既有城鎮建筑的結構健康監測技術及策略分析

李俊杰

（1.甘肅省建筑科學研究院有限公司，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省綠色建筑與建筑節能工程研究中心，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

健康監測技術最早應用于航天領域，直至 20 世紀 50 年代才應用于建筑領域，最開始主要應用在橋梁中，在后續發展過程中由于其技術水平不斷提升，被逐漸廣泛應用于其他建筑中。就建筑結構健康監測技術而言，當前其屬于一種新型的研究內容，但由于其監測具有有效性，能夠及時地了解建筑結構情況，更好地避免安全事故的發生，所以其應用對于建筑行業的發展有著非常重要的影響。

1 國內外研究應用現狀

建筑是人類生產、生活的主要場所，其結構健康狀態將直接影響建筑的穩定性、安全性和使用壽命。近年來，國內外針對城鎮建筑結構健康監測技術的研究越來越多，并取得了一定的成果。

國外相關地區關于工程結構健康監測技術的研究和應用比較早，最早是應用于橋梁工程之中，近年來逐步應用到城鎮建筑結構的監測中。例如，目前世界最高建筑——位于迪拜的哈利法塔總高度為 828 m，總建筑面積達到 526 700 m2。該建筑采用的是下部混凝土結構、上部鋼結構的組合結構體系，其中-30～600 m 為鋼筋混凝土剪力墻結構，600～828 m 為鋼結構體系，并且在 600～760 m 范圍內加入了鋼斜撐。為了保證這座世界最高建筑結構的穩定性，哈利法塔配置了目前世界上最先進的建筑結構監測系統。該系統主要由自動爬模系統（ACS）、GPS 天線系統以及測量總站儀器（TPS）構成，通過安裝于各個樓層的傾斜儀，對整個建筑核心筒結構的垂直度和穩定性進行監測［1］。

國內近年來關于建筑結構健康監測系統的研究和應用越來越多，例如，廣州地區的地標性建筑——廣州塔采用了目前國內最為先進的建筑結構健康監測系統。該系統的典型特點在于，將結構健康監測系統和振動控制系統進行了融合，并實現了對建筑區域風、地震結構影響因數的監測。

2 建筑結構健康監測與檢測的異同分析

建筑結構監測與檢測的相同點在于，兩者的目的相同，都是為了對反映建筑結構健康性、穩定性以及安全性的指標進行獲取，再通過科學計算和分析，評估建筑結構的可靠性。基于此，可以對建筑結構的變化趨勢、使用壽命進行預測，這對城鎮建筑管理、舊建筑穩定性監測、古建筑保護都具有重要的意義。

建筑結構健康監測與檢測的不同之處在于，監測是通過在建筑結構體上安裝傳感器，再利用 GPS、GIS 等技術，對結構數據進行實時、持續性、自動化監測的過程，涉及到對監測系統的設計以及大量現代科技的組合應用。而建筑結構健康檢測則主要是通過技術人員，按照相關指標系統，利用相關方法以及設備儀器，對相關指標進行針對性檢測的過程。簡單來講，建筑結構健康檢測，主要是間歇性、針對性或專項性的檢測，主要依靠技術人員開展檢測工作，雖然效率較低，但是在一些重點建筑的重點部位檢測中，具有不可替代的作用［2］。

3 建筑結構健康監測的意義

第一，對于建筑結構而言，在使用的過程中受到各種因素的影響，都會對其造成一定的破壞。隨著破壞程度的不斷深入，就會影響到建筑的正常使用，這對于城鎮的建筑影響更大，直接影響城鎮的發展［3］。此外，在使用過程中，受到一些因素的影響，比如人為、自然等等因素，對其結構進行突發性損傷，那么如何了解其實際情況，采取相應措施來對其進行處理，這是關鍵內容。通過健康監測技術就能夠實現這一目的，更好地了解建筑的結構情況，并且明確建筑結構中存在問題的位置，更好地保證建筑結構的穩定。

第二，通過健康監測技術還能夠根據建筑結構自身的實際情況來進行選擇，不僅能夠針對性地進行監測，還能夠實現長期性監測。通過對其監測不僅能夠明確問題位置，了解具體情況，還能夠對其分析，明確建筑結構的使用壽命，及時地采取相應措施。

4 工程案例

4.1 工程概況

某建筑工程位于福州市某城鎮，總建筑面積為 13 220 m2，整體采用鋼筋混凝土結構。為了實現對該建筑結構穩定性、安全性的實時監測，并采取必要措施進行加固優化，相關單位決定引進建筑結構健康監測系統實施監測。

4.2 監測內容

第一，根據建筑結構圖紙，對建筑結構的各項常規指標進行監測，如梁體位置、柱體垂直度等。第二，對于建筑結構形變量、形變趨勢進行檢查。

4.3 監測儀器選型

綜合考慮監測內容需求以及現場實際情況，項目采用鋼弦式傳感器（傾角計、應變計、位移計等）和便攜式解調儀實施現場監測。

4.4 測點布置

對于監測所需要的測點數量，按照樓層進行劃分。根據我國規范的相關規定，在該建筑每個樓層及核心結構體上共布設 10 個監測點。測點布設位置應符合下列規定：

1）應反映監測對象的實際狀態及變化趨勢，且宜布置在監測參數值的最大位置；

2）測點的位置、數量宜根據結構類型、設計要求、施工過程、監測項目及結構分析結果確定；

3）測點的數量和布置范圍應有冗余量，重要部位應增加測點；

4）可利用結構的對稱性，減少測點布置數量；

5）宜便于監測設備的安裝、測讀、維護和替代；

6）不應妨礙監測對象的施工和正常使用；

7）在符合上述要求的基礎上，宜縮短信號的傳輸距離。

4.5 結構分析

1）混凝土設計強度為 C 40，通過傳感器對其10 個監測點進行監測，發現其混凝土的抗壓強度在 47 MPa 左右，并且再次對其進行核查，最終結果與設計方案相符，并且在這其中并沒有發現存在地基沉降問題，從建筑的上部結構分析得出，該建筑結構的地基較為穩定。

2）通過傳感器對混凝土柱、梁的抗壓強度進行實時監測，其強度最小達到 43 MPa 和 42.5 MPa，均滿足建筑工程設計要求。

3）監測發現建筑結構構件并沒有出現變形或者裂縫，與設計圖紙內容基本相符。

5 城鎮建筑結構健康監測技術的應用策略

5.1 城鎮建筑結構健康監測技術的內容與系統組成

5.1.1 技術內容

結構健康監測技術是利用傳感器來對其結構進行監測，以結構特點為基礎，來明確結構問題的所在位置，進而來達到監測結構損傷情況的目的［4］。其工作原理就是利用傳感器來獲取建筑結構的變化情況，明確其中損傷的位置，通過相應的方法來進行計算，推斷當前結構的健康情況，并且還能夠通過不間斷監控的方法來了解結構的耗損。結構健康監測其中融合數據分析、網絡通信等等相應技術。

5.1.2 系統組成

第一，傳感器。這是整個健康監測技術中最為基礎，也是最重要的部分。這部分主要是對其需要進行監測的結構獲取數據，并且將其以電、光等方式傳播出去，通常情況下都是將其轉化為電信號。第二，數據采集系統。這個系統大多數都會將其安裝在建筑結構中，然后配合軟件來對其數據進行采集。第三，通信傳遞系統。這系統主要是將所傳輸過來的數據送到數據管理中心。第四，數據監控管理。通過分析損傷、安全預警等等功能，對建筑結構中的問題位置、程度等等進行具體分析，如果其存在異常就會及時報警。

5.2 建筑結構健康監測范圍和質量安全評價

5.2.1 健康監測技術范圍

第一，對于監測范圍可以將其劃分為兩種，分別是局部監測和整體監測。對于局部監測而言，大多適應于建筑結構簡單，或者是能夠明確建筑結構中存在問題的位置，對其進行針對性的監測［5］。所采取的監測方法大多都是通過監測人員來人工檢測。而對于一些結構較為復雜的建筑，就應該采取整體檢測的方法，對于這種監測方法需要為其配備相應監測設備，其所監測的范圍也更廣，不僅有應力、位移等等，而且還有內力、撓度等等相應內容。第二，其局部監測大多都是利用無損監測，比如常見的有發射光譜法、回彈法等等。而對于整體監測而言，作為其結構健康監測技術中的核心內容，就有模型修整、動力指紋等等方法。

5.2.2 健康監測技術評估方法

在對建筑結構進行健康監測過程中，應該進行安全評估。當前所能夠利用的相應方法有可靠度理論、層次分析、模糊理論等等方法［6］。其中的可靠度理論又分為正常和承載力極限兩種形式下的評估，主要是對其結構系統進行具體分析，了解建筑結構的極限承載力，進而得出相應結論。而層次分析法則是通過將多種指標相結合的一種方法，利用這種方法能夠很好地明確各項指標的影響程度，并且保證其評價的科學合理性。模糊綜合評價就是明確在專家評價中所不能夠確定的部分，并將其內容進行數據轉化，進而來了解其安全性［7］。其專家系統是通過構建數據庫的方法，來明確與以往相似的地方，然后對其問題進行解決，但是這種方法不具備時效性。對于建筑結構而言，其不同位置、不同程度的損傷都會導致建筑結構安全程度不同，如何能夠為其建立一套完整的評價體系，就成為當前人們研究的重點［8］。

6 結語

通過對建筑結構健康監測應用實例的分析，明確相應的監測內容，按照相應要求來進行監測，最終了解到該工程的建筑結構質量滿足相應要求，而且各部分結構較為完整，并不需要對其進行加固，能夠很好地滿足使用需求。通過對建筑結構健康監測意義、內容等的了解，結合建筑工程的實際需求，采取科學合理的監測技術，這樣就能夠為建筑結構的施工和使用提供相應參考，更好地保證建筑結構的穩定。