基于數(shù)字散斑相關(guān)方法的膜結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)研究

■ 殷惠君 Yin Huijun

0 研究背景

膜結(jié)構(gòu)自誕生至今只有50年左右的時(shí)間，但它以豐富多變的建筑造型、輕盈通透的結(jié)構(gòu)特性迅速發(fā)展成為大跨度空間結(jié)構(gòu)領(lǐng)域重要的組成部分。

膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展與膜材料的研發(fā)與應(yīng)用密不可分，每一次新型膜材的開發(fā)與應(yīng)用都極大地促進(jìn)了膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展。目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用的建筑膜材主要包括涂層織物類膜材（PVC和PTFE膜材）和熱塑化合物類膜材（ETFE膜材）兩大類[1、2]。

膜材作為建筑的覆面材料，通常直接暴露于外部大氣環(huán)境中。在日光照射、溫度變化、雨水沖刷以及塵埃侵蝕等自然環(huán)境的作用下，膜材的外觀顏色、光亮度以及強(qiáng)度等隨著時(shí)間的變化都會(huì)逐漸退化[3]。由此造成膜結(jié)構(gòu)的局部缺陷、褶皺、破損乃至整體失穩(wěn)的事故已成為阻礙膜結(jié)構(gòu)繼續(xù)發(fā)展的重大障礙。出現(xiàn)破損的膜結(jié)構(gòu)不僅影響美觀，而且更換下來的膜材由于自身不能自然降解的特性必然對(duì)環(huán)境造成污染。隨著膜結(jié)構(gòu)的大量涌現(xiàn)，這一問題日益突出。因此，發(fā)展針對(duì)建筑膜材和膜結(jié)構(gòu)的檢測(cè)技術(shù)，提高膜材的更換周期，增加膜結(jié)構(gòu)在正常使用極限狀態(tài)和承載力極限狀態(tài)下的可靠性已經(jīng)成為刻不容緩的課題。

1 膜結(jié)構(gòu)檢測(cè)方法

1.1 數(shù)字散斑相關(guān)方法

與傳統(tǒng)光學(xué)測(cè)量技術(shù)相比，數(shù)字散斑相關(guān)方法具有光路簡(jiǎn)單、要求測(cè)量環(huán)境簡(jiǎn)單、可以在野外應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)。所使用的光源可以是激光也可以是白光，散斑可以是激光形成的，也可以是人工散斑或者某些自然紋理，在測(cè)量范圍上可自由變化，僅與照相機(jī)像素及視場(chǎng)大小有關(guān)，對(duì)大變形的測(cè)量尤為有利。數(shù)字散斑相關(guān)方法的測(cè)量靈敏度一般可達(dá)0.01～0.05像素所代表的大小。由于相關(guān)方法是對(duì)兩幅記錄的圖像進(jìn)行直接的相關(guān)處理，借助高速視頻記錄或高速攝影系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量。

1.2 膜結(jié)構(gòu)的檢測(cè)內(nèi)容

針對(duì)膜結(jié)構(gòu)的檢測(cè)內(nèi)容可以分為兩大類，包括建筑膜材的材料性能檢測(cè)和膜結(jié)構(gòu)施工過程中及正常使用極限狀態(tài)下的預(yù)張力檢測(cè)。

1.2.1 建筑膜材的材料性能檢測(cè)

建筑膜材的材料性能檢測(cè)包括以下三方面內(nèi)容：

(1)建筑膜材的基本特性研究，包括材料非線性、非彈性、各向異性以及黏彈性四大基本力學(xué)特性。

(2)建筑膜材的強(qiáng)度指標(biāo)，主要指建筑膜材的抗拉強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度兩大基本強(qiáng)度指標(biāo)，這是膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工的基本依據(jù)。

根據(jù)以上規(guī)劃意見，供熱系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)國(guó)家及當(dāng)?shù)氐恼撸裱?jié)能、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展等原則，并通過經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，充分利用廢熱，如污水等低品位熱能，將其開發(fā)利用，利用于民用采暖中，從而實(shí)現(xiàn)物盡其用，節(jié)能環(huán)保的效果。

(3)建筑膜材的工程常數(shù)，主要包括彈性模量、泊松比、剪切模量等內(nèi)容。

以上材料性能的檢測(cè)設(shè)備主要為單軸拉伸試驗(yàn)機(jī)和雙軸拉伸試驗(yàn)機(jī)（圖1、2）。在以上試驗(yàn)過程中，利用數(shù)字散斑相關(guān)方法可以監(jiān)控加載過程中膜面的應(yīng)力、應(yīng)變的分布和發(fā)展規(guī)律，更全面地監(jiān)控試驗(yàn)發(fā)展的全過程，這對(duì)認(rèn)識(shí)建筑膜材的力學(xué)性能和破壞機(jī)理非常必要。

1.2.2 膜結(jié)構(gòu)施工過程中及正常使用極限狀態(tài)下的預(yù)張力檢測(cè)

膜結(jié)構(gòu)施工過程中及正常使用極限狀態(tài)下的預(yù)張力檢測(cè)是屬于膜結(jié)構(gòu)特有的檢測(cè)內(nèi)容。膜材屬于柔性材料，只能承受拉力而不能受壓或受彎，只有在被施加了一定水平的預(yù)張力后才具備所需的結(jié)構(gòu)剛度。當(dāng)外荷載產(chǎn)生的壓應(yīng)力超過結(jié)構(gòu)的預(yù)張應(yīng)力時(shí)，膜結(jié)構(gòu)將發(fā)生局部屈曲，即產(chǎn)生褶皺。即使在考慮恒荷載、風(fēng)荷載和預(yù)張力的組合下，膜面的褶皺面積也不允許超過10%[6]。而由于外荷載造成的膜材達(dá)到極限抗拉強(qiáng)度而破壞的情況較為少見，因而膜面預(yù)張力的大小和分布是膜結(jié)構(gòu)施工和檢測(cè)的控制性指標(biāo)。

膜結(jié)構(gòu)膜面張力測(cè)量屬于無損檢測(cè)的范疇。國(guó)外曾提出過聲波法、拉曼光譜測(cè)試法、振動(dòng)測(cè)試法和位移測(cè)試法等測(cè)量方法[7、8]。但是普遍存在測(cè)量精度不高，操作不方便的缺點(diǎn)，而且國(guó)外相關(guān)技術(shù)、儀器均為各企業(yè)專用，不對(duì)外提供技術(shù)服務(wù)，處于技術(shù)保密狀態(tài)。

數(shù)字散斑相關(guān)方法在這一領(lǐng)域擁有較大的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槠錂z測(cè)過程為實(shí)時(shí)、非接觸檢測(cè)，且其測(cè)量范圍可以是一個(gè)區(qū)域而非單一的點(diǎn)，在一定條件下甚至可以進(jìn)行膜面的全場(chǎng)檢測(cè)——不僅可以檢測(cè)預(yù)張力的大小，還可以檢測(cè)預(yù)張力分布的不均勻性。因此，數(shù)字散斑相關(guān)方法的檢測(cè)技術(shù)對(duì)膜結(jié)構(gòu)的施工和維護(hù)具有重要意義。

目前，國(guó)內(nèi)外的檢測(cè)技術(shù)尚未能完全解決膜結(jié)構(gòu)的施工及正常使用極限狀態(tài)下的檢測(cè)問題，數(shù)字散斑相關(guān)方法為解決這一難題提供了很好的途徑。基于數(shù)字散斑相關(guān)方法的膜結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)將實(shí)現(xiàn)對(duì)膜結(jié)構(gòu)施工過程進(jìn)行檢測(cè)，控制預(yù)張力的分布及預(yù)張力水平；實(shí)現(xiàn)對(duì)服役期內(nèi)膜結(jié)構(gòu)的檢測(cè)，提高膜結(jié)構(gòu)在正常使用極限狀態(tài)和承載力極限狀態(tài)下的可靠性，增強(qiáng)膜結(jié)構(gòu)的健康服役能力。這將有力促進(jìn)膜結(jié)構(gòu)建筑業(yè)的健康發(fā)展，同時(shí)對(duì)于保護(hù)生態(tài)環(huán)境大有裨益。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

國(guó)際上，對(duì)于建筑膜材檢測(cè)技術(shù)的研究起步于上世紀(jì)80年代。其中，德國(guó)、日本等在膜結(jié)構(gòu)領(lǐng)域處于領(lǐng)先水平的國(guó)家已經(jīng)開展了大量的研究工作。德國(guó)的Rain Blum 實(shí)驗(yàn)室是歐洲最大規(guī)模的膜材料力學(xué)性能研究室，建立了膜材料在抗拉強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度、剝離強(qiáng)度等強(qiáng)度指標(biāo)以及通過雙軸拉伸試驗(yàn)確定膜材料彈性模量、泊松比、剪切模量等工程常數(shù)的統(tǒng)一的試驗(yàn)方法，并已被Tensinet等行業(yè)組織采納。日本也相繼在1993、1995和2003年制定了統(tǒng)一的膜材料性能的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)范圍包括了強(qiáng)度指標(biāo)、工程常數(shù)的測(cè)試以及蠕變、應(yīng)力松弛、耐折、高低溫、防水、耐候等長(zhǎng)期工作狀態(tài)下的性能測(cè)試。在國(guó)內(nèi)，同濟(jì)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、東華大學(xué)、上海交大等高校已經(jīng)開始在膜材料、膜結(jié)構(gòu)單元力學(xué)性能領(lǐng)域開展研究工作；由同濟(jì)大學(xué)張其林教授主持編寫的上海市工程建設(shè)規(guī)范《膜結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》已經(jīng)出版。這使得對(duì)膜材的力學(xué)性能以及膜結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力水平進(jìn)行檢測(cè)成為可能。

但是，膜結(jié)構(gòu)的檢測(cè)技術(shù)尚處于探索階段，存在不同程度的缺陷，針對(duì)膜結(jié)構(gòu)施工過程和正常使用極限狀態(tài)的實(shí)用檢測(cè)技術(shù)尚未出現(xiàn)。因而利用數(shù)字散斑相關(guān)方法進(jìn)行非接觸的實(shí)時(shí)檢測(cè)必將成為未來的發(fā)展趨勢(shì)。

3 主要研究開發(fā)內(nèi)容、技術(shù)關(guān)鍵及主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

3.1 主要研究開發(fā)內(nèi)容

3.1.1 數(shù)字散斑相關(guān)方法的原理

數(shù)字散斑相關(guān)方法測(cè)量的基本問題是相關(guān)兩個(gè)散斑場(chǎng)，即變形前的參考場(chǎng)和變形后的變形場(chǎng)，在一個(gè)空間坐標(biāo)系x，y，z中，被測(cè)物體上一點(diǎn)P的坐標(biāo)為x，y，z，而變形后的坐標(biāo)為x’，y’，z’，其關(guān)系可以寫作：x’=x+u，y’=y+v，z’=z+w，其中，u，v，w稱為位移分量。

在實(shí)際測(cè)量中，以平面方式記錄散斑場(chǎng)。在變形前，物體表面的灰度場(chǎng)為P(x，y)；變形后，物體表面的灰度場(chǎng)為P(x+u，y+v)，如圖4所示。于是問題變成考慮兩個(gè)灰度場(chǎng)的相關(guān)來測(cè)量u和v。根據(jù)圍繞P點(diǎn)的位移函數(shù)的線性泰勒展開式可以推導(dǎo)變形場(chǎng)位移與應(yīng)變的關(guān)系。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)不難發(fā)現(xiàn)，位移偏導(dǎo)數(shù)在數(shù)量級(jí)上比位移小很多，因此在相關(guān)運(yùn)算時(shí)采用的策略是只求位移，隨后用位移場(chǎng)導(dǎo)出應(yīng)變場(chǎng)。

3.1.2 相關(guān)運(yùn)算

在數(shù)字散斑相關(guān)方法中，相關(guān)運(yùn)算是其中的關(guān)鍵。相關(guān)運(yùn)算，是尋求圖像間最佳匹配的運(yùn)算。它可以在圖像空域上進(jìn)行，稱為空域相關(guān)運(yùn)算；也可以在頻域進(jìn)行，稱為頻域相關(guān)運(yùn)算。由于空域相關(guān)運(yùn)算往往可以得到比頻域相關(guān)運(yùn)算較高的精度，所以，本項(xiàng)目主要研究空域相關(guān)運(yùn)算。

對(duì)相關(guān)運(yùn)算有兩個(gè)要求：一是精度，二是時(shí)間（即復(fù)雜程度）。這兩個(gè)因素一般是矛盾的。如何提高計(jì)算精度和減少計(jì)算時(shí)間，是數(shù)字散斑相關(guān)方法研究中的重點(diǎn)。本項(xiàng)目采用灰度梯度迭代算法(Iterative and gray-gradient algorithm，IGGA)進(jìn)行平面內(nèi)的相關(guān)運(yùn)算。這種算法不僅減少了計(jì)算量，同時(shí)當(dāng)測(cè)量較為復(fù)雜的非剛體位移時(shí)，灰度梯度算法與傳統(tǒng)方法相比具有更高和更穩(wěn)定的精度，這是數(shù)字散斑相關(guān)方法應(yīng)用于工程測(cè)量的基礎(chǔ)。

3.1.3 基于有限元與廣義交互驗(yàn)證方法的位移場(chǎng)光滑技術(shù)

對(duì)膜面變形的測(cè)量主要關(guān)注應(yīng)變場(chǎng)，而相關(guān)技術(shù)只能得到位移場(chǎng)，因而位移場(chǎng)的小誤差將導(dǎo)致應(yīng)變場(chǎng)的不可信。散斑圖像總是會(huì)受到一定程度的噪聲干擾，當(dāng)噪聲水平足夠高時(shí)，位移數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性就會(huì)受到影響，從而影響應(yīng)變數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。為此，對(duì)離散的位移數(shù)據(jù)進(jìn)行光滑，去除或減少噪聲影響是十分必要的。力學(xué)計(jì)算中的有限元法是一種很好的位移場(chǎng)平滑技術(shù)。本項(xiàng)目在有限元光滑技術(shù)(FEM Smoothing technique)的基礎(chǔ)上，引入二維廣義交互驗(yàn)證方法(2D Generalized cross validation, 2D GCV)，直接計(jì)算光滑參數(shù)，避免了對(duì)于光滑參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)估計(jì)或煩瑣的間接計(jì)算，提高了測(cè)量系統(tǒng)的自動(dòng)化能力。與一般方法相比，這種位移場(chǎng)的光滑方法可以明顯地去除噪聲并較大地提高應(yīng)變測(cè)量精度，滿足科研及工程測(cè)試要求。

3.1.4 三維數(shù)字散斑相關(guān)方法

二維數(shù)字散斑相關(guān)方法很好地解決了膜結(jié)構(gòu)面內(nèi)位移場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)的測(cè)量，可以勝任建筑膜材的材料性能檢測(cè)和一般的膜結(jié)構(gòu)工程的實(shí)地檢測(cè)。但如果要實(shí)現(xiàn)對(duì)膜結(jié)構(gòu)工程的整體施工檢測(cè)和膜面預(yù)張力分布的全場(chǎng)檢測(cè)，就必須進(jìn)行三維觀測(cè)。

將立體攝影（雙目立體視覺原理）和數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)相結(jié)合可以測(cè)量三維位移場(chǎng)。三維數(shù)字相關(guān)位移測(cè)量的基本原理是從兩個(gè)CCD(Charge-coupled Device)攝像機(jī)拍攝的平面圖像得到測(cè)量點(diǎn)對(duì)應(yīng)平面圖像的像素坐標(biāo)，然后根據(jù)CCD攝像機(jī)與空間坐標(biāo)的關(guān)系得到測(cè)量點(diǎn)的空間坐標(biāo)，位移前后的空間坐標(biāo)差就是所求位移量。三維位移測(cè)量有兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)需要解決：①?gòu)膬蓚€(gè)CCD攝像機(jī)拍攝的平面圖像得到測(cè)量點(diǎn)對(duì)應(yīng)平面圖像的像素坐標(biāo)；②CCD與空間坐標(biāo)的關(guān)系。

其中，第一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)就是平面圖像的匹配問題，可以采用二維數(shù)字散斑相關(guān)方法解決，而第二個(gè)問題就是攝像機(jī)的標(biāo)定問題。首先利用兩個(gè)CCD攝像機(jī)在空間兩個(gè)不同位置拍攝物體表面在變形前后同一區(qū)域的四幅散斑圖像。有了同一載荷狀態(tài)下的兩個(gè)攝像機(jī)拍攝的同一物點(diǎn)的兩個(gè)坐標(biāo)，就可以根據(jù)坐標(biāo)關(guān)系找出物體上這一點(diǎn)的兩個(gè)世界坐標(biāo)(world coordinate system)值，這兩個(gè)世界坐標(biāo)值的差值就是位移。由此類推，可以得到被測(cè)物體的三維坐標(biāo)和三維位移場(chǎng)。

3.1.5 建筑膜材的性能檢測(cè)與膜結(jié)構(gòu)的實(shí)地檢測(cè)

通過數(shù)字散斑相關(guān)方法配合單軸、雙軸拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)建筑膜材的基本特性、強(qiáng)度指標(biāo)和工程常數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。尤其在建筑膜材的材料非線性、非彈性、各向異性以及黏彈性這四大基本力學(xué)特性的研究中，數(shù)字散斑相關(guān)方法可以發(fā)揮它實(shí)時(shí)、非接觸以及全場(chǎng)觀測(cè)的特點(diǎn)，有助于揭示建筑膜材的特性。通過三維數(shù)字散斑相關(guān)方法對(duì)實(shí)際膜結(jié)構(gòu)工程的施工過程進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)膜結(jié)構(gòu)施工過程的控制和跟蹤，有利于提高膜面的預(yù)應(yīng)力分布均勻程度，與設(shè)計(jì)的預(yù)應(yīng)力水平相吻合。同時(shí)，對(duì)已有膜結(jié)構(gòu)的正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行實(shí)地檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)膜面由于應(yīng)力松弛等原因出現(xiàn)承載力下降的問題，增加膜結(jié)構(gòu)的健康服役能力。

3.2 技術(shù)關(guān)鍵與創(chuàng)新點(diǎn)

本研究的技術(shù)關(guān)鍵在于灰度梯度迭代算法，基于有限元與廣義交互驗(yàn)證方法的位移場(chǎng)光滑技術(shù)，以及三維數(shù)字散斑相關(guān)方法。

目前，膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論已經(jīng)開始考慮膜材本身的各項(xiàng)異性，考慮膜材的材料性能對(duì)于膜結(jié)構(gòu)的影響。但是檢測(cè)技術(shù)的落后嚴(yán)重制約了各項(xiàng)新技術(shù)在膜結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的應(yīng)用。

本研究的創(chuàng)新之處在于通過數(shù)字散斑相關(guān)方法解決了困擾設(shè)計(jì)與施工人員的膜結(jié)構(gòu)檢測(cè)問題。利用數(shù)字散斑相關(guān)方法實(shí)時(shí)、非接觸和全場(chǎng)觀測(cè)的特點(diǎn)，可深入揭示建筑膜材的特性。同時(shí)，基于數(shù)字散斑相關(guān)方法的膜結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)將實(shí)現(xiàn)對(duì)膜結(jié)構(gòu)施工過程的控制和跟蹤，控制預(yù)張力的分布及預(yù)張力水平；并實(shí)現(xiàn)對(duì)服役期內(nèi)膜結(jié)構(gòu)的檢測(cè)，提高膜結(jié)構(gòu)在正常使用極限狀態(tài)和承載力極限狀態(tài)下的可靠性，增強(qiáng)膜結(jié)構(gòu)的健康服役能力。

4 研究意義

4.1 社會(huì)效益

長(zhǎng)期以來，膜結(jié)構(gòu)的施工過程對(duì)于膜面的預(yù)張力水平和分布的控制僅僅依靠施工人員的經(jīng)驗(yàn)。而建成后的膜結(jié)構(gòu)除非發(fā)生明顯的破損，很難判定其是否處于正常服役狀態(tài)，這造成許多膜結(jié)構(gòu)在風(fēng)災(zāi)害過后出現(xiàn)大面積的破壞。基于數(shù)字散斑相關(guān)方法的膜結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)將改變這一局面。首先，通過對(duì)膜結(jié)構(gòu)施工過程的檢測(cè)將改變膜結(jié)構(gòu)的施工過程僅能依靠經(jīng)驗(yàn)的局面。檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展將為膜結(jié)構(gòu)的施工過程提供準(zhǔn)確的依據(jù)。其次，通過對(duì)正在服役的膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)膜面由于應(yīng)力松弛等原因出現(xiàn)承載力下降的問題，通過補(bǔ)張拉對(duì)其進(jìn)行修復(fù)，避免發(fā)生破壞，進(jìn)而減少?gòu)U棄膜材的出現(xiàn)。基于數(shù)字散斑相關(guān)方法的膜結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)將為膜結(jié)構(gòu)建筑業(yè)的發(fā)展提供強(qiáng)大的技術(shù)保障。檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)步將提高我國(guó)膜結(jié)構(gòu)企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，因而具有巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。同時(shí)這也將為保護(hù)生態(tài)環(huán)境做出貢獻(xiàn)。

4.2 技術(shù)應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化前景

在世界范圍內(nèi)，膜結(jié)構(gòu)的檢測(cè)技術(shù)是各膜結(jié)構(gòu)企業(yè)的核心技術(shù)。國(guó)外的相關(guān)檢測(cè)技術(shù)、儀器均為各企業(yè)專用，處于技術(shù)保密狀態(tài)。因而，基于數(shù)字散斑相關(guān)方法的膜結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)可以大幅度提高我國(guó)膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工過程控制的水平。這一技術(shù)將迅速地在膜結(jié)構(gòu)企業(yè)得到推廣，在技術(shù)層面上對(duì)企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力給予有力的支撐，進(jìn)而促進(jìn)膜結(jié)構(gòu)建筑業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級(jí)。

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