超高層裝配式住宅建筑風(fēng)振監(jiān)測系統(tǒng)研究

康積源，陳天成，陳 飛，祖公博，鄭旭銳，魏 祺

（中國建筑第二工程局有限公司 華南分公司，廣東 深圳 518000）

隨著城市化進(jìn)程的加快，超高層裝配式住宅建筑在現(xiàn)代城市中得到了廣泛應(yīng)用[1]。然而，由于其高層、薄壁結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，這類建筑容易受到風(fēng)振的影響，從而影響結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性[2]。目前超高層裝配式住宅建筑的風(fēng)振監(jiān)測系統(tǒng)在長期穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性上面臨挑戰(zhàn)，傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的精度對數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性具有重要影響，數(shù)據(jù)的解釋和分析方法也需要進(jìn)一步研究和改進(jìn)。優(yōu)化數(shù)據(jù)處理方法以及引入模式識別和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，可以加強(qiáng)對監(jiān)測數(shù)據(jù)的解釋和分析并提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的精度和可靠性，進(jìn)一步提高風(fēng)振監(jiān)測系統(tǒng)的效能。

1 工程概況

項目位于深圳市，地鐵2 號線蓮塘站東北角。項目占地面積17 133.66m2，容積率7.9，總建筑面積190 288.6m2，其中地上部分136 584.85m2、地下部分52 613.61m2（圖1）。配套設(shè)施項目包括商業(yè)、社區(qū)健康服務(wù)中心、社區(qū)老年人日間照料中心、社區(qū)體育活動場地、文化活動室、公交首末站和幼兒園。本項目地上部分?jǐn)M建A、B、C 3 棟超高層住宅，A、B、C 棟地上均為53 層，建筑高度172.10m，地下室3層、局部4 層。

圖1 項目平面示意圖

2 風(fēng)振監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)原理與組成

基于傳感器測量風(fēng)力引起的建筑結(jié)構(gòu)振動，并將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可供分析和評估的信息。該系統(tǒng)通常由傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析軟件組成[3]。傳感器是監(jiān)測系統(tǒng)的核心組成部分，用于測量建筑物在風(fēng)力作用下的振動，最常用的傳感器類型包括加速度計、應(yīng)變計和風(fēng)速傳感器。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)接收傳感器的信號并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號進(jìn)行存儲和分析，通常包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)存儲設(shè)備和通信接口。對于超高層裝配式住宅建筑，在監(jiān)測系統(tǒng)中需要考慮到模塊化構(gòu)建、快速組裝和高度預(yù)制的特點(diǎn)。

2.2 數(shù)據(jù)采集、分析與結(jié)構(gòu)響應(yīng)評估

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)具備高精度，采樣率應(yīng)根據(jù)監(jiān)測目標(biāo)和結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行選擇，以充分捕捉到結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)信息。

數(shù)據(jù)分析的第一步是數(shù)據(jù)預(yù)處理，包括濾波、去噪和數(shù)據(jù)校正等步驟，以提高數(shù)據(jù)質(zhì)量和準(zhǔn)確性?；诜治鼋Y(jié)果，通過與設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行對比，可以判斷結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。如果監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示結(jié)構(gòu)存在異常振動或超過安全范圍，可以采取相應(yīng)的措施，如加固結(jié)構(gòu)或調(diào)整裝配式住宅建筑結(jié)構(gòu)參數(shù)。此外，還可以利用數(shù)據(jù)分析和結(jié)構(gòu)響應(yīng)評估的結(jié)果為裝配式住宅建筑的設(shè)計和施工提供反饋和改進(jìn)意見，以提高建筑物的安全性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

2.3 系統(tǒng)布置方案

對于裝配式住宅建筑的風(fēng)振監(jiān)測系統(tǒng)布置方案，除了考慮傳感器布置的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)外，還需要根據(jù)建筑的實(shí)際情況進(jìn)行細(xì)致的布點(diǎn)設(shè)計。這包括考慮不同樓層、不同朝向和不同結(jié)構(gòu)部位的監(jiān)測需求，以充分獲取風(fēng)振響應(yīng)的全局信息。在監(jiān)測布置方案中也可以考慮不同模塊的監(jiān)測需求，以評估模塊之間的相互影響和整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。同時，對于裝配式住宅建筑，由于其采用模塊化構(gòu)件的特點(diǎn)，傳感器的布置可以考慮在模塊接合點(diǎn)、連接構(gòu)件等關(guān)鍵位置，以監(jiān)測結(jié)構(gòu)的振動情況。此外，還應(yīng)考慮傳感器之間的互動影響，避免布置過于密集導(dǎo)致傳感器之間的相互干擾。

本項目對A、B、C 3 棟裝配式住宅建筑的加速度、位移和風(fēng)速風(fēng)向方面都進(jìn)行了監(jiān)測，監(jiān)測布點(diǎn)與傳感器數(shù)量見表1。在A 棟頂層布置1 個位移（速度）測點(diǎn)，1 個風(fēng)速測點(diǎn)，在A 棟頂層、41 層（避難層），各布置1 個加速度測點(diǎn)，如圖2（a）所示。在B 棟頂層布置1 個位移（速度）測點(diǎn)，在B棟頂層、41層（避難層），各布置1個加速度測點(diǎn)，如圖2（b）所示。在C 棟頂層布置1 個位移（速度）測點(diǎn)，1 個風(fēng)速測點(diǎn)，在C 棟頂層、41 層（避難層），各布置1 個加速度測點(diǎn)，如圖2（c）所示。

表1 3棟建筑的測點(diǎn)與傳感器

圖2 建筑主體結(jié)構(gòu)測點(diǎn)布置圖

3 設(shè)計難點(diǎn)

3.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性與可靠性

由于裝配式住宅的模塊化特點(diǎn)，連接節(jié)點(diǎn)處可能存在更多的振動情況，模塊之間的連接方式可能會對振動響應(yīng)產(chǎn)生影響。同時，傳感器在測量裝配式建筑振動時可能存在誤差，如傳感器本身的噪聲、非線性響應(yīng)等。長期的監(jiān)測需要確保監(jiān)測設(shè)備的靈敏度和響應(yīng)特性應(yīng)該能夠在長時間內(nèi)保持不變，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的信號處理和存儲能力也需要穩(wěn)定可靠。另外，監(jiān)測設(shè)備需要經(jīng)受住惡劣環(huán)境條件的考驗(yàn)，如高溫、潮濕和振動等因素。

3.2 監(jiān)測設(shè)備的長期穩(wěn)定性

裝配式住宅的特點(diǎn)是模塊化構(gòu)件的使用，因此監(jiān)測設(shè)備需要布置在不同模塊的連接節(jié)點(diǎn)或支撐節(jié)點(diǎn)等位置。在這些位置，監(jiān)測設(shè)備面臨的環(huán)境因素也會有所不同，例如溫度、濕度和振動等，高溫和濕度可能導(dǎo)致設(shè)備部件的老化和損壞，而振動可能影響設(shè)備的靈敏度和精度。監(jiān)測設(shè)備需要定期進(jìn)行維護(hù)和檢修，以確保其性能和功能的正常運(yùn)行，同時還需要定期校準(zhǔn)以消除設(shè)備的漂移和誤差，提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性。

3.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)的解釋與分析方法

裝配式住宅的風(fēng)振監(jiān)測數(shù)據(jù)需要進(jìn)行解釋和分析，以獲得有關(guān)結(jié)構(gòu)振動性能的有用信息。對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋需要考慮數(shù)據(jù)的物理意義和背后的結(jié)構(gòu)響應(yīng)機(jī)制，這需要結(jié)合建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計和風(fēng)荷載理論，以及對監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析和頻譜分析等方法來解釋數(shù)據(jù)中的振動模式、頻率成分和幅值等信息[4]。對于大規(guī)模、復(fù)雜的監(jiān)測數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析方法可能不足以提取有效的信息。因此，需要開發(fā)和應(yīng)用適合裝配式住宅風(fēng)振監(jiān)測數(shù)據(jù)特點(diǎn)的解釋和分析方法，如基于機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能的數(shù)據(jù)挖掘和模式識別方法。

4 提升系統(tǒng)可靠性與效能的措施

4.1 技術(shù)改進(jìn)與設(shè)備更新

通過技術(shù)改進(jìn)來提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的精度和可靠性，例如引入微振動傳感器、光纖傳感器等，這些傳感器具有更高的靈敏度和更低的噪聲水平，能夠提供更準(zhǔn)確的振動數(shù)據(jù)。監(jiān)測設(shè)備的長期穩(wěn)定性可以通過設(shè)備更新和定期維護(hù)來改善。

隨著科技的不斷進(jìn)步，新一代的監(jiān)測設(shè)備可能具有更好的性能和更長的壽命。定期檢查設(shè)備的工作狀態(tài)，對設(shè)備進(jìn)行清潔和維護(hù)，并進(jìn)行校準(zhǔn)和調(diào)整，可以確保設(shè)備始終處于最佳工作狀態(tài)。

4.2 數(shù)據(jù)處理方法優(yōu)化

數(shù)據(jù)預(yù)處理可以通過濾波、降噪和數(shù)據(jù)修復(fù)等方法來提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量和可靠性，濾波技術(shù)可以消除數(shù)據(jù)中的噪聲和干擾，降噪方法可以提取信號中的有效信息，數(shù)據(jù)修復(fù)技術(shù)可以提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性，為后續(xù)的分析提供更可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域分析、時域分析和小波分析等方法，提取出振動信號的頻率特征、能量特征和時域特征等，這些特征可以用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、異常檢測和結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析等方面，以提供更全面和深入的數(shù)據(jù)分析。

通過機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)和模式識別算法自動識別數(shù)據(jù)中的異常模式和振動模式，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中的潛在規(guī)律和關(guān)聯(lián)性，提高數(shù)據(jù)的解釋性和分析效能。

4.3 預(yù)警和應(yīng)急響應(yīng)

預(yù)警和應(yīng)急響應(yīng)是提高超高層裝配式住宅建筑風(fēng)振監(jiān)測系統(tǒng)可靠性和效能的重要措施，通過預(yù)警系統(tǒng)和應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制，可以提前發(fā)現(xiàn)異常振動模式和結(jié)構(gòu)存在的問題，及時進(jìn)行預(yù)警并采取應(yīng)急措施。

預(yù)警的準(zhǔn)確性和時效性對于避免風(fēng)振對裝配式住宅建筑的影響和提高裝配式住宅建筑的安全性具有重要意義。

提前預(yù)警和及時的應(yīng)急響應(yīng)能夠?yàn)槌邔友b配式住宅建筑的安全和可持續(xù)發(fā)展提供重要保障，確保居民的生命和財產(chǎn)安全。

4.4 對策效果分析

將上述對策應(yīng)用于工程實(shí)際后，本文進(jìn)行了對策效果分析，結(jié)果見表2?？梢钥闯?，技術(shù)改進(jìn)和設(shè)備更新、優(yōu)化數(shù)據(jù)處理方法以及提前預(yù)警和應(yīng)急響應(yīng)提高了超高層裝配式住宅建筑風(fēng)振監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性和效能，可以為建筑的安全性和可持續(xù)發(fā)展提供重要支持。

表2 對策效果分析

5 結(jié)論

引入先進(jìn)的傳感器技術(shù)如微振動傳感器和光纖傳感器，以及采用多點(diǎn)布置傳感器的方式，可以提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的精度和可靠性，定期更新監(jiān)測設(shè)備并進(jìn)行維護(hù)和校準(zhǔn)可以改善設(shè)備的長期穩(wěn)定性。數(shù)據(jù)預(yù)處理可以提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量和可靠性，頻域分析、時域分析和小波分析等特征提取方法可以從監(jiān)測數(shù)據(jù)中提取有用信息，模式識別和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)可以應(yīng)用于監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析和解釋，使得數(shù)據(jù)更具實(shí)際意義。

技術(shù)改進(jìn)和設(shè)備更新可以提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和可靠性，從而提升可靠性和效能，優(yōu)化數(shù)據(jù)處理方法可以增強(qiáng)數(shù)據(jù)解釋和分析效能，改進(jìn)后的監(jiān)測系統(tǒng)可提前預(yù)警和應(yīng)急響應(yīng)，減輕風(fēng)振對建筑的影響，提高建筑的安全性和可靠性。