智慧健康监测系统在大型公共建筑的应用研究_李玮.pdf

江苏建筑2022年第6期（总第225期）0前言如果建筑物结构有了损伤却未能及时发现，也未采取相应的养护、维修措施，轻则造成损伤加剧，影响人民群众的安全和建筑物的使用寿命,增加维修费用，重则导致建筑物局部突然破坏或整体倒塌等重大事故发生。为此，对建筑物（特别是大型公共建筑）进行必要的监测和养护，可及早发现建筑物病害，延长大型公共建筑物的使用寿命，从而实现建筑物的安全运营。智慧健康监测通过传感器技术、信息采集技术以及测试分析技术，实时采集反馈大型公共建筑服役状况的相关数据，采用一定的损伤识别算法判断损伤的位置与程度，及时有效地评估结构的安全性，预测结构的性能变化并对突发事件进行预警，可以较全面地把握结构建造与服役全过程的受力与损伤演化规律，是保障大型工程结构建造和服役安全的有效手段之一。1国内应用主要问题及应对措施由于大型公共建筑物结构及其所处环境的复杂性和不确定性，加上建筑物健康监测是一个涉及到多学科、跨行业的系统工程，建筑物健康监测系统的必需性和实用性在学术界一直争论不休，主要表现在：传统监测技术不能满足大型公共建筑物长期健康监测的需求；监测传感网络的设置、后台相应的计算机集成和软件系统还不很完善；部分关键核心检测技术（如光纤解调技术）被国外垄断，推高了造价；融合模糊理论的专家评判系统目前国内还智慧健康监测系统在大型公共建筑的应用研究李玮1，黄良璧2（1南京长江都市建筑设计股份有限公司，江苏南京210002；2杭州千城建筑设计集团股份有限公司，浙江杭州310000）摘要随着建筑业的高速发展，大型公共建筑越来越多，其设计施工质量亦存在一定差别，对其结构进行必要的监测和相应的养护从而确保建筑物的安全运营是十分必要的。智慧健康监测系统采用新型传感器和可靠的传输系统，由后台进行基于专家系统的数据处理评估，并结合BIM进行可视化展现，从而辅助大型公共建筑物的安全运营。关键词结构健康；智慧监测；公共建筑中图分类号 TU242文献标志码 A文章编号1005-6270（2022）06-0139-05Application of Intelligent Health Monitoring System in Large Public BuildingsLI Wei1HUANG Liang-bi2（1.Nanjing Yangtze River Urban Architectural Design Co.,Ltd,Nanjing Jiangsu 210002 China；Hangzhou Qiancheng Architectural Design Group Co.,Ltd,Hangzhou Zhejiang 310000 China）Abstract：With the rapid development of construction industry,there are more and more large public buildings.There are also some differences in the design and construction quality.It is very necessary to monitor andmaintain their structures to ensure the safe operation of buildings.Intelligent health monitoring system adoptsnew sensors and reliable transmission system.The data processing and evaluation based on expert system iscarried out in the background and visualized in BIM.So as to assist the safe operation of large publicbuildings.Key words：structural health；intelligent monitoring；public buildings收稿日期2022-06-16作者简介李玮，男（1976-），南京长江都市建筑设计股份有限公司，机电一院院长，高级工程师，从事机电设计与管理工作。139江苏建筑2022年第6期（总第225期）处于起步阶段。以上弊端做如下针对性的应对：（1）采用新型监测技术的传感器：传统监测采用人工定期巡检和电类传感器为主的监测技术，无法满足结构长期健康监测的需要，需采用新型的光纤自动化监测技术，该技术具有长距离、大范围监测、分布式不漏监、耐腐蚀、抗电磁干扰、长期稳定好、多参量测量、绝缘、无需现场供电、系统成本低、易于集成、测试精度高、定位精准等一系列优势。（2）选择开源系统开发数据平台，完善现场采集及网络通讯软件和监控中心系统软件：各个监测模块之间预留软件接口，为后续数据平台的搭建打好基础。（3）组建专家评判系统：整合建筑物诊治方面的经验数据，结合各方面技术力量组建专家评判系统，对健康监测数据进行专业解读，使损伤识别与评估逐渐走向智能化、自动化。2智慧监测系统总览2.1系统框架及组成（图1）2.2传感器子系统监测传感器通过“感知”环境、荷载和响应等参数的变化值，利用内置感应电路将这些参数值转换为电压、电流、电荷、频率等模拟电量或数字量，然后通过适宜的采集传输方式，送给外场的数据采集和传输子站中的采集板卡或调理器进行模数转换，完成数据采集。监测传感器主要为监测元器件、附属及保护设施，属于整个监测系统的最底层。2.3数据采集传输子系统该子系统主要功能是通过采集设备或调理器，将传感器端传过来的模拟量信号进行模拟-数字或光电转换，将采集到的信号转换成计算机可识别的数字信号，并通过有线或无线网络输送到监控中心的数据处理和控制子系统。2.4数据处理与控制子系统该子系统主要包含监控中心计算机设备和相应的数据处理和分析软件，主要功能是由计算机完成监测数据的前处理、后处理、归档、显示和存储等数据管理，并通过网络设置控制现场的各数据采集子站、调理器设备和传感测试设备的工作。该子系统为监控系统的“数据信息心脏”，是信息化、数据化管理的核心，其实现了系统的数据处理、数据管理和储存的全寿命静态资料信息和动态监测数据。2.5智慧健康评估子系统（图2）该子系统主要功能是利用高性能计算分析设备，结合各种结构静、动态计算分析软件，完成结构的状态评估和预警工作，定期编制并提交监测报告给大型公共建筑养护管理维修部门，为大型公共建筑物构件的维修、维护工作提供技术支持，并将各类监测信息、评估报告信息等通过界面显示模块展示给各级管养机构，且接受用户对系统的控制与输入、输出自检操作。3大型公建智慧健康监测方案及典型案例3.1智慧健康监测方案从建筑物健康监测系统设计原则出发，在权衡功能要求和效益成本的基础上，典型大型公共建筑结构主要监测项目及手段见图3。（1）结构应力应变监测：主要承重构件受力监测是所有建筑健康监测中必不可少的部分，对了解图1系统框架及组成图2智慧健康评估子系统图3主要监测项目及手段140江苏建筑2022年第6期（总第225期）结构的安全性、运营能力等有重要的意义。（2）结构位移、变形监测：混凝土徐变、温度变化等都会引起塔楼轴线位置的变化。监测建筑各部位的静态位置和位移、动态位置、沉降、倾斜等，以确保结构在使用期内的正常使用。如果建筑轴线对设计位置的偏离超过规定值，则建筑的内力分布会发生变化，影响整个结构的承载力性能。此外，在风等荷载作用下，建筑主体轴线位置的变化与建筑整体抗侧刚度有关。因此，在竖向荷载作用下，建筑的轴线位置变化是衡量建筑是否处于健康状态的重要标志。（3）结构动力特性监测：常规意义上的结构动力测试一般指通过对关键部位布置拾振器，对结构的振动情况进行数据采集。通过对所采集的数据进行模态分析，提取结构自振周期、频率、阻尼及振型。通过数据采集与数据分析程序，通过数据采集仪把结构关键点处的传感器时域信号传送到计算机，根据关键点时域信号构件结构的整体性态，在构件结构整体性态的基础上，对固有振型已知的结构进行振型分解，并在计算机屏幕上显示，此外还对结构上关键部位的时域信号进行频谱分析、相关分析和功率谱分析。（4）结构裂缝监测：对房屋因沉降导致的斜裂缝或其它主体承重构件上的结构性裂缝，测定裂缝的开合以及变化速率。（5）地震信息监测：用以掌握地震情况发生的振动等级，提醒人员撤离，尽量减少损失。（6）风速、风向、风压等风环境的监测：用以掌握实时数据，监测建筑物风荷载变化情况。（7）温度、湿度等环境的监测：对建筑周边环境进行监测，主要考虑对建筑主体结构安全有影响的因素进行监测。3.2某大型公建项目智慧健康监测案例解析该项目为市属三级综合医院，总建筑面积约40万m2，主要由南北两栋塔楼和中部裙楼组成。前期建筑物岩土工程详细勘察报告指出，该建筑物下部存在有溶洞和溶蚀深槽，且拟建场地东侧在场地平整时将形成边坡，有可能产生滑坡或崩塌。同时，该建筑物由于处于海边台风多发地区，易产生风灾破坏。作为大型的医疗建筑，设置完善的结构健康监测系统是十分必要的，具体实施方案如下：（1）框架柱应力应变监测柱纵筋监测：框架柱纵筋上、中、下3处分别放置光纤光栅钢筋计，并对称布置，一根框架柱使用6只钢筋应变计。柱混凝土监测：光纤光栅埋入式应变计分别放置在柱身上、中、下3处，并对称布置，一处柱身共使用6只埋入式应变计。在南塔、北塔地下溶洞影响区域随机选取受力较大的负2层柱设置钢筋计和混凝土应变计。（2）框架梁应力应变监测南塔楼6层、10层每层各布设4个监测点；北塔楼6层、10层、16层每层各布设4个监测点。每处测点选取框架梁跨中及梁端支座3个位置，每个位置左右对称布置两个传感器。图4为南北塔标准层框架梁应力应变检测位置示意及现场安装。（3）主入口钢结构大悬挑雨棚钢桁架主入口雨棚结构型式为钢桁架悬挑雨棚，最大悬 挑 长 度24 m，其 主 要 受 力 桁 架HJ1B桁 架HJ9B、桁架HJ9A桁架HJ11A，共计22榀桁架，每隔一个桁架在支座或跨中受力最大位置处上弦、下弦、腹杆3处左右对称设置3对、6个光纤光栅应力传感器，具体见图5。图4框架梁应力应变检测位置示意图图5主入口钢结构大悬挑雨棚钢桁架141江苏建筑2022年第6期（总第225期）（4）建筑物水平位移、沉降监测在南塔及北塔建筑物顶部及底部分别布置传感器，共计3个基准点。（5）倾斜监测每2层选取一个双向倾斜传感器（确定为2层、4层、6层、8层、10层、12层、14层、16层）。通过监测倾斜度分布，拟合北塔、南塔建筑物在垂直方向的位移分布曲线。（6）局部主要承重构件竖向挠度监测在主入口钢结构大悬挑雨棚钢桁架(选取3个测点)、北内院生命之庭钢结构连廊(选取3个测点)、中庭钢结构中大跨度钢梁（(选取3个测点）跨中布置传感器监测构件挠度。（7）边坡沉降监测该建筑物坡脚因平整场地形成一长约500 m、高约5 m12 m的人工边坡，坡度4060，坡体出露的地层主要为粉质黏土。切割形成的土质边坡在自重+地下水+暴雨状态下可能处于不稳定状态，通过布设9对GNSS仪器加以防护。（8）动力特性监测南塔2层、6层、10层，北塔2层、7层、12层、16层布置，每层3个方向、内外圈边缘分别布置测点，每个测点布置X向、Y向2个传感器，即每层6个测点、12个传感器。振动监测点布置示意图见图6。（9）风环境监测在塔冠无遮挡位置布置一台风速风向传感器，监测风速、风向，共计2台。（10）地震监测在大楼底层板上和南塔、北塔塔冠处分别布置一台强震仪，用以监测地震作用，共计3台。地震监测布置见图7。4结构健康监测实施要点鉴于结构监测健康系统实施的专业性和复杂性，前期的策划及设计工作尤为重要，一般由专家顾问根据项目结构健康实施目标，配合建设单位对设计单位的结构健康监测设计工作提出运维相关需求，配合开展可研、概算申报、设计施工图深化工作。确认项目工况条件，针对项目特点进行监