既有城鎮(zhèn)建筑的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)及策略分析

李俊杰

（1.甘肅省建筑科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省綠色建筑與建筑節(jié)能工程研究中心，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

健康監(jiān)測(cè)技術(shù)最早應(yīng)用于航天領(lǐng)域，直至 20 世紀(jì) 50 年代才應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，最開始主要應(yīng)用在橋梁中，在后續(xù)發(fā)展過程中由于其技術(shù)水平不斷提升，被逐漸廣泛應(yīng)用于其他建筑中。就建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)而言，當(dāng)前其屬于一種新型的研究?jī)?nèi)容，但由于其監(jiān)測(cè)具有有效性，能夠及時(shí)地了解建筑結(jié)構(gòu)情況，更好地避免安全事故的發(fā)生，所以其應(yīng)用對(duì)于建筑行業(yè)的發(fā)展有著非常重要的影響。

1 國(guó)內(nèi)外研究應(yīng)用現(xiàn)狀

建筑是人類生產(chǎn)、生活的主要場(chǎng)所，其結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)將直接影響建筑的穩(wěn)定性、安全性和使用壽命。近年來，國(guó)內(nèi)外針對(duì)城鎮(zhèn)建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究越來越多，并取得了一定的成果。

國(guó)外相關(guān)地區(qū)關(guān)于工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究和應(yīng)用比較早，最早是應(yīng)用于橋梁工程之中，近年來逐步應(yīng)用到城鎮(zhèn)建筑結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)中。例如，目前世界最高建筑——位于迪拜的哈利法塔總高度為 828 m，總建筑面積達(dá)到 526 700 m2。該建筑采用的是下部混凝土結(jié)構(gòu)、上部鋼結(jié)構(gòu)的組合結(jié)構(gòu)體系，其中-30～600 m 為鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，600～828 m 為鋼結(jié)構(gòu)體系，并且在 600～760 m 范圍內(nèi)加入了鋼斜撐。為了保證這座世界最高建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，哈利法塔配置了目前世界上最先進(jìn)的建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由自動(dòng)爬模系統(tǒng)（ACS）、GPS 天線系統(tǒng)以及測(cè)量總站儀器（TPS）構(gòu)成，通過安裝于各個(gè)樓層的傾斜儀，對(duì)整個(gè)建筑核心筒結(jié)構(gòu)的垂直度和穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測(cè)［1］。

國(guó)內(nèi)近年來關(guān)于建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究和應(yīng)用越來越多，例如，廣州地區(qū)的地標(biāo)性建筑——廣州塔采用了目前國(guó)內(nèi)最為先進(jìn)的建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的典型特點(diǎn)在于，將結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和振動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了融合，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)建筑區(qū)域風(fēng)、地震結(jié)構(gòu)影響因數(shù)的監(jiān)測(cè)。

2 建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)與檢測(cè)的異同分析

建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)與檢測(cè)的相同點(diǎn)在于，兩者的目的相同，都是為了對(duì)反映建筑結(jié)構(gòu)健康性、穩(wěn)定性以及安全性的指標(biāo)進(jìn)行獲取，再通過科學(xué)計(jì)算和分析，評(píng)估建筑結(jié)構(gòu)的可靠性?；诖耍梢詫?duì)建筑結(jié)構(gòu)的變化趨勢(shì)、使用壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，這對(duì)城鎮(zhèn)建筑管理、舊建筑穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)、古建筑保護(hù)都具有重要的意義。

建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)與檢測(cè)的不同之處在于，監(jiān)測(cè)是通過在建筑結(jié)構(gòu)體上安裝傳感器，再利用 GPS、GIS 等技術(shù)，對(duì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)、持續(xù)性、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的過程，涉及到對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及大量現(xiàn)代科技的組合應(yīng)用。而建筑結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)則主要是通過技術(shù)人員，按照相關(guān)指標(biāo)系統(tǒng)，利用相關(guān)方法以及設(shè)備儀器，對(duì)相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行針對(duì)性檢測(cè)的過程。簡(jiǎn)單來講，建筑結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)，主要是間歇性、針對(duì)性或?qū)ｍ?xiàng)性的檢測(cè)，主要依靠技術(shù)人員開展檢測(cè)工作，雖然效率較低，但是在一些重點(diǎn)建筑的重點(diǎn)部位檢測(cè)中，具有不可替代的作用［2］。

3 建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的意義

第一，對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)而言，在使用的過程中受到各種因素的影響，都會(huì)對(duì)其造成一定的破壞。隨著破壞程度的不斷深入，就會(huì)影響到建筑的正常使用，這對(duì)于城鎮(zhèn)的建筑影響更大，直接影響城鎮(zhèn)的發(fā)展［3］。此外，在使用過程中，受到一些因素的影響，比如人為、自然等等因素，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行突發(fā)性損傷，那么如何了解其實(shí)際情況，采取相應(yīng)措施來對(duì)其進(jìn)行處理，這是關(guān)鍵內(nèi)容。通過健康監(jiān)測(cè)技術(shù)就能夠?qū)崿F(xiàn)這一目的，更好地了解建筑的結(jié)構(gòu)情況，并且明確建筑結(jié)構(gòu)中存在問題的位置，更好地保證建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

第二，通過健康監(jiān)測(cè)技術(shù)還能夠根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)自身的實(shí)際情況來進(jìn)行選擇，不僅能夠針對(duì)性地進(jìn)行監(jiān)測(cè)，還能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)期性監(jiān)測(cè)。通過對(duì)其監(jiān)測(cè)不僅能夠明確問題位置，了解具體情況，還能夠?qū)ζ浞治?，明確建筑結(jié)構(gòu)的使用壽命，及時(shí)地采取相應(yīng)措施。

4 工程案例

4.1 工程概況

某建筑工程位于福州市某城鎮(zhèn)，總建筑面積為 13 220 m2，整體采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)該建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、安全性的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并采取必要措施進(jìn)行加固優(yōu)化，相關(guān)單位決定引進(jìn)建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)施監(jiān)測(cè)。

4.2 監(jiān)測(cè)內(nèi)容

第一，根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)圖紙，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)常規(guī)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如梁體位置、柱體垂直度等。第二，對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)形變量、形變趨勢(shì)進(jìn)行檢查。

4.3 監(jiān)測(cè)儀器選型

綜合考慮監(jiān)測(cè)內(nèi)容需求以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，項(xiàng)目采用鋼弦式傳感器（傾角計(jì)、應(yīng)變計(jì)、位移計(jì)等）和便攜式解調(diào)儀實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。

4.4 測(cè)點(diǎn)布置

對(duì)于監(jiān)測(cè)所需要的測(cè)點(diǎn)數(shù)量，按照樓層進(jìn)行劃分。根據(jù)我國(guó)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，在該建筑每個(gè)樓層及核心結(jié)構(gòu)體上共布設(shè) 10 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)布設(shè)位置應(yīng)符合下列規(guī)定：

1）應(yīng)反映監(jiān)測(cè)對(duì)象的實(shí)際狀態(tài)及變化趨勢(shì)，且宜布置在監(jiān)測(cè)參數(shù)值的最大位置；

2）測(cè)點(diǎn)的位置、數(shù)量宜根據(jù)結(jié)構(gòu)類型、設(shè)計(jì)要求、施工過程、監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及結(jié)構(gòu)分析結(jié)果確定；

3）測(cè)點(diǎn)的數(shù)量和布置范圍應(yīng)有冗余量，重要部位應(yīng)增加測(cè)點(diǎn)；

4）可利用結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，減少測(cè)點(diǎn)布置數(shù)量；

5）宜便于監(jiān)測(cè)設(shè)備的安裝、測(cè)讀、維護(hù)和替代；

6）不應(yīng)妨礙監(jiān)測(cè)對(duì)象的施工和正常使用；

7）在符合上述要求的基礎(chǔ)上，宜縮短信號(hào)的傳輸距離。

4.5 結(jié)構(gòu)分析

1）混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為 C 40，通過傳感器對(duì)其10 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)其混凝土的抗壓強(qiáng)度在 47 MPa 左右，并且再次對(duì)其進(jìn)行核查，最終結(jié)果與設(shè)計(jì)方案相符，并且在這其中并沒有發(fā)現(xiàn)存在地基沉降問題，從建筑的上部結(jié)構(gòu)分析得出，該建筑結(jié)構(gòu)的地基較為穩(wěn)定。

2）通過傳感器對(duì)混凝土柱、梁的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，其強(qiáng)度最小達(dá)到 43 MPa 和 42.5 MPa，均滿足建筑工程設(shè)計(jì)要求。

3）監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件并沒有出現(xiàn)變形或者裂縫，與設(shè)計(jì)圖紙內(nèi)容基本相符。

5 城鎮(zhèn)建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用策略

5.1 城鎮(zhèn)建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的內(nèi)容與系統(tǒng)組成

5.1.1 技術(shù)內(nèi)容

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)是利用傳感器來對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為基礎(chǔ)，來明確結(jié)構(gòu)問題的所在位置，進(jìn)而來達(dá)到監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)損傷情況的目的［4］。其工作原理就是利用傳感器來獲取建筑結(jié)構(gòu)的變化情況，明確其中損傷的位置，通過相應(yīng)的方法來進(jìn)行計(jì)算，推斷當(dāng)前結(jié)構(gòu)的健康情況，并且還能夠通過不間斷監(jiān)控的方法來了解結(jié)構(gòu)的耗損。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)其中融合數(shù)據(jù)分析、網(wǎng)絡(luò)通信等等相應(yīng)技術(shù)。

5.1.2 系統(tǒng)組成

第一，傳感器。這是整個(gè)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)中最為基礎(chǔ)，也是最重要的部分。這部分主要是對(duì)其需要進(jìn)行監(jiān)測(cè)的結(jié)構(gòu)獲取數(shù)據(jù)，并且將其以電、光等方式傳播出去，通常情況下都是將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。第二，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)大多數(shù)都會(huì)將其安裝在建筑結(jié)構(gòu)中，然后配合軟件來對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。第三，通信傳遞系統(tǒng)。這系統(tǒng)主要是將所傳輸過來的數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)管理中心。第四，數(shù)據(jù)監(jiān)控管理。通過分析損傷、安全預(yù)警等等功能，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)中的問題位置、程度等等進(jìn)行具體分析，如果其存在異常就會(huì)及時(shí)報(bào)警。

5.2 建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)范圍和質(zhì)量安全評(píng)價(jià)

5.2.1 健康監(jiān)測(cè)技術(shù)范圍

第一，對(duì)于監(jiān)測(cè)范圍可以將其劃分為兩種，分別是局部監(jiān)測(cè)和整體監(jiān)測(cè)。對(duì)于局部監(jiān)測(cè)而言，大多適應(yīng)于建筑結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，或者是能夠明確建筑結(jié)構(gòu)中存在問題的位置，對(duì)其進(jìn)行針對(duì)性的監(jiān)測(cè)［5］。所采取的監(jiān)測(cè)方法大多都是通過監(jiān)測(cè)人員來人工檢測(cè)。而對(duì)于一些結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的建筑，就應(yīng)該采取整體檢測(cè)的方法，對(duì)于這種監(jiān)測(cè)方法需要為其配備相應(yīng)監(jiān)測(cè)設(shè)備，其所監(jiān)測(cè)的范圍也更廣，不僅有應(yīng)力、位移等等，而且還有內(nèi)力、撓度等等相應(yīng)內(nèi)容。第二，其局部監(jiān)測(cè)大多都是利用無損監(jiān)測(cè)，比如常見的有發(fā)射光譜法、回彈法等等。而對(duì)于整體監(jiān)測(cè)而言，作為其結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)中的核心內(nèi)容，就有模型修整、動(dòng)力指紋等等方法。

5.2.2 健康監(jiān)測(cè)技術(shù)評(píng)估方法

在對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)過程中，應(yīng)該進(jìn)行安全評(píng)估。當(dāng)前所能夠利用的相應(yīng)方法有可靠度理論、層次分析、模糊理論等等方法［6］。其中的可靠度理論又分為正常和承載力極限兩種形式下的評(píng)估，主要是對(duì)其結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行具體分析，了解建筑結(jié)構(gòu)的極限承載力，進(jìn)而得出相應(yīng)結(jié)論。而層次分析法則是通過將多種指標(biāo)相結(jié)合的一種方法，利用這種方法能夠很好地明確各項(xiàng)指標(biāo)的影響程度，并且保證其評(píng)價(jià)的科學(xué)合理性。模糊綜合評(píng)價(jià)就是明確在專家評(píng)價(jià)中所不能夠確定的部分，并將其內(nèi)容進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，進(jìn)而來了解其安全性［7］。其專家系統(tǒng)是通過構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)的方法，來明確與以往相似的地方，然后對(duì)其問題進(jìn)行解決，但是這種方法不具備時(shí)效性。對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)而言，其不同位置、不同程度的損傷都會(huì)導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)安全程度不同，如何能夠?yàn)槠浣⒁惶淄暾脑u(píng)價(jià)體系，就成為當(dāng)前人們研究的重點(diǎn)［8］。

6 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用實(shí)例的分析，明確相應(yīng)的監(jiān)測(cè)內(nèi)容，按照相應(yīng)要求來進(jìn)行監(jiān)測(cè)，最終了解到該工程的建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量滿足相應(yīng)要求，而且各部分結(jié)構(gòu)較為完整，并不需要對(duì)其進(jìn)行加固，能夠很好地滿足使用需求。通過對(duì)建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)意義、內(nèi)容等的了解，結(jié)合建筑工程的實(shí)際需求，采取科學(xué)合理的監(jiān)測(cè)技術(shù)，這樣就能夠?yàn)榻ㄖY(jié)構(gòu)的施工和使用提供相應(yīng)參考，更好地保證建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。