基于紅外熱像的建筑結構裂縫監測技術及其應用

摘 要：在城市建設飛速發展的今天，建筑結構的安全性問題備受社會關注。其中，裂縫問題作為潛在的安全隱患，傳統的人工巡檢方法存在效率低、容易遺漏微小裂縫等弊端，若不及時處理，可能危及結構安全。紅外熱像技術通過無損、實時監測手段，彌補傳統巡檢的不足，能夠及時準確地探測裂縫，有效提高建筑結構的整體安全性。該文詳細闡述采用紅外熱像技術的方法及監測過程，通過實際應用案例展示該技術在不同場景下的有效性和實用性。

關鍵詞：紅外熱像；建筑結構裂縫；監測技術；建筑安全管理；測試原理

中圖分類號：TP391.4 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）24-0185-04

Abstract： With the rapid development of urban construction， the safety of building structure has attracted much attention from the society. Among them， the crack problem as a potential security hidden danger， the traditional manual inspection method has some disadvantages such as low efficiency and easy to miss small cracks， if not dealt with in time， it may endanger the safety of the structure. By means of nondestructive and real-time monitoring， infrared thermal imaging technology makes up for the shortcomings of traditional inspection， can detect cracks timely and accurately， and effectively improve the overall safety of the building structure. In this paper， the method and monitoring process of infrared thermal imaging technology are described in detail， and the effectiveness and practicability of this technology in different scenes are demonstrated by practical application cases.

Keywords： infrared thermal imaging; cracks in building structure; monitoring technology; building safety management; test principle

隨著城市建設的迅速發展，建筑結構的安全性問題日益成為社會關注的焦點。建筑作為城市的骨架，其結構的穩固與安全直接關系到人們的居住和工作環境。然而，隨著時間的推移，建筑結構可能因老化、地基沉降或自然災害等多種原因而出現裂縫，這些裂縫可能成為潛在的安全隱患。傳統的人工巡檢方法在裂縫監測中存在著效率低、漏檢微小裂縫等問題，因此，尋找一種高效、準確的監測技術成為當前亟需解決的問題。本文關注于一種基于紅外熱像技術的建筑結構裂縫監測技術，旨在通過引入先進的監測手段，提高裂縫監測的效率和準確性。紅外熱像技術作為一種無損、實時的監測工具，在裂縫監測領域具有巨大的潛力。本文將深入探討該技術的原理、方法、應用范圍及實際效果，以期為建筑結構裂縫監測領域提供一種創新、可行的解決方案。通過結合紅外熱像技術的優勢，期望能夠為建筑安全領域的發展貢獻一份力量，確保城市建設的可持續發展和居民的生命財產安全。

1 基于紅外熱像的建筑結構裂縫監測技術測試原理

1.1 紅外熱像技術的核心測試原理

新型建筑結構裂縫監測技術的核心測試原理基于先進的紅外熱像技術，該技術在捕捉建筑表面溫度分布方面表現出卓越的性能[1]。紅外熱像攝像機通過接收物體表面發出的紅外輻射，將溫度信息轉化為熱圖像，形成直觀的溫度分布圖。裂縫在建筑表面引起的微小溫度變化可被紅外熱像技術高度敏感地捕捉到。通過實時監測建筑結構的紅外熱像，系統能夠以極高的精度迅速定位裂縫的具體位置，并實時評估裂縫的嚴重程度。這一測試原理不僅高效而且無損，為及時發現潛在的裂縫問題提供了科學而可靠的手段。

1.2 紅外熱像技術的實時溫度記錄與微小裂縫檢測

通過紅外熱像技術的應用，監測系統能夠對建筑結構表面的溫度分布進行實時、連續的記錄[2]。當裂縫存在時，其熱導率通常會與周圍結構不同，導致表面溫度出現微小變化。監測系統通過對溫度變化的實時監測，可以及時發現異常情況，從而實現對潛在問題的提前預警，為維護和修復提供更多的時間窗口。這一測試原理不僅具備高靈敏度，還能有效克服傳統方法在監測微小裂縫方面的困難，為建筑結構的安全性提供了更為可靠的保障。

2 基于紅外熱像的建筑結構裂縫監測系統構成

系統的核心組件包括紅外熱像攝像機、數據采集和處理單元、圖像分析算法及監測報告生成模塊，各自承擔著關鍵的功能。紅外熱像攝像機是該系統的基礎，負責實時捕捉建筑表面的紅外輻射數據，具備高靈敏度和分辨率，確保對建筑結構表面溫度分布的準確記錄。數據采集和處理單元作為信息處理核心，接收、整理、存儲紅外熱像攝像機傳輸的溫度分布數據，通過先進的數據處理算法保證數據的可靠性。圖像分析算法作為系統的智能核心，通過對紅外圖像的精確分析，實現對建筑結構表面裂縫的及時檢測，具備實時性和高準確性。監測報告生成模塊將圖像分析算法得出的監測結果呈現給用戶，包括裂縫的位置、嚴重程度評估及建議和預防措施，為后續的維修和修復工作提供科學依據。引入其他傳感器，如加速度計、位移傳感器等，與紅外熱像攝像機數據進行融合。這樣可以更全面地監測建筑結構的狀態，提供更多維度的信息，有助于更準確地評估結構的健康狀況。集成遠程監測和控制功能，使用戶可以通過云端平臺或移動應用實時查看建筑結構狀態，接收警報信息，并在必要時進行遠程控制，這有助于及時響應潛在問題，減少人工干預的延遲。提供直觀的可視化界面，允許用戶定制監測報告的顯示方式，并生成詳細的報告，包括圖形和圖表，以便更好地理解建筑結構的狀態和裂縫情況。這些組件協同工作，實現了對建筑結構裂縫的全面監測和分析，為提高建筑結構的安全性提供了強大的技術支持。紅外熱像檢測儀實物圖如圖1所示，紅外熱像技術檢儀結構圖如圖2所示。

3 紅外熱像技術應用范圍

3.1 住宅建筑

基于紅外熱像的建筑結構裂縫監測技術在建筑工程領域的廣泛適用性涵蓋了多個建筑結構類型[3]。在住宅建筑中，這項技術適用于各類住宅，從獨棟別墅到多層公寓樓，而且通過實時監測，能夠及早發現潛在的裂縫問題，為住戶提供更加安全的居住環境。除裂縫監測外，紅外熱像技術還可進行結構健康監測、施工質量監控、耐久性分析與預測、節能與可持續性優化、危害預警與防范及室內舒適度提升。紅外熱像技術在住宅建筑中不僅為裂縫問題提供解決方案，更為建筑結構的全面監測、維護和提升居住質量提供了全方位的支持。

3.2 商業建筑

紅外熱像技術在商業建筑中的應用不僅體現在裂縫監測，還涵蓋了更廣泛的結構監測。商業大廈和購物中心等高頻使用場所的結構安全對于公共安全至關重要。紅外熱像技術通過實時監測建筑結構的熱分布，能夠及早發現潛在的問題，如梁柱連接處的熱差異、墻體變形等。這種監測能力為商業場所的結構穩固提供了及時有效的保障，有助于預防和解決潛在的結構問題，確保商業活動在一個安全可靠的環境中進行。通過紅外熱像技術，建筑管理員和維護人員可以定期進行結構監測，以確保建筑物的整體健康狀況。這種及時地監測和干預有助于預防潛在的結構損壞或故障，減少維修成本和維修時間，提高商業建筑的使用壽命和可靠性。紅外熱像技術還可以在建筑物的能效管理方面發揮作用。通過監測建筑物的熱損失和能量消耗情況，可以識別和解決能源浪費問題，優化建筑物的能源利用效率，降低能源成本，實現可持續發展的目標。

3.3 交通設施

紅外熱像技術在橋梁和隧道的應用，為交通基礎設施的安全性和可靠性提供了重要的保障。橋梁和隧道作為交通運輸的關鍵組成部分，承載著大量的車輛和行人流量。因此，其結構的安全性對于交通運輸的暢通至關重要。紅外熱像技術通過實時監測橋梁和隧道的結構，可以及時檢測到裂縫、變形等問題的跡象。這種早期預警系統能夠幫助工程師和維護人員快速識別并采取必要的維修措施，防止潛在的結構風險，確保交通基礎設施的可靠性和安全性。應用紅外熱像技術進行裂縫監測，不僅能夠延長橋梁和隧道的使用壽命，還能夠避免潛在的交通中斷和事故發生。通過及時發現并處理結構問題，可以減少維修成本和維修時間，提高基礎設施的整體效率和可持續性。此外，紅外熱像技術還可以與其他監測技術結合使用，如激光測距儀、振動傳感器等，進一步提高監測的準確性和效率。這種綜合監測系統可以為城市交通運輸系統的穩定運行提供全面的支持，確保公眾的出行安全和便利。因此，紅外熱像技術在橋梁和隧道領域的應用具有重要意義，為交通基礎設施的健康發展和城市交通運輸的暢通起到了積極的作用。

3.4 工業設施

工業設施由于常常受到復雜的工藝和環境條件的影響，對結構安全的監測顯得尤為重要。紅外熱像技術在工業設施中的應用不僅僅局限于裂縫監測，其非接觸式的特性使其成為理想的監測工具。在高溫、高壓、腐蝕等極端環境下，紅外熱像技術可以安全、高效地進行結構健康監測，無須直接接觸設施表面，避免了傳統監測方法可能帶來的安全風險。工業設施通常包括各類管道、儲罐、設備等復雜結構，通過紅外熱像技術，可以實時監測這些結構的溫度分布和變化。這不僅有助于發現可能的裂縫問題，還能在早期識別設備過熱、管道漏損等異常情況，提前預警潛在的故障風險，確保工業設施的長期穩定運行。此外，紅外熱像技術也在工業設施的能效管理中發揮著重要作用。通過監測設施內部的熱分布，可以識別能耗較高的區域，為工業設施提供節能改進的方向。這有助于降低能源成本，提高設施的能源利用效率，同時對環保目標的實現起到了積極的推動作用。因此，紅外熱像技術在工業設施中的廣泛應用，不僅確保了結構的安全性，還提供了全面的設施監測和維護方案，為工業設施運營的可靠性和效率提供了有力支持。

3.5 歷史文化建筑

歷史文化建筑在結構監測方面常常面臨傳統破壞性方法帶來的困擾，因為這些方法可能對珍貴的文物構件產生不可逆的損害。在這一背景下，基于紅外熱像的裂縫監測技術成為一種非侵入性的、不損害建筑結構的理想選擇。這種技術可以在不觸及文物實體的前提下，通過對表面溫度的實時監測，全面評估建筑結構的安全性，從而保護歷史文化建筑的完整性和可持續性。對于歷史文化建筑而言，紅外熱像技術的應用不僅局限于裂縫監測，還包括結構健康狀況的全面評估。通過捕捉建筑表面的溫度變化，可以及早發現潛在的結構問題，如潛在的裂縫、濕度問題等，為文物保護提供及時的干預和修復措施。在文物修復和保護方面，紅外熱像技術也能夠在保留建筑原始風貌的同時進行結構分析。通過對文物表面溫度的監測，可以更全面地了解建筑結構的穩定性和健康狀況，有助于修復工程的精準規劃和實施，最大程度地保留歷史文化建筑的原貌。這些應用場景表明，基于紅外熱像的建筑結構裂縫監測技術具有極大的靈活性和通用性，不僅為歷史文化建筑的結構安全提供了可靠的監測手段，同時在文物保護和修復工作中具有獨特的價值。

4 紅外熱像技術使用注意事項

4.1 紅外熱像攝像機進行定期的校準和維護

在充分利用基于紅外熱像的建筑結構裂縫監測技術時，需謹慎遵循一系列關鍵的注意事項以確保監測的準確性和系統的可靠性。首先，對紅外熱像攝像機進行定期的校準和維護是至關重要的。確保攝像機的正常工作狀態，才能保證所采集的溫度數據具備高度的準確性。這包括定期檢查傳感器的靈敏度、校準圖像質量，以及及時更新設備軟件。定期的校準工作可確保紅外熱像攝像機對溫度變化的響應是準確可靠的。由于環境因素和設備老化等原因，攝像機的靈敏度可能發生變化，因此需要通過專業的校準程序進行調整。此外，校準圖像的質量直接影響監測結果的精確性，因此在維護過程中需要檢查圖像的清晰度和精度，確保攝像機能夠準確捕捉建筑結構的溫度變化。及時更新設備軟件也是確保系統穩定性和安全性的關鍵步驟。制造商通常會提供軟件更新，以修復潛在的bug、增強功能，并提高設備的性能。在紅外熱像技術不斷發展的環境下，及時更新軟件可以確保系統跟上最新的技術趨勢，從而更好地適應各類監測場景。

4.2 綜合考慮建筑表面材料的特性

建筑表面材料的特性對監測結果有著直接的影響，因此需要在監測過程中進行全面的綜合考慮。不同的建筑表面材料可能具有不同的熱導率，這會直接影響紅外輻射的傳播和表面溫度的變化，從而對監測的準確性產生影響。在分析算法的設計中，應充分考慮建筑表面材料的熱學性質，對不同材料進行適當的調整，以確保監測結果的精準性。不同的建筑表面材料具有不同的反射和吸收特性，在監測過程中應當對這些特性進行詳細的了解。一些材料可能更容易吸收熱量，導致表面溫度的變化更為顯著，而另一些材料可能會反射輻射，影響溫度數據的準確性。因此，在設計監測算法時，需要根據建筑表面的材料特性進行差異化處理，以確保最終監測結果更為準確和可信。此外，建筑在不同季節和時間段受到的陽光輻射也會有所不同，同樣需要考慮在內。陽光直接照射在建筑表面可能導致局部溫度升高，而在陰影部分則可能出現溫度相對較低的情況。因此，在紅外熱像監測中，必須充分考慮太陽輻射的變化，結合建筑的表面材料特性，進行合理的數據解析和校正，以維持監測結果的穩定性和可靠性。綜合考慮這些注意事項，可以最大程度地提高基于紅外熱像的裂縫監測技術的實用性和可靠性。通過精心的設備維護和算法調整，確保系統能夠穩定、準確地運行，有效應對各種復雜環境條件，為建筑結構的安全提供持續可信的監測保障。

5 紅外熱像技術應用案例

新型建筑結構裂縫監測技術已在多個建筑工程項目中成功落地，其中一個顯著的應用案例是對一座高層辦公樓的監測[4]。通過該技術，監測系統及時捕捉到建筑結構中的微小裂縫，迅速、準確地定位了裂縫的位置并評估了其嚴重程度。這一關鍵信息的迅速獲取，使得工程團隊得以在裂縫進一步擴大之前采取及時的修復措施，避免了潛在的結構安全隱患。在該高層辦公樓的案例中，新型監測技術的成功應用為維護工程提供了科學的依據。通過實時監測微小裂縫，工程團隊得以采取精準的維護措施，防止裂縫擴大演變成更嚴重的結構問題。這不僅在保障建筑結構安全方面取得了顯著成果，還在工程管理中取得了實質性的優勢。這一成功的應用案例還具有經濟效益方面的重要意義。通過及時采取修復措施，避免了潛在的結構問題進一步惡化，減輕了后續修復工程的復雜性和成本。不僅有效降低了維護費用，而且保障了辦公樓的長期可靠運行，為業主提供了可靠的投資保障。案例充分展示了基于紅外熱像的建筑結構裂縫監測技術在實際工程中的實用性和重要性。通過在實際項目中的成功應用，該技術為建筑行業提供了一種先進而可靠的解決方案，為未來的建筑監測和維護工程提供了有益的借鑒。

6 創新點和亮點

裂縫問題作為一種潛在的安全隱患，傳統的人工巡檢方法存在效率低、漏檢微小裂縫等問題，因此急需一種更為高效和準確的監測技術。本文聚焦于紅外熱像技術，該技術在捕捉建筑表面溫度分布方面表現出卓越性能。通過詳細介紹該技術的測試原理、系統架構、應用案例，強調了其在裂縫監測中的獨特優勢。文中通過一個高層辦公樓的監測案例，展示了該技術在實際工程中的成功應用。及時捕捉到微小裂縫的關鍵信息，為工程團隊提供了修復的科學依據，減輕了后續維護工程的復雜性和成本。

7 結束語

本文詳細闡述了基于紅外熱像的建筑結構裂縫監測技術，強調了其在裂縫監測中的創新性和實用性。通過充分利用紅外熱像技術，實現了對建筑結構裂縫的高效監測，為工程安全管理提供了新的解決方案，有望在未來建筑工程領域得到更廣泛的應用。

參考文獻：

[1] 丁澤霖，王祥宇，徐良杰，等.紅外熱成像技術在地質力學模型試驗中的應用研究[J].水利學報，2023，54（9）：1047-1057，1069.

[2] 苗飛.無損檢測在建筑結構工程質量檢測中的應用[J].居舍，2023（19）：153-155.

[3] 劉宇飛，樊健生，聶建國，等.結構表面裂縫數字圖像法識別研究綜述與前景展望[J].土木工程學報，2021，54（6）：79-98.

[4] 趙士懷，黃夏東，李光旭，等.高層建筑大體積砼結構溫度裂縫控制技術[J].福建建筑，1997（4）：37-39.