超高層建筑健康監測系統的設計與實現

葉玉

（西安醫學院陜西西安710021）

超高層建筑健康監測系統的設計與實現

葉玉

（西安醫學院陜西西安710021）

針對在超大型施工建設中存在的安全問題，文章提出結合超高層施工建設的特點，根據施工仿真和有限元分析，從而構建三維有限元模型，并根據模型得出各施工段結構的變形情況，為制定合理的溫度、應力測點進行優化布局。運用Labview平臺和C語言對施工監測軟件系統進行開發，并采用無線分散傳輸技術解決施工現場的通信問題，以此通過超高層監測系統的構建，為超高層建筑的施工提供安全保障。

仿真；有限元分析；測點布局；C語言；無線傳輸

健康監測作為一門多學科融合的交叉學科，隨著社會的發展和科技的進步，被廣泛的應用在各個不同的領域。在上世紀50～60年代，因國際大型橋梁事故頻發，橋梁健康監測開始被引入橋梁領域。同時隨著高性能傳感器和無線網絡技術的發展，評估模型改正，安全評定方法的完善，監測技術也有著顯著的提升，并被逐步應用在海洋平臺、超高層建筑領域中。針對超限、大型的建筑結構，施工期間其形狀、特性等物理特性也在不斷的改變，因此，做好必要的施工力學分析，真實反映在建項目施工過程中的結構變化，是做好超高層建筑健康監測設計的現實意義。對此，文中以某超高層建筑作為背景，在施工期間其結構中的構件應力、豎向位移、溫度作為監測內容，并對超高層建筑監測系統中傳感器的布點和軟件系統開發進行了深入探討。

1　系統組成及監測內容

文中以湖南長沙某超高層建筑為例，高441米，總共120層，對其施工過程進行監控。文中將系統分為人工監測和在線監測兩個部分，其中的豎向位移為人工監測，包括對測量標記點、測量儀器；應力、溫度等則屬于在線監控。因此，該系統的的組成則包括傳感器布點系統、數據采集與傳輸系統、數據處理和分析系統3個部分組成。

2　系統設計原則

2.1易操作性與可管理性

對該系統的布局首先應滿足易操作和容易管理，從而方便現場的工作人員對該系統進行使用，避免因系統的復雜導致出現失誤。

2.2可靠性

施工現場其存在環境復雜、施工周期長等特點，因此該系統應耐用和可靠，從而保證該系統正常功能，保障監測目標的完成。

2.3先進性和經濟性

保障系統的可靠、穩定運行，對監測系統中采集、傳輸等應采用當前比較前沿的技術，并在保障設備先進的基礎上，選用性價比比較高的監測設備，以此實現功能和價格的和諧統一。

2.4可擴展性

系統的設計是基于施工中可能遇到的情況進行監測，但是超高層建筑的施工中具有極大的復雜性，因此，對該系統的設計則要求不同的功能模塊其功能關聯并相互獨立，從而在不影響整體功能的情況下，可對系統進行功能的擴展，滿足建筑施工的需要。

3　系統整體設計方案

該健康監測系統是以超高層施工結構監測為根本，集合數據采集與處理、數據實時傳輸、傳感器、軟件開發等一體的交叉系統，通過傳感器對施工高層建筑在應力、溫度和豎向位移方面的數據采集，通過實時傳輸將數據傳送給后臺，通過后臺軟件實現對數據的處理、分析和評估，從而最大限度的保障超高層建筑在施工中和施工后的結果安全，延長建筑的使用壽命，該健康監測系統的整體框架如圖1所示。

圖1　系統整體架構Fig.1Overall system architecture

通過圖1整體框架設計，該系統分為3個不同的系統。其中數據采集系統包括傳感器模塊、數據采集與傳輸、數據處理與控制3個子系統，從而實現對數據的采集、傳輸到最后的分析控制；中心數據庫系統則主要完成對整個系統數據的存儲、查詢、打印等功能；軟件系統則主要包括自動化采集、遠程實時監控、數據統計分析、數據管理查詢和安全評定等集成功能。

4　傳感器布點方案

傳統施工分析是建立高層建筑結構模型，通過分階段的對其施加荷載，最后將各個不同階段的荷載進行相加，以此得出分析的結果。這種分析其某種程度上為考慮施工階段給上部的結構所帶來的影響，從而使得其產生較大的誤差。對此，本文針對上述的問題采用Midas軟件對整個建筑進行仿真分析。該軟件利用單元生死的功能，將施工部分和未施工部分分開，對施工的部分進行結構激活，而未施工的部分則進行鈍化。對此，其具體的步驟為：首先建立整體的施工仿真模型；其次對已施工階段部分進行分析；再次，程序自動將前面施工階段的計算結果進行累加到當前施工階段的結果當中，從而更為逼真的對施工過程中的工況進行模擬。文中選取構件豎向變形、混凝土收縮與徐變、構件應力等進行仿真。如圖2為巨柱豎向變形仿真分析結果。

圖2　巨柱豎向變形Fig.2The giant column of vertical deformation

通過采用Midas軟件對系統進行的分析，可得到施工階段的結構變化，從而為傳感器的布點提供參考。從理論上講，對傳感器的布點不是越多越好，而是在布局的同時還應考慮整體的經濟效益。結合上述的仿真分析，本文對測點的布控應遵守以下的原則：第一，對結構整體的變化進行完整描述；第二，布局點搜集的信息對結構變化足夠敏感；第三，在滿足上述兩條件的時候，傳感器的布局應盡量少。同時考慮到超高層建筑結構施工中有多個不同的加強層，在不同加強層鄰近區域內，建筑結構的側向剛度存在高度方向的不平衡性，剛度的變化會使得內部應力發生變化。因此，本文研究的超高層建筑傳感器布點方案與應力布控點（1層為例）如表1和圖3所示。

表1　測點統計Tab.1Measuring point statistics

圖3　1層巨柱應變測點布設Fig.31 layers pillars laid strain measurement points

豎向構件布點采用對稱的方式，在16根巨柱中沿著對稱的方向分別布置4個測點，總共為12個測點。

5　數據采集系統設計

采集系統包括采集箱、采集卡和支持數據傳輸的設備等，該部分也是模擬信號、信號調理和數字信號進行相互轉換的系統，其硬件設備的選擇對保障系統的運行至關重要。因此，數據采集系統的設計和選型應遵守以下的原則：

1）傳感器的選擇為電信號傳感器，盡量選擇當前技術先進的傳感器，從而保障數據采集的靈敏度［7］，并盡量選擇同型號的傳感器，以保證系統兼容性。

2）對系統的采樣頻率，其中的溫度和應力隨著時間的變化比較緩慢，因此，選擇較低的采樣頻率即可滿足要求。

3）對搜集到信號需要進行調理，去除其中的噪音、濾波等，以此保證搜集都的信號為高信噪比信號。

針對上述的要求，文中選擇CR1000采集儀作為現場數據測量的主要設備，選用AVW200彈動式轉換模組與CEM416擴展模組實現圖3中的電阻應變片和振弦應變計的數據集成和采集，并選用RT-AC87U作為無線傳輸設備，具體見圖4。

圖4　硬件系統選型Fig.4Hard ware system types

6　監測軟件開發

軟件系統包括實時監測系統、數據統計的、數據查詢、結構安全預警與評估等，從而實現對施工期間結構變化的動態實時監控。文中采用Labview軟件系統監測軟件進行開發［8］，通過開發平臺中的amplitude and level measurements節點及其示波功能從而實現對采集數據的統計、顯示。通過數據變化曲線對建筑結構安全性能進行評估；通過其中的結構安全預警模塊實現實時預警，以便現場工作人員采取相關的措施。

7　結束語

通過系統的構建和對施工結構的檢測，核心筒總豎向位移為156.01 mm，巨型柱的總豎向位移則為152.85 mm。加強層位移大于普通層，最大值分別為3.31 mm，2.92 mm。

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The design and implementation of high-rising structure health monitoring system

YE Yu
（Xi'an Medical University，Xi'an 710021，China）

In view of the large existing in the construction of security problems，this paper combined with the characteristics of the high-rise construction，according to the construction simulation and finite element analysis，so as to build a threedimensional finite element model，and according to the model，the construction period of structure deformation of the situation，to develop reasonable temperature，stress and optimize the layout of measuring points.Using Labview platform and the C language to construction monitoring software system development，using wireless distributed transmission technology solve the problem of communication of the construction site，so through the building super-tall monitoring system，to provide security for the high-rise building construction.

simulation；finite element analysis；measuring point layout；C language；wireless transmission

TN99

A

1674-6236（2015）20-0100-03

2014-12-29稿件編號：201412291

葉玉（1982—），女，陜西綏德人，工程師。研究方向：建筑工程管理與施工技術。