基于爬墻機(jī)器人搭載高頻雷達(dá)外墻保溫裝飾連接構(gòu)造成像技術(shù)研究

王萬金，袁玉，閆海鵬

（中國(guó)建筑科學(xué)研究院，建筑安全與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013）

1 引言

建筑外墻圍護(hù)系統(tǒng)是建筑的重要組成部分，一般由結(jié)構(gòu)墻體、粘結(jié)或錨固組件、保溫層、裝飾層組成，不僅承擔(dān)建筑防護(hù)、保溫隔熱、裝飾等建筑功能，還需抵御來自外部自然環(huán)境的不利影響，因此在長(zhǎng)期的服役下，外墻的保溫層和裝飾層開裂、松動(dòng)、脫落時(shí)有發(fā)生，已經(jīng)成為城鎮(zhèn)建筑的安全隱患重要風(fēng)險(xiǎn)源。特別是外墻外保溫層的脫落，石材幕墻的墜落，已經(jīng)造成了大量的生命和財(cái)產(chǎn)損失。但是對(duì)建筑外墻的安全隱患檢測(cè)手段有限，近年來，采用旋翼無人機(jī)搭載可見光成像和紅外成像可有效對(duì)高層和超高層建筑外墻的裂縫、滲漏、脫落進(jìn)行有效檢測(cè)，取得良好的效果。由于外墻結(jié)構(gòu)體系多樣，影響外墻外保溫和裝飾層牢固度的主要因素是與墻體的粘結(jié)或連接性能，對(duì)于保溫板體系來說，保溫板與墻體的粘結(jié)面情況直接決定其牢固程度，對(duì)于石材幕墻來說，其背后的龍骨及錨固狀況影響其穩(wěn)固性，但是如何對(duì)這些隱蔽構(gòu)造探測(cè)仍是難題之一。

目前，對(duì)高層或超高層建筑外墻隱蔽構(gòu)造探測(cè)的難點(diǎn)在如何爬上去定位和精確探測(cè)問題[1]，采用爬墻機(jī)器人作為搭載平臺(tái)，搭載雷達(dá)探測(cè)儀是有效的解決方案。爬墻機(jī)器人能夠精確爬升定位到指定檢測(cè)部位，效率高、安全可靠、成本低。采用高頻雷達(dá)掃描儀，可大幅度提高探測(cè)精度[2]，利用外墻外圍護(hù)體系中各種構(gòu)造材料介電常數(shù)的差異性，實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波發(fā)射和反射接收的差異性，通過電磁波信號(hào)的去噪、濾波、數(shù)字化轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)物空間、形態(tài)的成像顯示，提供對(duì)隱蔽構(gòu)造的定性和定量化的探測(cè)識(shí)別，是一種高效非接觸式的無損檢測(cè)手段[3-4]，具有快速、高效、高精度的特點(diǎn)，在外墻保溫材料粘結(jié)面積測(cè)定、幕墻龍骨檢測(cè)和安全性能評(píng)估具有廣闊的應(yīng)用前景。

2 爬墻機(jī)器人搭載高頻雷達(dá)掃描儀構(gòu)成及工作原理

2.1 高頻雷達(dá)探測(cè)爬墻機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)及功能

高頻雷達(dá)探測(cè)爬墻機(jī)器人（見圖1）是由中國(guó)建筑科學(xué)研究院設(shè)計(jì)并制造的一款建筑爬墻探測(cè)機(jī)器人，能夠在垂直墻面或傾斜表面上上下和左右自行運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人。由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置、檢測(cè)裝置和控制系統(tǒng)等組成，主要包含爬升動(dòng)力倉(cāng)、反推動(dòng)力風(fēng)扇、供電倉(cāng)、探測(cè)設(shè)備搭載倉(cāng)、信息采集儲(chǔ)存?zhèn)鬏斈K、軟件系統(tǒng)、手持遙控器及懸掛系統(tǒng)。其高頻雷達(dá)中心頻率6 ～8 GHz，爬墻速度0 ～10 m/s，爬升定位精度為±1.0 mm。其電測(cè)波穿透深度大于50 cm，能夠?qū)ν鈮?gòu)造進(jìn)行探測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)保溫板與墻體的粘結(jié)、石材幕墻龍骨、層狀缺陷進(jìn)行掃描成像。對(duì)粘結(jié)面積、空鼓面積、龍骨與錨固點(diǎn)進(jìn)行定性和定量化探測(cè)。

圖1 高頻雷達(dá)探測(cè)爬墻機(jī)器人

2.2 高頻雷達(dá)探測(cè)爬墻機(jī)器人工作原理

高頻雷達(dá)探測(cè)爬墻機(jī)器人工作時(shí)，通過懸掛系統(tǒng)懸吊在待測(cè)外墻上，開啟爬墻機(jī)器人和反推動(dòng)力風(fēng)扇，將雷達(dá)探測(cè)儀貼緊墻面，爬墻機(jī)器人搭載探測(cè)雷達(dá)沿吊掛鋼絲繩間歇式上升，每上升5 cm，高頻雷達(dá)掃描儀橫向掃描一行，再爬升一格，再掃描一行，形成往復(fù)的掃描采集過程，直到得到指令結(jié)束掃描。采集的雷達(dá)掃描數(shù)據(jù)通過存儲(chǔ)傳輸模塊下載，通過專用軟件系統(tǒng)對(duì)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪、濾波、增益、數(shù)字化處理后，形成可視化透射成像，人們可直觀看到外墻面板連接的構(gòu)造成像圖。

3 外墻外保溫黏結(jié)構(gòu)造成像測(cè)試驗(yàn)證

3.1 外墻外保溫實(shí)體模型制備

在實(shí)際砌筑墻體上，采用EPS 保溫板、粘結(jié)砂漿、網(wǎng)格布、抹面砂漿等材料，按照J(rèn)GJ 144—2019《外墻外保溫工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》標(biāo)準(zhǔn)方法制作薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)，粘結(jié)形式為點(diǎn)粘法、點(diǎn)框法、條粘法和滿粘法，所制作的試驗(yàn)墻如圖2 所示。

圖2 薄抹灰系統(tǒng)外墻外保溫測(cè)試墻

3.2 外墻外保溫粘結(jié)構(gòu)造成像測(cè)試與分析

把高頻雷達(dá)探測(cè)爬墻機(jī)器人采用懸架系統(tǒng)吊裝在測(cè)試墻面上，按照裝備的操作規(guī)程開啟爬行掃描探測(cè)作業(yè)，分別對(duì)試驗(yàn)墻進(jìn)行了掃描，見圖3，掃描數(shù)據(jù)處理后形成的可視化成像見圖4，可見對(duì)保溫板背后的灰餅、灰條成像清晰，通過將預(yù)設(shè)的粘結(jié)灰餅布局和實(shí)際掃描成像疊加對(duì)比可以得知，掃描成像與實(shí)際分布的位置、大小吻合，通過對(duì)粘結(jié)灰餅的面積計(jì)算，可以得到粘結(jié)面積率。說明該高頻雷達(dá)探測(cè)爬墻機(jī)器人的爬升定位精度、掃描成像精度可達(dá)到95%以上，可實(shí)現(xiàn)對(duì)保溫板粘結(jié)面積的定性和定量化測(cè)定，可作為外墻隱蔽構(gòu)造的探測(cè)成像檢測(cè)手段。

圖3 高頻雷達(dá)探測(cè)爬墻機(jī)器人測(cè)試

圖4 高頻雷達(dá)成像圖與墻體實(shí)際圖對(duì)比

4 高頻雷達(dá)探測(cè)爬墻機(jī)器人在實(shí)際工程中的應(yīng)用

4.1 高頻雷達(dá)探測(cè)爬墻機(jī)器人在外墻外保溫粘結(jié)面積比的測(cè)定

常熟市某小區(qū)4#樓地上18 層，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，以EPS保溫板薄抹灰保溫系統(tǒng)，外飾面1 ～3 層為瓷磚，4 層及以上為涂料裝飾層。表觀已經(jīng)有多條裂縫，采用高頻雷達(dá)探測(cè)爬墻機(jī)器人對(duì)西側(cè)山墻抽樣選取了4 個(gè)區(qū)域進(jìn)行了保溫板粘結(jié)面積的成像掃描，高頻雷達(dá)成像圖見圖5，粘結(jié)面積率分別為37%、24%、12%、22%，均未達(dá)到40%以上的設(shè)計(jì)要求，可見其對(duì)保溫板的變形約束力弱，是墻面開裂的主要原因之一，且脫落的風(fēng)險(xiǎn)隱患較大。

圖5 4#樓保溫板粘結(jié)面積率檢測(cè)

杭州某住宅26#樓地上22 層，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，外墻采用30 mm 無機(jī)輕集料保溫砂漿、抗裂砂漿及耐堿玻璃纖維網(wǎng)格布組成的隔熱層，1 ～2 層為外貼大理石飾面，3 ～22 層為真石漆飾面層。墻體表觀完好。采用高頻雷達(dá)探測(cè)爬墻機(jī)器人對(duì)東側(cè)山墻抽樣選取了2 個(gè)區(qū)域進(jìn)行了保溫層粘結(jié)面積的成像掃描件，高頻雷達(dá)成像圖見圖6，粘結(jié)面積率分別為82%、85%，保溫層與基層墻體的實(shí)際粘結(jié)率很高，墻面空鼓的風(fēng)險(xiǎn)較小。

圖6 26#樓輕質(zhì)砂漿保溫層粘結(jié)面積率檢測(cè)

4.2 高頻雷達(dá)探測(cè)爬墻機(jī)器人探測(cè)石材幕墻龍骨錨固構(gòu)造成像測(cè)定

常州某建筑外圍護(hù)為幕墻裝飾構(gòu)造，玻璃幕墻和干掛石材幕墻組合。采用高頻雷達(dá)探測(cè)爬墻機(jī)器人對(duì)石材幕墻區(qū)域進(jìn)行了龍骨和錨栓進(jìn)行了探測(cè)，高頻雷達(dá)成像圖見圖7，從雷達(dá)成像透視圖可以看到，龍骨和錨固點(diǎn)可清晰呈現(xiàn)出來，龍骨整齊，錨固點(diǎn)完整。該項(xiàng)工程實(shí)際掃描測(cè)試，可以為石材幕墻類構(gòu)造的隱蔽結(jié)構(gòu)的無損探測(cè)提供新的探測(cè)思路和手段，為判斷評(píng)估幕墻安全健康狀況提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖7 高頻雷達(dá)探測(cè)爬墻機(jī)器人對(duì)石材幕墻龍骨錨固成像掃描

5 結(jié)語

針對(duì)高層和超高層建筑的外墻保溫裝飾層的粘結(jié)錨固構(gòu)造的檢測(cè)難點(diǎn)問題，采用爬墻機(jī)器人搭載高頻雷達(dá)探測(cè)成像技術(shù)是可行的，高頻雷達(dá)探測(cè)爬墻機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)高層和超高層建筑墻面上實(shí)現(xiàn)可控上下攀爬和準(zhǔn)確定位，為高層及超高外墻的無損檢測(cè)提供了高效快捷的工具。

通過建立典型的外墻薄抹灰保溫體系構(gòu)造試驗(yàn)墻，采用高頻雷達(dá)探測(cè)爬墻機(jī)器人進(jìn)行探測(cè)驗(yàn)證，表明高頻雷達(dá)探測(cè)可實(shí)現(xiàn)對(duì)保溫板粘結(jié)構(gòu)造層的成像探測(cè)，可精準(zhǔn)地探測(cè)出粘結(jié)面積率，為建筑外墻外保溫隱蔽的粘結(jié)面積率測(cè)定提供了精準(zhǔn)的檢測(cè)方法。

通過對(duì)選取的建筑薄抹灰保溫系統(tǒng)、保溫砂漿保溫系統(tǒng)和石材幕墻系統(tǒng)工程建筑進(jìn)行了實(shí)際檢測(cè)應(yīng)用，表明爬墻機(jī)器人可安全、方便、準(zhǔn)確地爬升到指定位置進(jìn)行探測(cè)。實(shí)現(xiàn)了對(duì)保溫板粘結(jié)面積率的準(zhǔn)確成像和測(cè)定，也可有效測(cè)定抹灰輕質(zhì)保溫漿料和墻體的粘結(jié)情況，為保溫層與墻體的實(shí)際粘貼質(zhì)量和安全健康評(píng)估提供了有效數(shù)據(jù)。

高頻雷達(dá)探測(cè)爬墻機(jī)器人可清晰實(shí)現(xiàn)對(duì)石材幕墻的龍骨與錨固構(gòu)造點(diǎn)的成像探測(cè)，為石材幕墻的無損監(jiān)測(cè)提供了新的手段。