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结构健康监测——为房屋建筑“健康体检、把脉会诊”

发布时间:2020-10-12 12:15:34 来源:湖北省地震局
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作者:冯谦 马天骄

  在今年抗击新冠疫情的战疫中,总书记那句“人民至上、生命至上,保护人民生命安全和身体健康可以不惜一切代价”的讲话,相信全国人民闻后都会深受感动和振奋,这句话深刻诠释了党和国家对守护人民生命安全和身体健康的高度重视和面对疫情的必胜决心。

  与民生息息相关的房屋建筑,是人们生活居住、工作学习、医疗救治和文体活动等重要场所,承载着保障人民生命财产安全的重任。房屋建筑的“健康”状况直接关系到人们的居住、生活、工作的安全,是事关民生的大事,也同样牵动着每一位地震工作者的心。

  想搞清楚房屋建筑的“健康”状况,就需要对建筑物进行“健康体检”。结构健康监测技术是近年来新兴的一种对工程对象进行常规“体检”和“健康”监测的重要手段,主要方法就是利用智能传感系统对工程结构进行实时监测、动态管理和趋势研判(如图 1 所示)。通过在被监测对象内部或表面预埋或附加各类传感器组成监测网络,实时感知建筑结构对自身服役状态、外部环境侵蚀、极端荷载作用、周边扰动入侵等行为响应的重要信息,以便对其损伤破坏、性能退化、运营效率等健康状况作出智能评估和决策,为工程结构的安全使用、维护管养和寿命预测提供科学依据。

图1

图 1 结构健康监测系统交互界面示意图

  据不完全统计,超过 60%的人每天在室内的时间占比达到 85%,这意味着房屋建筑如同手机、衣物一样,是我们每天生活、工作和休息的必备“硬件”,只有确保房屋建筑的安全、“健康”,才能避免人们的生命财产遭受严重损失。结构健康监测系统就是为了解各类建筑结构的“健康状况”而开设的一种特殊的“工程体检中心”(如下图所示)。

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图 2 结构健康监测体系——特殊的“工程体检中心”

  1、哪些房屋建筑需要进行健康监测?

  作为“工程体检中心”,房屋建筑“健康”监测系统首先需要甄别不同结构病害的“易感建筑”,主要包含三大类建筑。第一类是现存的大量“老旧危房”,尤以民宅居多,与民生息息相关,“年老”的房屋不免“体弱多病”,自然成为重点关注对象。第二类,很多本处于健康状态的房屋往往因临近深基坑施工现场,或周边有工业或工程振动,亦或位于地形、地质条件较差的场地而无辜“躺枪”,由此可能导致此类本应“健康”的房屋会产生不均匀沉降、倾斜、裂缝甚至倒塌等“疾病”,因此“做好防护、实时监测”是防止“病情”严重,甚至出现“交叉感染”等“症状”的重要方法。第三类,随着城市发展,超高层建筑、巨型场馆和很多造型新颖的建筑成为城市地标,为了防止这些“小蛮腰、大长腿”变得弱不禁“风”,高精尖的智能监测手段也必须得安排上。此外,大型水利、核电设施、军事设施、危化仓库等重要建筑因为用途特殊,也须建设专门的健康监测系统。

图3

图 3 房屋建筑结构健康监测的主要对象

  2、结构健康监测系统是如何组成的?

  了解哪些建筑需要“健康体检”后,再来看看体检中心如何建成。结构健康监测系统由若干子模块构成,包括传感模块、数据采集与传输模块、分析处理模块以及数据存储管理模块等(见图 4)。

图4

图 4 结构智能监测系统组成

  其中,传感模块是伸向并感知各类建筑的“触角”。图 5 列举了部分常用的高性能智能传感器,它们是结构工程师的“听诊器”,包含光纤、压电、形状记忆合金、半导体等智能材料和元器件。现行的无线传感器已经摆脱了传输电缆有线连接的限制,直接植入结构内部或敷贴在表面,可实现建筑的自适应、自感知、自诊断甚至自修复。随着计算机视觉与虚拟现实技术的兴起,航拍无人机、高速摄影机甚至智能手机也加入了传感大家族,不仅能够重构建筑三维模型,还可识别结构的动力响应和表面微损伤,实现监测现场的高清可视化再还原。

图5

图 5 常用智能传感器及安装实拍

  数据采集与传输模块好比整个监测系统的“神经网”,不仅可实现多节点数据无线同步传输,极大减少设备体量和施工投入,还可智能调整数据汇总、筛选和预处理的策略,提炼更有参考价值的信息,使分析中心能够做到有的放矢。5G 时代变革性地提高了无线通信容量,海量原始数据可以迅速发送至云上服务器,供多部门多维度调用,为结构设计验算、灾害作用规律研究、建筑规划选址提供最真实、最快速的一手“监测数据”。

  分析研判模块相当于感知系统的“大脑”。信息时代的大数据与云计算技术为机器学习提供了得天独厚的条件,人工智能已经开启承担监测结果分析处理的重任。多类型的智能神经网络可以从云端的监测数据中分析出建筑的损伤位置和程度,评估房屋剩余寿命,甚至给出科学的决策处理建议。

  在万物互联互通的时代,结构智能感知系统是物联网的延伸与拓展,建筑的健康信息也能与手机平板、智能家电家居和智能穿戴设备等联动,让智慧建筑的功能性与可靠性日趋完善。

  3、结构健康监测系统是如何工作的?

  了解“体检中心”如何建成后,作为工程“体检医生”的结构工程师们也须履行“望闻问切”的“问诊”流程(见图 6)。先闻“病人主诉”,即:同业主方沟通后收集相关基础资料,而后实地踏勘,明确被测结构的基本性态、主要“病害”、“发病”原因、拟解决的关键问题,完成图纸绘制、重点部位检测、历史资料的收集,并建立仿真模型。

图6

图 6 结构健康监测主要工作流程

  “选择哪些专业设备,做哪些指标检查”是结构健康监测的核心,甄选各类高性能智能传感器、给出采集传输策略,并制定合理“诊疗和康复”方案,是后续修缮加固等工程有的放矢、对症下药的必备前提。结构“健康”监测既有针对房屋建筑的梁、柱、节点、承重墙等关键部位的承载力、耐久性定期检测,也有针对结构整体的应力应变、环境温度、位移变形等指标,以及非结构构件的损伤等进行长期实时监测;既包含裂缝、腐蚀、变形等局部损伤的识别,也包含沉降、倾斜、动力响应等整体安全状态的评估。

  通过智能感知系统可以实时掌握结构各类真实“体检指标”的动态信息,监测所得的物理量会自动输入分析研判模块,进行智能解析比对,进一步弄清房屋“健康”状态、评估安全等级、研判风险水平,对危险结构或构件还能进行预警,并给出处置建议或意见,为应急避险、运维管养、加固修缮提供翔实可靠的决策依据,这个过程就像“专家会诊”。“健康体检”和“专家会诊”全程可以做到无人参与、无人值守,完全由计算机系统自主完成,这是结构健康监测系统区别于人工测量和传统监测手段的重要标志。

  4、典型工程应用

  以湖北省地震局工程院办公楼安全健康监测工程为例(见图 7),建筑布设了以压差式静力水准仪、自动化倾角仪、自动化裂缝计组成的安全智能感知系统。该系统可有针对性地实时监测房屋结构的重要部位,其监测数据可进行自动化处理和分析,为房屋结构安全评定提供重要决策依据。而武汉市砺志中学由于临近建筑工地,相关建筑也搭建了安全健康监测系统(见图 8),该系统由沉降智能监测仪、倾角智能监测仪、裂缝智能监测仪等传感模块组成,可对房屋的不均匀沉降、倾斜以及关键部位裂缝等结构性病害进行实时在线监测,可实时在线访问数据,并具备结构安全预警功能,可在第一时间通过手机客户端等媒介推送报警信息。

图7

(a)

图8

(b)

  图 7 湖北省地震局工程院办公楼房屋智能安全监测系统(a. 感知监测系统实拍图,b. 数据分析与管理系统实时监测界面)

图8-2

图 8 武汉市砺志中学房屋智能监测系统实拍图

  5、结语

  结构健康监测技术是工程理论与实际需求结合发展的产物,是高新技术高度集成化的重要标志,是现代结构检测技术的创新体现。一方面,结构健康监测系统能让智能感知网络真正覆盖到城市建筑的每一寸皮肤、每一块骨骼,可防事故隐患于未然,在守护人民生命财产安全、灾害预警及应急处置,以及节约建筑运营维护成本、优化结构设计方法理论、推动灾害及环境作用机制研究等方面,带来极大的社会经济效益。另一方面,结构健康监测系统可贯穿整个结构全寿命周期,在建设、运维、管养过程中扮演着侦察兵、指向标角色,它虽不直接解决和处置结构的病害险情,但可以为后续修缮加固工程、拆废重建工程以及类似房屋建设、安全评价标准的建立、健全工作提供详尽的数据资料和指导方案。

  结构健康监测系统,监测感知的对象不仅是房屋建筑,还可以广泛运用于大型水利、高铁地铁、大跨桥梁、核电大坝等各类工程的病害监测,防灾减灾工作者们前赴后继,不断推动结构智能感知体系朝着实用化、人性化、轻量便携化和可穿戴方向发展,为工程结构进行“健康体检”、“把脉会诊”,为人民生命财产安全保驾护航!

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