tài)目標(biāo)進(jìn)行攝像而獲得實(shí)時的圖像，在利用計算機(jī)視覺圖像處理技術(shù)對目標(biāo)建筑物進(jìn)行模擬分析，從而獲取相應(yīng)的位移變化以及速度變化等數(shù)據(jù)。該方法具有操作簡便、獨(dú)特的高精度以及實(shí)時動態(tài)測量等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、環(huán)境檢測以及建筑拆除等領(lǐng)域。

攝像測量在建筑爆破拆除中，采集實(shí)時、動態(tài)的圖像，構(gòu)建出建筑物在整個爆破過程中的實(shí)時坍塌變化，也就是利用二維空間圖像記錄建筑物在爆破拆除過程中整個位移變化。再利用現(xiàn)代化的計算機(jī)圖像解析技術(shù)將建筑物拆除過程中的二維圖像進(jìn)一步模擬轉(zhuǎn)化成三維建筑空間變化，從而還原真實(shí)的空間位移變化[1]。最后，結(jié)合后專業(yè)的數(shù)據(jù)后處理手段，利用建筑物爆破拆除過程中實(shí)時的三維空間變化，研究分析出爆破過程中的力學(xué)數(shù)據(jù)與機(jī)理，對爆破結(jié)果進(jìn)行科學(xué)合理的總結(jié)，從而總結(jié)出科學(xué)的實(shí)踐數(shù)據(jù)，為以后的類似工程提供科學(xué)依據(jù)與力學(xué)研究理論。

3 攝像測量在建筑物爆破拆除力學(xué)分析應(yīng)用

3.1 攝像測量系統(tǒng)

在建筑物的拆除中，攝像測量能夠?qū)崟r檢測建筑構(gòu)件的位移變化，其攝像測量系統(tǒng)包含攝像系統(tǒng)、圖像處理以及攝像測量布置。

攝像系統(tǒng)通常是利用量測攝像機(jī)，其攝像機(jī)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)都是已知的，包括內(nèi)方位元素和框標(biāo)等，并且其物鏡的畸變特點(diǎn)小。而專業(yè)的量測攝像機(jī)價位較高，因此非量測攝像機(jī)價位相對普通，應(yīng)用也較為廣泛。非量測攝影機(jī)在應(yīng)用時，能夠在一定程度完整記錄構(gòu)件的位移變化，但在后續(xù)的圖像處理相對于量測攝像機(jī)更加繁瑣。在建筑物的爆破拆除中，利用高性能的量測攝像機(jī)對建筑構(gòu)件的位移變化進(jìn)行實(shí)時記錄，采集相應(yīng)的符合工程要求的圖像，從而構(gòu)建建筑物的二維運(yùn)動[2]。

圖像處理系統(tǒng)一般包括模擬法和解析法，在該過程利用圖像處理系統(tǒng)對采集的圖像進(jìn)行模擬分析，能夠得到建筑物的運(yùn)動平面圖、立體圖以及物點(diǎn)運(yùn)動位移等運(yùn)動參數(shù)。二維平面圖像，根據(jù)相應(yīng)的測量理論，需要給定獨(dú)立的5個空間參考點(diǎn)坐標(biāo)，依據(jù)這空間坐標(biāo)系能夠建立空間變換矩陣，進(jìn)一步地利用矩陣對采集的圖像上的物點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)確定，從而得到物點(diǎn)在爆破拆除中的運(yùn)動數(shù)據(jù)，包括位移隨時間的變化、速度的變化以及加速度、動能等。在攝像測量時，如攝像機(jī)的位置定位固定，采集的圖像上的物點(diǎn)可以直接建立無方位坐標(biāo)。通過研究分析上述數(shù)據(jù)，就能夠科學(xué)地設(shè)計圖片處理程序，對建筑物的力學(xué)狀態(tài)進(jìn)行分析。

攝影測量布置是對攝像的整體建筑物的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行攝像布置，通過選擇合適的位置安裝攝像機(jī)，實(shí)時記錄該關(guān)鍵點(diǎn)的動態(tài)變化，研究分析其形變所產(chǎn)生的原因，進(jìn)而分析其產(chǎn)生形變的力學(xué)原因。因此，合適的攝影測量布置也是十分重要的。

3.2 攝像測量爆破拆除中常見構(gòu)件的力學(xué)分析應(yīng)用

在建筑物的常見構(gòu)件中，爆破拆除倒塌過程中力學(xué)分析主要需要分析承重立柱和矩形懸臂梁的力學(xué)狀態(tài)，而這些建筑構(gòu)件的變化可以通過攝像測量對其在爆破過程中的狀態(tài)進(jìn)行采集，利用圖像分析以及專業(yè)的數(shù)據(jù)處理來進(jìn)行受理分析。

某工廠由于其自身發(fā)展的需要，將其中舊式建筑進(jìn)行爆破拆除處理，通過攝像測量技術(shù)，對建筑物的承重立柱以及矩形懸臂梁在爆破過程中受力進(jìn)行分析。該舊式建筑共有四排承重立柱，其在建筑物倒塌過程中第一排承重立柱首先坍塌而喪失承載強(qiáng)度，同時產(chǎn)生第一段爆破傾倒高度，使得建筑物在第一排立柱失去受力倒塌后出現(xiàn)足夠的傾斜。相應(yīng)的，第二排承重立柱發(fā)生同樣的過程，產(chǎn)生第二段爆破傾倒高度，第三排承重立柱爆破后產(chǎn)生第三段爆破傾倒高度，第四排承重立柱爆破后產(chǎn)生第三段爆破傾倒高度，從而使建筑物發(fā)生定向爆破傾倒。這些過程都是事先準(zhǔn)備的攝像機(jī)進(jìn)行圖像采集，在經(jīng)過后期的專業(yè)數(shù)據(jù)處理均被模擬分析，為立柱的受力分析提供依據(jù)。矩形懸臂梁在第一排承重立柱爆破后，矩形懸梁臂承受的載荷來自于相關(guān)聯(lián)的建筑構(gòu)件的重量，先爆破的中心立柱對邊梁還會產(chǎn)生力學(xué)作用，因此邊梁同時還承受扭矩作用。承重立柱的箍筋受力分析可建立簡要模型，將其模擬為兩端固定桿發(fā)生橫向彎曲。在建筑物的爆破拆除中，箍筋的受力主要是來源于爆炸應(yīng)力波，以不耦合裝填爆破炸藥為例，箍筋上任意一點(diǎn)的應(yīng)力波長公式可根據(jù)公式（1）計算[3]：

其中，ρ為爆破裝藥密度，D為炸藥爆破速度，r為比距離，R為距爆心距，r1裝藥半徑，r2炮孔半徑，n為爆炸波沖擊壓力增大倍數(shù)（約為8～11），α為衰減指數(shù)，γ為泊松比。

在建筑物的爆破拆除中，承重立柱和矩形懸臂梁的受力分析，通過設(shè)置的攝像機(jī)采集的實(shí)時圖像，后期模擬建立受力模型分析，可以科學(xué)地分析出裝填炸藥的爆破速度，比距離等位置信息，從而有效分析承重立柱和矩形懸臂梁的受力情況。

4 結(jié)論

通過對攝像測量原理的分析，結(jié)合工程實(shí)施數(shù)據(jù)，詳細(xì)地分析了攝像測量技術(shù)在建筑物爆破拆除中的應(yīng)用，能夠從采集的實(shí)時數(shù)據(jù)來模擬構(gòu)建建筑物構(gòu)建的受力模型，從而分析其力學(xué)狀態(tài)，為建筑物的爆破拆除提供可參考的方案。