基于粒子群優化聚類的建筑施工質量監測技術

王明巖，白 楠，賀哲鋼

（中建二局第三建筑工程有限公司，北京 100070）

0 引言

建筑進入新型工業化發展階段，將標準化設計與信息化管理相結合，在生產、施工和運營等各個環節形成綜合產業鏈。建筑結構日益復雜，在施工中受到多種因素的影響，包括環境荷載、腐蝕效應、材料老化等。以上因素容易造成塌陷事件，威脅建筑整體的穩定性和安全性。面對建筑工程的集約化需求，在加快建設速度、減少能源消耗的同時，需要保證施工項目質量，避免建筑在建造和使用過程中發生安全事故［1］。為達到結構預期的實際目標，需要利用現場測量或智能傳感等技術采集建筑信息，對施工質量進行監測。在不影響后期施工進度的前提下，根據監測結果對建筑結構和材料進行狀態評估和鑒定，判斷其承載力是否符合設計標準，并且不存在損傷和腐蝕情況［2］。根據建筑服役狀態的監測結果，對存在安全問題的結構和建筑材料進行預警，并及時采取相應安全保障措施，以便施工項目順利進行。在建筑施工質量監測中，主要利用建筑整體的頻率和振動情況判斷結構是否存在損傷和安全隱患，但對結構局部的質量監測效果不好。針對此問題本文基于粒子群優化聚類提出建筑施工質量監測技術，利用算法對局部結構進行迭代尋優，識別不符合施工設計標準的結構位置。通過質量監測技術，掌握施工進展，及時發現建造質量偏差，實現對施工質量的有效管控和安全運營。

1 建筑施工構件數據點分割

根據施工現場采集的數據，對建筑構件進行分割和特征提取。對于三維數據點，整個維度分布情況存在差異。對于某一維度的數據點，其坐標方差越大，構件結構數據越分散。為平衡分割效果，從方差最大的維度開始分割建筑構件數據點，再確定點的鄰域，按照k近鄰搜索規則進行搜索。假設存在兩個構件三維數據點，坐標為（ax，ay，az）和（bx，by，bz），二者之間距離的計算公式見式（1）。

式中：d為兩個構件三維數據點之間的距離。

根據三維數據點之間的距離，劃分三維體素柵格。每個柵格內含有若干個建筑構件數據點，使用所有點的中心代替其余數據點，得到數據點集合［3］。為避免數據過于稀疏或出現空的柵格，增加采樣處理負擔，需要對柵格邊長進行確定。綜合考慮構件數據量和采樣比例，本文將柵格邊長設定為 5 cm，在保留原始數據特征的同時，提高了建筑結構邊界提取效率。在獲得構建數據點的基礎上，根據建筑結構設計標高，建立位置坐標的約束條件，對數據點進行聚類［4］。在標高范圍內，根據坐標的最大和最小值確定數據點的范圍。在三維數據點中建立正交坐標軸，選取數據方差最大的方向為x軸方向，y軸方向與x軸組成的正交平面方差最大，z軸分別與x軸和y軸正交。對于建筑的柱體結構，在z軸的數據方差最大，因此，對得到的數據分簇結果進行主成分分析，計算協方差矩陣的特征值，識別特征值最大的點。將沿z軸方向分布的數據點判定為柱體結構，沿x軸和y軸方向分布的數據點判定為墻面結構［5］。根據柱體結構最上層中心點確定主梁結構。在建筑主梁上繼續進行特征分割，沿x軸和y軸方向擴展得到次梁結構。在聚類中，計算相鄰數據點的距離，直至兩類別的距離超過設定閾值，此時每個柱體結構數據點被分割為單個簇，則停止分割。

2 構建建筑目標空間圖元

在分割建筑施工構件數據點，得到柱體、墻面和梁體結構的基礎上，根據各構件的鄰接和關聯關系，建立工程對象目標空間圖元。根據建筑施工項目的實際范圍，界定各對象的位置信息。分別對橫向、縱向的防護欄桿和鋼筋等工程對象建立不同的圖元類別，形成字符列表。在類別目錄中按照圖元字符列表找到串行內容，按照鄰接關系順序，獲得圖元一維列表。將所有圖元節點的邊界框兩兩相交，在位置界定列表中，使用索引值判斷邊界框是否相交［6］。當圖元節點索引值為 1 值，代表兩個臨界圖元相交，反之為 0 時，代表不相交，以此篩選相鄰圖元節點，識別交叉連綴狀態。假設存在兩個圖元分別為防護欄桿和隔板，其邊界框的索引值判定為 1，則認為兩個建筑構件在空間上相鄰接。在施工時需要注意兩個構件的連接的牢固程度［7］。對于在空間上臨界的圖元，對構件的數據點進行擬合，以所有點的偏差平方和最小為目標，求解擬合的直線方程，便于后續建筑尺寸和邊緣的計算。偏差平方和的表達式見式（2）。

式中：γ為偏差平方和；i和s分別為構件數據點的序號和總數；β和φ表示分布擬合直線的參數；xi和yi表示數據坐標。

分別對防護欄桿和隔板的數據點進行直線擬合，設定擬合誤差使構件的圖元尺寸具有較高的精度。對于孔洞和堆載土體之間的鄰接關系也可以使用圖元進行判定。當二者的交接框索引值判定為 1 時，則認為孔洞和石塊土體等存在包含關系。在所有圖元連接處設置剛域，在水平和豎直方向上建立位移約束，減少建筑構件在荷載作用下的自由度［8］。建立全部工程對象目標空間圖元的索引值，調整節點等級，按照三角矩陣對每個級別逐一進行判定，刪除自相交和重復的建筑圖元。

3 基于粒子群優化聚類設計質量監測模型

為提高建筑局部結構的質量監測效果，本文利用粒子群優化聚類對建筑的局部結構進行迭代尋優，識別不符合施工設計標準的結構位置。建筑施工質量監測的流程如圖1 所示。

建筑固有頻率只反映了結構的整體性能，但是在不同的局部區域存在質量隱患時，二者頻率可能相同。僅使用頻率容易造成質量監測結果存在較大的誤差，不能準確識別出所有隱患區域，因此質量監測效果不理想［9］。 以建筑構件的固有頻率為基礎，加入結構振型作為適應度函數。結構振型屬于局部屬性，能夠提供更多的建筑構件質量信息［10］。適應度函數為固有頻率和結構振型函數之和。結構振型函數的表達式見式（3）。

式中：F為結構振型函數；μ和v分別為實測和計算結構振型；T為轉置矩陣。

為保證粒子具有較好的運動慣性，粒子群優化聚類算法使用慣性權重調節粒子的搜索參數。本文使用非線性遞減的方式計算慣性權重。設定粒子群優化聚類算法的當前和最大迭代次數為n1和n2，則遞減權重ω（n1）的計算公式見式（4）。

式中：κ表示非線性參數；ω1和ω2分別表示最大和最小慣性權重。

遞減權重使個體和全局粒子保持搜索平衡性。在算法迭代后期，學習因子會影響粒子間信息交流的效率，按照經驗取值為 2 或 2.5 均會造成迭代陷入局部最優，不利于監測建筑施工質量。對此，利用異步策略設置學習因子δ，計算公式見式（5）。

式中：δ1和δ2分別為學習因子的初始和終止值。

在建筑施工出現質量問題時，其結構剛度存在變化。引入剛度參數，其數值為建筑損傷和健康狀態的剛度的比值。在粒子群優化聚類算法當前迭代中，得到的建筑構件質量監測結果不是最優值時，利用剛度變化比例來重新構建圖元信息，并增加一次迭代次數。直至通過迭代計算出的結果為最優值時，停止算法，輸出建筑施工質量存在問題的構件位置，完成質量監測。

4 案例分析

4.1 工程概況

案例分析部分將依托實際建筑施工工程項目對本文所提出的質量監測技術進行檢驗，驗證該技術在實際應用中的可行性。該建筑為總面積 5 628 m2的辦公樓，主體采用鋼筋混凝土結構，由核心筒、伸臂、外框三部分構成。外框部分的桁架為主要的支撐結構，如圖2 所示。

圖2 桁架支撐結構示意圖

在該建筑中，以桁架支撐為基礎，安裝承重梁和剪力墻等內部結構。在建筑的四個角落安設 V 型斜撐，與桁架支撐結構的支座相連接。外框空間高度以桁架上弦支座為首端，以下弦支座為尾端進行測量。桁架結構為施工建筑的關鍵構件，需要監測其內力和變形情況。建筑結構的桿件數量龐大，無法對全部桿件的靜力和振動情況進行判斷。在質量監測中，在關鍵控制點安裝傳感器和監測裝置。考慮施工工程的經濟性要求，需要優化監測點分布情況，使關鍵控制點的監測結果能夠代表建筑整體質量。與核心筒直接相連的腹桿是內力的主要傳遞結構，水平和豎直方向的單向荷載對腹桿的作用力相同。在應力應變監測中，根據建筑結構的對稱性，在 1～10 層選取 4 個巨柱和核心筒安裝應變傳感器。在單向荷載作用下，腹桿所受的應力沿桿件方向出現變化，兩端應力較小，拉應力在垂直腹桿處最大。通過上述分析，在伸臂桁架構件中選取連接巨柱與核心筒的斜桿為監測位置，在腰桁架中選取邊部斜桿和 V 型斜撐的中部為監測位置，安裝應變傳感器，布置施工質量監測點，分析建筑結構狀態。

4.2 施工質量監測結果與分析

建筑在施工階段受到混凝土收縮、風荷載和地震荷載的影響，由于形變在豎直方向發生位移。竣工后，混凝土收縮效果減弱，最后趨于穩定。對施工期間各樓層巨柱和核心筒的豎向位移進行監測，其結果如表1 所示。

表1 豎向位移監測 mm

根據表1 的監測結果，隨著建筑樓層高度的增加，巨柱和核心筒的豎向位移在總體上呈現出上升的趨勢。由于 6 層和 7 層是加強層，荷載作用面積較大因此其豎向位移大于普通樓層，在數值變化上表現為峰值區域。在該建筑的施工期間，巨柱和核心筒的豎向總位移分別為 15.42 mm 和 14.81 mm。在荷載作用下，巨柱和核心筒結構的應力監測結果如圖3 所示。

圖3 巨柱和核心筒結構的應力變化

由圖3 可知，各層巨柱和核心筒結構的應力存在一定差異，最大值分別為 26.38 MPa 和 27.65 MPa。二者作為跨層連接構件，對荷載壓力變化程度比較敏感，為其它構件提供平衡支撐。對各樓層的伸臂桁架、邊部斜桿和 V 型斜撐三種桿件結構進行應力檢測，得到的最大應力值結果如表2 所示。

表2 桿件監測最大應力值 MPa

相同工況下，不同類型的承重桿件所受到的應力存在不同。由于邊部斜桿為輔助承重結構，因此其內力較大，與其余支撐桿件相比，在受到荷載作用下，邊部斜桿的最大應力值高于伸臂桁架和 V 型斜撐。伸臂桁架和 V 型斜撐起到連接兩端巨柱的作用，隨著樓層高度的增加，受到荷載作用其應力值呈上升趨勢，而邊部斜桿的應力值變化具有一定起伏。從整體上看，加強層的桿件最大應力值高于普通樓層。綜合上述監測結果，該建筑處于正常施工狀態，在荷載作用下不會發生建筑振動和結構破壞，滿足建筑工程規范，具有較高的施工質量。本文通過對環境荷載和構件應力的分析，在關鍵結構控制點實現建筑施工質量監測。文中提出的技術能夠監測建筑局部結構的位移和應力變化情況，判斷結構穩定性，以此提高建筑管理水平。

5 結語

建筑結構日益復雜，在施工中受到多種因素的影響。為保證建筑質量，需要利用現場測量或智能傳感等技術采集建筑信息，對施工質量進行監測。本文利用粒子群優化聚類對建筑的局部結構進行迭代尋優。以實際建筑施工工程項目為依托，安裝應變傳感器，布置施工質量監測點，監測結果表明，本文技術能夠監測建筑局部結構的位移和應力變化情況，有助于提高建筑管理水平。本文研究未考慮構件加工尺寸和材料缺陷對施工質量的影響，后續可針對此問題開展研究。Q