城鎮(zhèn)老舊小區(qū)建筑結(jié)構(gòu)檢測及安全性評價分析

秦志浩，李志強，李永輝

（中交二公局第七工程有限公司，廣西 南寧 530201）

1 研究背景

針對施工過程的特征，有必要建立孿生模型對結(jié)構(gòu)進行實時監(jiān)控，提高安全評估的精度和智能化。數(shù)字孿生是指通過可視化虛擬空間完成建模，對現(xiàn)實物體進行復(fù)制，并對其在現(xiàn)實環(huán)境中的動態(tài)運行軌跡進行模仿[1]。眾多學者將數(shù)字孿生框架應(yīng)用于車輛、船舶、發(fā)電廠、復(fù)雜機電裝備、衛(wèi)星/空間通信網(wǎng)絡(luò)、立體倉庫、醫(yī)療、飛機、智慧城市等領(lǐng)域[2]，為數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用范圍的擴展做出了許多貢獻。結(jié)合施工過程的特征，本研究將數(shù)字孿生理念作為根據(jù)，基于鋼結(jié)構(gòu)施工安全評估構(gòu)建數(shù)字孿生結(jié)構(gòu)，形成了安全預(yù)判方法，有效地保證了結(jié)構(gòu)在各個施工階段均處于可靠狀態(tài)。

2 鋼結(jié)構(gòu)施工安全評估的數(shù)字孿生框架

鋼結(jié)構(gòu)施工安全評估的數(shù)字孿生框架由5 個維度組成，即物理施工現(xiàn)場、虛擬施工模型、孿生數(shù)據(jù)處理層、安全評估的功能應(yīng)用層以及各組成部分間的連接層。基于物理施工現(xiàn)場，由規(guī)則、幾何、行為以及物理等多個層面出發(fā)構(gòu)建虛擬模型，使虛擬模型與物理施工現(xiàn)場產(chǎn)生實時交互。由射頻識別（RFID） 等傳感設(shè)備[3]對物理施工現(xiàn)場的各類信息進行動態(tài)采集，實時反饋到虛擬施工模型中。在虛擬施工模型中通過設(shè)置與現(xiàn)實施工一致的工況參數(shù)，調(diào)整結(jié)構(gòu)的力學參數(shù)，仿真模擬現(xiàn)實施工的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。由物理施工現(xiàn)場的采集數(shù)據(jù)和虛擬施工模型中的仿真數(shù)據(jù)形成施工過程的孿生數(shù)據(jù)，其中包含了施工過程的人、機、料、法、環(huán)等多個施工要素。在孿生數(shù)據(jù)處理層中由機器學習算法對數(shù)據(jù)進行建模，實現(xiàn)施工過程各空間要素與時間維度的高度融合，從而分析各施工步結(jié)構(gòu)安全性能。基于截獲物理空間數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)分析模型并在構(gòu)建虛擬施工模型的前提下，搭建施工不安全事件的維護模型，由此對不安全事件進行精準預(yù)測及執(zhí)行。通過搭建面向鋼結(jié)構(gòu)施工框架，形成了數(shù)字孿生框架驅(qū)動的施工安全評估建模方法。通過虛擬空間對現(xiàn)實施工信息的動態(tài)感知，由機器學習的理念進行安全性能的評估，將執(zhí)行指令輸入虛擬模型進行驗證，最終指導(dǎo)現(xiàn)場的施工，實現(xiàn)了對施工過程結(jié)構(gòu)安全評估的智能化閉環(huán)控制。

在面向鋼結(jié)構(gòu)施工安全評估的數(shù)字孿生框架的驅(qū)動下，研究數(shù)字孿生框架驅(qū)動的施工安全評估建模方法，安全評估建模流程見圖1。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)施工過程的安全評估建模流程

3 多維數(shù)字孿生模型的構(gòu)建

基于鋼結(jié)構(gòu)施工安全評估的數(shù)字孿生結(jié)構(gòu)中，截獲物理空間數(shù)據(jù)、虛擬模型的搭建和施工過程的時空信息融合是多維模型構(gòu)建的組成部分。通過對以上3 個方面的研究，可以實現(xiàn)施工過程時間維度與空間維度的多要素的融合，為施工過程各施工步的安全分析提供依據(jù)，同時也是對不安全事件維護建模的基礎(chǔ)。對數(shù)字孿生模型的3 個組成部分進行描述如下。

3.1 物理空間的信息捕捉

在多維數(shù)字孿生模型構(gòu)建的過程中，對物理空間的信息捕捉是實現(xiàn)數(shù)字孿生框架驅(qū)動的安全評估建模的第一步。通過RFID 等傳感設(shè)備實時感知施工現(xiàn)場的動態(tài)信息，可以實現(xiàn)現(xiàn)實空間與虛擬模型的一一映射[4]。對于建筑結(jié)構(gòu)的安全評估主要分析的對象是結(jié)構(gòu)響應(yīng)和環(huán)境荷載[5]。在本研究中，將物理空間的信息分為兩個方面，即構(gòu)件信息（CI） 和環(huán)境信息（EI*）。

1） 構(gòu)件信息捕捉。鋼結(jié)構(gòu)由各類鋼構(gòu)件組成，在鋼結(jié)構(gòu)施工過程中涉及的構(gòu)件種類眾多，各構(gòu)件的施工順序錯綜復(fù)雜，因此對施工過程的各類構(gòu)件信息的捕捉對結(jié)構(gòu)的安全性能評估意義重大。對構(gòu)件信息捕捉的過程中，將主要信息分為構(gòu)件標號（CS）、構(gòu)件的基本信息（BI）、構(gòu)件的施工信息（CI*） 及構(gòu)件的力學信息（MI）。

在構(gòu)件信息捕捉的過程中，在主動RFID 標簽上填寫構(gòu)件的標號、基本信息、施工信息。從構(gòu)件的進場到施工過程的每個施工步驟，通過RFID 標簽時刻更新相關(guān)信息，實現(xiàn)對施工過程的信息動態(tài)感知。在結(jié)構(gòu)的施工過程中，構(gòu)件會處于不同的施工工序，因此，構(gòu)件信息會發(fā)生變化。對于施工過程中構(gòu)件信息的改變，可以利用標簽的可編輯性通過讀寫器對其修改，最終在移動終端設(shè)備中實時查看構(gòu)件的基本信息和施工信息。對于構(gòu)件的力學信息的捕捉，則是利用傳感器針對每個施工步驟采集構(gòu)件的力學參數(shù)。

2） 環(huán)境信息捕捉。結(jié)構(gòu)建設(shè)期間，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受損或受到破壞的因素多種多樣，考慮外界各種影響因素的前提下，獲取環(huán)境信息時，需要著重收集構(gòu)件長度（Le）、溫度（Te） 以及風載（Wl） 等誤差信息。對于施工過程的環(huán)境信息捕捉采用數(shù)學語言表述，公式為

在對環(huán)境信息捕捉的過程中，采用RFID 技術(shù)對構(gòu)件的尺寸實時采集并通過移動終端設(shè)備動態(tài)更新拉索長度的誤差。結(jié)構(gòu)構(gòu)件由于加工、安裝等原因造成構(gòu)件長度誤差對結(jié)構(gòu)安全性能產(chǎn)生重要的影響。針對拉索的長度變化，在施工的每個步驟中由三維激光掃描進行關(guān)鍵坐標的拾取，通過現(xiàn)場的掃描生成結(jié)構(gòu)的點云數(shù)據(jù)。根據(jù)點云數(shù)據(jù)生成點云模型，實時捕捉構(gòu)件的長度誤差。RFID 讀寫器具有可編輯性，利用移動終端設(shè)備識別構(gòu)件上的標簽，記錄并更新構(gòu)件的狀態(tài)。對風載作用和溫度作用的影響，則是采用風速傳感器和溫度傳感器在施工過程的每個施工步進行實時采集，為虛擬模型工況的設(shè)置和結(jié)構(gòu)安全性能的分析提供依據(jù)。

通過對施工過程的構(gòu)件信息和環(huán)境信息的采集，可以實現(xiàn)對施工過程的結(jié)構(gòu)安全性能的預(yù)測。同時在采集施工現(xiàn)場信息的基礎(chǔ)上，可以進行虛擬模型的搭建。在虛擬模型中設(shè)置同施工現(xiàn)場一致的工況，仿真模擬出結(jié)構(gòu)安全性能，從而實現(xiàn)映射施工現(xiàn)場、指導(dǎo)施工過程的目標。

3.2 虛擬模型的搭建

在評估鋼結(jié)構(gòu)安全性能的數(shù)字孿生結(jié)構(gòu)中，構(gòu)建虛擬模型可由“幾何-物理-行為-規(guī)則”層面出發(fā)，基于施工現(xiàn)場實際情況，集中各維度模型，從而能夠全方位、深層次以及多視角地模仿施工現(xiàn)場情況。

構(gòu)建虛擬模型時，首先由幾何層面出發(fā)，建立外觀、型號及尺寸模型，選擇建筑信息模型（BIM）軟件中的Revit 軟件模塊來完成。通過構(gòu)建高保真度的幾何模型能夠充分體現(xiàn)工程建設(shè)過程中的幾何屬性，從而在后續(xù)物理建模過程中獲得有力支撐。在虛擬模型幾何建模過程中需要以Revit 軟件模塊為支撐，根據(jù)設(shè)計要求，建立同施工現(xiàn)場一致的幾何模型。物理建模主要針對施工構(gòu)件材料數(shù)據(jù)而言，大多以有限元分析軟件為主，諸如ANSYS 軟件等。在此期間，借助傳感器獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，糾正幾何模型中的誤差，對構(gòu)建鏈接參數(shù)進行調(diào)整，以此為基礎(chǔ)計算結(jié)構(gòu)力學性能。構(gòu)件的尺寸會影響到結(jié)構(gòu)力學性能。在行為層面，可在有限元模型中添加等同于施工現(xiàn)場的工況信息，對于構(gòu)建力學性能系數(shù)和材料本身在使用中的數(shù)據(jù)變化，借助獲取到的材料信息及力學性能系數(shù)，評估工程安全系數(shù)。對數(shù)字孿生虛體建模進行形式化的數(shù)學語言表述，具體表述公式為

式中：VM 為面向鋼結(jié)構(gòu)施工安全評估的數(shù)字孿生框架中的虛擬模型；GMset為幾何模型集；PMset為物理模型集；BMset為行為模型集；RMset為規(guī)則模型集。各類模型集通過自然連接符∞進行連接，對物理施工現(xiàn)場形成全要素、多維度、多狀態(tài)的“幾何-物理-行為-規(guī)則”模擬、仿真。在各類模型相關(guān)聯(lián)的過程中，應(yīng)用三維激光掃描儀、傳感器等設(shè)備調(diào)整幾何模型與物理模型，使其能映射現(xiàn)實結(jié)構(gòu)的狀態(tài)；同時由馬爾可夫鏈[5]對各施工步的信息進行分析，實現(xiàn)施工過程的時間維度與空間維度的信息融合。由此有效連接行為模型與幾何模型、物理模型，達到實時評估結(jié)構(gòu)安全性能的目標。以下在3.3 節(jié)重點探索基于馬爾可夫鏈[5]的施工過程的時空信息融合。規(guī)則模型則貫穿整個虛擬模型搭建的全過程，對幾何模型、物理模型、行為模型3 類模型進行實時的調(diào)整，以確保施工的各施工步均處于安全狀態(tài)。

3.3 施工過程的時空信息融合

馬爾可夫鏈[5]可以根據(jù)施工過程的前后步驟之間的關(guān)系，獲取未來階段的安全狀態(tài)。由此可以應(yīng)用于施工過程各施工步之間的安全性能分析。結(jié)合施工過程的主要控制要素的閾值，制定結(jié)構(gòu)安全與不安全事件發(fā)生的概率。根據(jù)當前施工步結(jié)構(gòu)安全性能，并融合風險因素發(fā)生的概率或結(jié)構(gòu)力學參數(shù)變化的程度，預(yù)測下個施工步結(jié)構(gòu)安全性能。其中的安全風險因素主要包括了施工過程中操作失誤和環(huán)境要素的急劇變化。在本研究中，以每個施工步的應(yīng)力為研究對象，當應(yīng)力大于或等于該施工步應(yīng)力設(shè)計值時，記為結(jié)構(gòu)安全性能處于a 級；當應(yīng)力大于或等于該施工步應(yīng)力設(shè)計值的93%時，記為結(jié)構(gòu)安全性能處于b 級；當應(yīng)力大于或等于該施工步應(yīng)力設(shè)計值的90%時，記為結(jié)構(gòu)安全性能處于c級；當應(yīng)力低于該施工步應(yīng)力設(shè)計值的85%時，記為結(jié)構(gòu)安全性能處于d 級。

在時空信息融合的過程中，將結(jié)構(gòu)的狀態(tài)按照安全性能級別分為4 類。假定隨機變量Xn（n=1，2，3，…） 表示第n個施工步的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，則Xn=1表示為結(jié)構(gòu)安全性能處于a 級，Xn=2 表示為結(jié)構(gòu)安全性能處于b 級，Xn=3 表示為結(jié)構(gòu)安全性能處于c級，Xn=4 表示為結(jié)構(gòu)安全性能處于d 級。ai（n）表示第n個施工步結(jié)構(gòu)處于狀態(tài)i的概率，即ai（n） =p（Xn=i），其中i取1，2，3，4。pij表示當前施工步結(jié)構(gòu)狀態(tài)為i、下個施工步結(jié)構(gòu)狀態(tài)為j的概率，即pij=p（Xn+1=j|Xn=i），其中，i，j=1，2，3，4。在本研究中，轉(zhuǎn)換概率pij是由有限元模型進行工況設(shè)置，對比施工步之間的應(yīng)力值得到的。根據(jù)當前的安全狀態(tài)，結(jié)合工況變化，可以預(yù)見性地分析結(jié)構(gòu)在下一個施工步的安全狀態(tài)。

4 施工過程安全評估

以北海市鐵山港區(qū)興港鎮(zhèn)呼北高速公路沿線兩側(cè)鋼結(jié)構(gòu)改造項目為例，進行研究方法的應(yīng)用。該項目距離向海大道3～16 km 內(nèi)。興港鎮(zhèn)大樹嶺、小馬頭、彬池村委會范圍內(nèi)246 棟農(nóng)房、南康鎮(zhèn)夏塘村委會147 棟農(nóng)房，在原有農(nóng)房基礎(chǔ)上進行坡屋頂和外墻立面改造。工程主要建設(shè)內(nèi)容包括腳手架工程，農(nóng)房外立面涂裝工程，屋頂房鋼結(jié)構(gòu)、門窗、屋面及防水、保溫隔熱、天棚封閉等工程。采用有限元模擬分析鋼結(jié)構(gòu)框架施工受力性能情況，見圖2。

圖2 鋼結(jié)構(gòu)框架施工受力性能分析

根據(jù)3.3 節(jié)施工過程的時空信息融合，由有限元計算獲取前期施工階段結(jié)構(gòu)的力學性能，在馬爾科夫鏈[5]的驅(qū)動下快速精準獲取后續(xù)施工階段結(jié)構(gòu)的安全性能。通過與實際施工過程力學性能表現(xiàn)規(guī)律的對比，發(fā)現(xiàn)本研究方法可以精準有效地評估各個施工階段結(jié)構(gòu)的狀態(tài)。施工過程結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)等級的對比見表1。

表1 施工過程結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)等級的對比

5 結(jié)論

本研究提出了城鎮(zhèn)老舊小區(qū)建筑結(jié)構(gòu)檢測及安全性評價分析方法，基于數(shù)字孿生形成了施工評估流程。通過工程，實踐驗證了本研究方法可以精準有效地分析結(jié)構(gòu)在各個施工階段的安全狀態(tài)，保證了施工過程的合理性。在研究過程中，形成了結(jié)構(gòu)施工安全評估的數(shù)字孿生框架，為施工安全管理提供了可靠的借鑒。通過集成虛擬和物理空間，形成了時空信息融合方法，實現(xiàn)了施工過程結(jié)構(gòu)安全的科學預(yù)判。