基于粒子群優(yōu)化聚類的建筑施工質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)

王明巖，白 楠，賀哲鋼

（中建二局第三建筑工程有限公司，北京 100070）

0 引言

建筑進(jìn)入新型工業(yè)化發(fā)展階段，將標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)與信息化管理相結(jié)合，在生產(chǎn)、施工和運(yùn)營(yíng)等各個(gè)環(huán)節(jié)形成綜合產(chǎn)業(yè)鏈。建筑結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，在施工中受到多種因素的影響，包括環(huán)境荷載、腐蝕效應(yīng)、材料老化等。以上因素容易造成塌陷事件，威脅建筑整體的穩(wěn)定性和安全性。面對(duì)建筑工程的集約化需求，在加快建設(shè)速度、減少能源消耗的同時(shí)，需要保證施工項(xiàng)目質(zhì)量，避免建筑在建造和使用過(guò)程中發(fā)生安全事故［1］。為達(dá)到結(jié)構(gòu)預(yù)期的實(shí)際目標(biāo)，需要利用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量或智能傳感等技術(shù)采集建筑信息，對(duì)施工質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在不影響后期施工進(jìn)度的前提下，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)建筑結(jié)構(gòu)和材料進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估和鑒定，判斷其承載力是否符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，并且不存在損傷和腐蝕情況［2］。根據(jù)建筑服役狀態(tài)的監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)存在安全問(wèn)題的結(jié)構(gòu)和建筑材料進(jìn)行預(yù)警，并及時(shí)采取相應(yīng)安全保障措施，以便施工項(xiàng)目順利進(jìn)行。在建筑施工質(zhì)量監(jiān)測(cè)中，主要利用建筑整體的頻率和振動(dòng)情況判斷結(jié)構(gòu)是否存在損傷和安全隱患，但對(duì)結(jié)構(gòu)局部的質(zhì)量監(jiān)測(cè)效果不好。針對(duì)此問(wèn)題本文基于粒子群優(yōu)化聚類提出建筑施工質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)，利用算法對(duì)局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行迭代尋優(yōu)，識(shí)別不符合施工設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)位置。通過(guò)質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)，掌握施工進(jìn)展，及時(shí)發(fā)現(xiàn)建造質(zhì)量偏差，實(shí)現(xiàn)對(duì)施工質(zhì)量的有效管控和安全運(yùn)營(yíng)。

1 建筑施工構(gòu)件數(shù)據(jù)點(diǎn)分割

根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)，對(duì)建筑構(gòu)件進(jìn)行分割和特征提取。對(duì)于三維數(shù)據(jù)點(diǎn)，整個(gè)維度分布情況存在差異。對(duì)于某一維度的數(shù)據(jù)點(diǎn)，其坐標(biāo)方差越大，構(gòu)件結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)越分散。為平衡分割效果，從方差最大的維度開始分割建筑構(gòu)件數(shù)據(jù)點(diǎn)，再確定點(diǎn)的鄰域，按照k近鄰搜索規(guī)則進(jìn)行搜索。假設(shè)存在兩個(gè)構(gòu)件三維數(shù)據(jù)點(diǎn)，坐標(biāo)為（ax，ay，az）和（bx，by，bz），二者之間距離的計(jì)算公式見式（1）。

式中：d為兩個(gè)構(gòu)件三維數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的距離。

根據(jù)三維數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的距離，劃分三維體素柵格。每個(gè)柵格內(nèi)含有若干個(gè)建筑構(gòu)件數(shù)據(jù)點(diǎn)，使用所有點(diǎn)的中心代替其余數(shù)據(jù)點(diǎn)，得到數(shù)據(jù)點(diǎn)集合［3］。為避免數(shù)據(jù)過(guò)于稀疏或出現(xiàn)空的柵格，增加采樣處理負(fù)擔(dān)，需要對(duì)柵格邊長(zhǎng)進(jìn)行確定。綜合考慮構(gòu)件數(shù)據(jù)量和采樣比例，本文將柵格邊長(zhǎng)設(shè)定為 5 cm，在保留原始數(shù)據(jù)特征的同時(shí)，提高了建筑結(jié)構(gòu)邊界提取效率。在獲得構(gòu)建數(shù)據(jù)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)高，建立位置坐標(biāo)的約束條件，對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行聚類［4］。在標(biāo)高范圍內(nèi)，根據(jù)坐標(biāo)的最大和最小值確定數(shù)據(jù)點(diǎn)的范圍。在三維數(shù)據(jù)點(diǎn)中建立正交坐標(biāo)軸，選取數(shù)據(jù)方差最大的方向?yàn)閤軸方向，y軸方向與x軸組成的正交平面方差最大，z軸分別與x軸和y軸正交。對(duì)于建筑的柱體結(jié)構(gòu)，在z軸的數(shù)據(jù)方差最大，因此，對(duì)得到的數(shù)據(jù)分簇結(jié)果進(jìn)行主成分分析，計(jì)算協(xié)方差矩陣的特征值，識(shí)別特征值最大的點(diǎn)。將沿z軸方向分布的數(shù)據(jù)點(diǎn)判定為柱體結(jié)構(gòu)，沿x軸和y軸方向分布的數(shù)據(jù)點(diǎn)判定為墻面結(jié)構(gòu)［5］。根據(jù)柱體結(jié)構(gòu)最上層中心點(diǎn)確定主梁結(jié)構(gòu)。在建筑主梁上繼續(xù)進(jìn)行特征分割，沿x軸和y軸方向擴(kuò)展得到次梁結(jié)構(gòu)。在聚類中，計(jì)算相鄰數(shù)據(jù)點(diǎn)的距離，直至兩類別的距離超過(guò)設(shè)定閾值，此時(shí)每個(gè)柱體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)點(diǎn)被分割為單個(gè)簇，則停止分割。

2 構(gòu)建建筑目標(biāo)空間圖元

在分割建筑施工構(gòu)件數(shù)據(jù)點(diǎn)，得到柱體、墻面和梁體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，根據(jù)各構(gòu)件的鄰接和關(guān)聯(lián)關(guān)系，建立工程對(duì)象目標(biāo)空間圖元。根據(jù)建筑施工項(xiàng)目的實(shí)際范圍，界定各對(duì)象的位置信息。分別對(duì)橫向、縱向的防護(hù)欄桿和鋼筋等工程對(duì)象建立不同的圖元類別，形成字符列表。在類別目錄中按照?qǐng)D元字符列表找到串行內(nèi)容，按照鄰接關(guān)系順序，獲得圖元一維列表。將所有圖元節(jié)點(diǎn)的邊界框兩兩相交，在位置界定列表中，使用索引值判斷邊界框是否相交［6］。當(dāng)圖元節(jié)點(diǎn)索引值為 1 值，代表兩個(gè)臨界圖元相交，反之為 0 時(shí)，代表不相交，以此篩選相鄰圖元節(jié)點(diǎn)，識(shí)別交叉連綴狀態(tài)。假設(shè)存在兩個(gè)圖元分別為防護(hù)欄桿和隔板，其邊界框的索引值判定為 1，則認(rèn)為兩個(gè)建筑構(gòu)件在空間上相鄰接。在施工時(shí)需要注意兩個(gè)構(gòu)件的連接的牢固程度［7］。對(duì)于在空間上臨界的圖元，對(duì)構(gòu)件的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合，以所有點(diǎn)的偏差平方和最小為目標(biāo)，求解擬合的直線方程，便于后續(xù)建筑尺寸和邊緣的計(jì)算。偏差平方和的表達(dá)式見式（2）。

式中：γ為偏差平方和；i和s分別為構(gòu)件數(shù)據(jù)點(diǎn)的序號(hào)和總數(shù)；β和φ表示分布擬合直線的參數(shù)；xi和yi表示數(shù)據(jù)坐標(biāo)。

分別對(duì)防護(hù)欄桿和隔板的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行直線擬合，設(shè)定擬合誤差使構(gòu)件的圖元尺寸具有較高的精度。對(duì)于孔洞和堆載土體之間的鄰接關(guān)系也可以使用圖元進(jìn)行判定。當(dāng)二者的交接框索引值判定為 1 時(shí)，則認(rèn)為孔洞和石塊土體等存在包含關(guān)系。在所有圖元連接處設(shè)置剛域，在水平和豎直方向上建立位移約束，減少建筑構(gòu)件在荷載作用下的自由度［8］。建立全部工程對(duì)象目標(biāo)空間圖元的索引值，調(diào)整節(jié)點(diǎn)等級(jí)，按照三角矩陣對(duì)每個(gè)級(jí)別逐一進(jìn)行判定，刪除自相交和重復(fù)的建筑圖元。

3 基于粒子群優(yōu)化聚類設(shè)計(jì)質(zhì)量監(jiān)測(cè)模型

為提高建筑局部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量監(jiān)測(cè)效果，本文利用粒子群優(yōu)化聚類對(duì)建筑的局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行迭代尋優(yōu)，識(shí)別不符合施工設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)位置。建筑施工質(zhì)量監(jiān)測(cè)的流程如圖1 所示。

建筑固有頻率只反映了結(jié)構(gòu)的整體性能，但是在不同的局部區(qū)域存在質(zhì)量隱患時(shí)，二者頻率可能相同。僅使用頻率容易造成質(zhì)量監(jiān)測(cè)結(jié)果存在較大的誤差，不能準(zhǔn)確識(shí)別出所有隱患區(qū)域，因此質(zhì)量監(jiān)測(cè)效果不理想［9］。 以建筑構(gòu)件的固有頻率為基礎(chǔ)，加入結(jié)構(gòu)振型作為適應(yīng)度函數(shù)。結(jié)構(gòu)振型屬于局部屬性，能夠提供更多的建筑構(gòu)件質(zhì)量信息［10］。適應(yīng)度函數(shù)為固有頻率和結(jié)構(gòu)振型函數(shù)之和。結(jié)構(gòu)振型函數(shù)的表達(dá)式見式（3）。

式中：F為結(jié)構(gòu)振型函數(shù)；μ和v分別為實(shí)測(cè)和計(jì)算結(jié)構(gòu)振型；T為轉(zhuǎn)置矩陣。

為保證粒子具有較好的運(yùn)動(dòng)慣性，粒子群優(yōu)化聚類算法使用慣性權(quán)重調(diào)節(jié)粒子的搜索參數(shù)。本文使用非線性遞減的方式計(jì)算慣性權(quán)重。設(shè)定粒子群優(yōu)化聚類算法的當(dāng)前和最大迭代次數(shù)為n1和n2，則遞減權(quán)重ω（n1）的計(jì)算公式見式（4）。

式中：κ表示非線性參數(shù)；ω1和ω2分別表示最大和最小慣性權(quán)重。

遞減權(quán)重使個(gè)體和全局粒子保持搜索平衡性。在算法迭代后期，學(xué)習(xí)因子會(huì)影響粒子間信息交流的效率，按照經(jīng)驗(yàn)取值為 2 或 2.5 均會(huì)造成迭代陷入局部最優(yōu)，不利于監(jiān)測(cè)建筑施工質(zhì)量。對(duì)此，利用異步策略設(shè)置學(xué)習(xí)因子δ，計(jì)算公式見式（5）。

式中：δ1和δ2分別為學(xué)習(xí)因子的初始和終止值。

在建筑施工出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題時(shí)，其結(jié)構(gòu)剛度存在變化。引入剛度參數(shù)，其數(shù)值為建筑損傷和健康狀態(tài)的剛度的比值。在粒子群優(yōu)化聚類算法當(dāng)前迭代中，得到的建筑構(gòu)件質(zhì)量監(jiān)測(cè)結(jié)果不是最優(yōu)值時(shí)，利用剛度變化比例來(lái)重新構(gòu)建圖元信息，并增加一次迭代次數(shù)。直至通過(guò)迭代計(jì)算出的結(jié)果為最優(yōu)值時(shí)，停止算法，輸出建筑施工質(zhì)量存在問(wèn)題的構(gòu)件位置，完成質(zhì)量監(jiān)測(cè)。

4 案例分析

4.1 工程概況

案例分析部分將依托實(shí)際建筑施工工程項(xiàng)目對(duì)本文所提出的質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)，驗(yàn)證該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的可行性。該建筑為總面積 5 628 m2的辦公樓，主體采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，由核心筒、伸臂、外框三部分構(gòu)成。外框部分的桁架為主要的支撐結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。

圖2 桁架支撐結(jié)構(gòu)示意圖

在該建筑中，以桁架支撐為基礎(chǔ)，安裝承重梁和剪力墻等內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在建筑的四個(gè)角落安設(shè) V 型斜撐，與桁架支撐結(jié)構(gòu)的支座相連接。外框空間高度以桁架上弦支座為首端，以下弦支座為尾端進(jìn)行測(cè)量。桁架結(jié)構(gòu)為施工建筑的關(guān)鍵構(gòu)件，需要監(jiān)測(cè)其內(nèi)力和變形情況。建筑結(jié)構(gòu)的桿件數(shù)量龐大，無(wú)法對(duì)全部桿件的靜力和振動(dòng)情況進(jìn)行判斷。在質(zhì)量監(jiān)測(cè)中，在關(guān)鍵控制點(diǎn)安裝傳感器和監(jiān)測(cè)裝置?？紤]施工工程的經(jīng)濟(jì)性要求，需要優(yōu)化監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布情況，使關(guān)鍵控制點(diǎn)的監(jiān)測(cè)結(jié)果能夠代表建筑整體質(zhì)量。與核心筒直接相連的腹桿是內(nèi)力的主要傳遞結(jié)構(gòu)，水平和豎直方向的單向荷載對(duì)腹桿的作用力相同。在應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)中，根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，在 1～10 層選取 4 個(gè)巨柱和核心筒安裝應(yīng)變傳感器。在單向荷載作用下，腹桿所受的應(yīng)力沿桿件方向出現(xiàn)變化，兩端應(yīng)力較小，拉應(yīng)力在垂直腹桿處最大。通過(guò)上述分析，在伸臂桁架構(gòu)件中選取連接巨柱與核心筒的斜桿為監(jiān)測(cè)位置，在腰桁架中選取邊部斜桿和 V 型斜撐的中部為監(jiān)測(cè)位置，安裝應(yīng)變傳感器，布置施工質(zhì)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分析建筑結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

4.2 施工質(zhì)量監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

建筑在施工階段受到混凝土收縮、風(fēng)荷載和地震荷載的影響，由于形變?cè)谪Q直方向發(fā)生位移?？⒐ず螅炷潦湛s效果減弱，最后趨于穩(wěn)定。對(duì)施工期間各樓層巨柱和核心筒的豎向位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其結(jié)果如表1 所示。

表1 豎向位移監(jiān)測(cè) mm

根據(jù)表1 的監(jiān)測(cè)結(jié)果，隨著建筑樓層高度的增加，巨柱和核心筒的豎向位移在總體上呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)。由于 6 層和 7 層是加強(qiáng)層，荷載作用面積較大因此其豎向位移大于普通樓層，在數(shù)值變化上表現(xiàn)為峰值區(qū)域。在該建筑的施工期間，巨柱和核心筒的豎向總位移分別為 15.42 mm 和 14.81 mm。在荷載作用下，巨柱和核心筒結(jié)構(gòu)的應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖3 所示。

圖3 巨柱和核心筒結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化

由圖3 可知，各層巨柱和核心筒結(jié)構(gòu)的應(yīng)力存在一定差異，最大值分別為 26.38 MPa 和 27.65 MPa。二者作為跨層連接構(gòu)件，對(duì)荷載壓力變化程度比較敏感，為其它構(gòu)件提供平衡支撐。對(duì)各樓層的伸臂桁架、邊部斜桿和 V 型斜撐三種桿件結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力檢測(cè)，得到的最大應(yīng)力值結(jié)果如表2 所示。

表2 桿件監(jiān)測(cè)最大應(yīng)力值 MPa

相同工況下，不同類型的承重桿件所受到的應(yīng)力存在不同。由于邊部斜桿為輔助承重結(jié)構(gòu)，因此其內(nèi)力較大，與其余支撐桿件相比，在受到荷載作用下，邊部斜桿的最大應(yīng)力值高于伸臂桁架和 V 型斜撐。伸臂桁架和 V 型斜撐起到連接兩端巨柱的作用，隨著樓層高度的增加，受到荷載作用其應(yīng)力值呈上升趨勢(shì)，而邊部斜桿的應(yīng)力值變化具有一定起伏。從整體上看，加強(qiáng)層的桿件最大應(yīng)力值高于普通樓層。綜合上述監(jiān)測(cè)結(jié)果，該建筑處于正常施工狀態(tài)，在荷載作用下不會(huì)發(fā)生建筑振動(dòng)和結(jié)構(gòu)破壞，滿足建筑工程規(guī)范，具有較高的施工質(zhì)量。本文通過(guò)對(duì)環(huán)境荷載和構(gòu)件應(yīng)力的分析，在關(guān)鍵結(jié)構(gòu)控制點(diǎn)實(shí)現(xiàn)建筑施工質(zhì)量監(jiān)測(cè)。文中提出的技術(shù)能夠監(jiān)測(cè)建筑局部結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力變化情況，判斷結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，以此提高建筑管理水平。

5 結(jié)語(yǔ)

建筑結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，在施工中受到多種因素的影響。為保證建筑質(zhì)量，需要利用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量或智能傳感等技術(shù)采集建筑信息，對(duì)施工質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。本文利用粒子群優(yōu)化聚類對(duì)建筑的局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行迭代尋優(yōu)。以實(shí)際建筑施工工程項(xiàng)目為依托，安裝應(yīng)變傳感器，布置施工質(zhì)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，本文技術(shù)能夠監(jiān)測(cè)建筑局部結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力變化情況，有助于提高建筑管理水平。本文研究未考慮構(gòu)件加工尺寸和材料缺陷對(duì)施工質(zhì)量的影響，后續(xù)可針對(duì)此問(wèn)題開展研究。Q