既有城镇建筑的结构健康监测技术及策略分析

李俊杰

（1.甘肃省建筑科学研究院有限公司，甘肃 兰州 730070；2.甘肃省绿色建筑与建筑节能工程研究中心，甘肃 兰州 730070）

0 引言

健康监测技术最早应用于航天领域，直至 20 世纪 50 年代才应用于建筑领域，最开始主要应用在桥梁中，在后续发展过程中由于其技术水平不断提升，被逐渐广泛应用于其他建筑中。就建筑结构健康监测技术而言，当前其属于一种新型的研究内容，但由于其监测具有有效性，能够及时地了解建筑结构情况，更好地避免安全事故的发生，所以其应用对于建筑行业的发展有着非常重要的影响。

1 国内外研究应用现状

建筑是人类生产、生活的主要场所，其结构健康状态将直接影响建筑的稳定性、安全性和使用寿命。近年来，国内外针对城镇建筑结构健康监测技术的研究越来越多，并取得了一定的成果。

国外相关地区关于工程结构健康监测技术的研究和应用比较早，最早是应用于桥梁工程之中，近年来逐步应用到城镇建筑结构的监测中。例如，目前世界最高建筑——位于迪拜的哈利法塔总高度为 828 m，总建筑面积达到 526 700 m2。该建筑采用的是下部混凝土结构、上部钢结构的组合结构体系，其中-30～600 m 为钢筋混凝土剪力墙结构，600～828 m 为钢结构体系，并且在 600～760 m 范围内加入了钢斜撑。为了保证这座世界最高建筑结构的稳定性，哈利法塔配置了目前世界上最先进的建筑结构监测系统。该系统主要由自动爬模系统（ACS）、GPS 天线系统以及测量总站仪器（TPS）构成，通过安装于各个楼层的倾斜仪，对整个建筑核心筒结构的垂直度和稳定性进行监测［1］。

国内近年来关于建筑结构健康监测系统的研究和应用越来越多，例如，广州地区的地标性建筑——广州塔采用了目前国内最为先进的建筑结构健康监测系统。该系统的典型特点在于，将结构健康监测系统和振动控制系统进行了融合，并实现了对建筑区域风、地震结构影响因数的监测。

2 建筑结构健康监测与检测的异同分析

建筑结构监测与检测的相同点在于，两者的目的相同，都是为了对反映建筑结构健康性、稳定性以及安全性的指标进行获取，再通过科学计算和分析，评估建筑结构的可靠性。基于此，可以对建筑结构的变化趋势、使用寿命进行预测，这对城镇建筑管理、旧建筑稳定性监测、古建筑保护都具有重要的意义。

建筑结构健康监测与检测的不同之处在于，监测是通过在建筑结构体上安装传感器，再利用 GPS、GIS 等技术，对结构数据进行实时、持续性、自动化监测的过程，涉及到对监测系统的设计以及大量现代科技的组合应用。而建筑结构健康检测则主要是通过技术人员，按照相关指标系统，利用相关方法以及设备仪器，对相关指标进行针对性检测的过程。简单来讲，建筑结构健康检测，主要是间歇性、针对性或专项性的检测，主要依靠技术人员开展检测工作，虽然效率较低，但是在一些重点建筑的重点部位检测中，具有不可替代的作用［2］。

3 建筑结构健康监测的意义

第一，对于建筑结构而言，在使用的过程中受到各种因素的影响，都会对其造成一定的破坏。随着破坏程度的不断深入，就会影响到建筑的正常使用，这对于城镇的建筑影响更大，直接影响城镇的发展［3］。此外，在使用过程中，受到一些因素的影响，比如人为、自然等等因素，对其结构进行突发性损伤，那么如何了解其实际情况，采取相应措施来对其进行处理，这是关键内容。通过健康监测技术就能够实现这一目的，更好地了解建筑的结构情况，并且明确建筑结构中存在问题的位置，更好地保证建筑结构的稳定。

第二，通过健康监测技术还能够根据建筑结构自身的实际情况来进行选择，不仅能够针对性地进行监测，还能够实现长期性监测。通过对其监测不仅能够明确问题位置，了解具体情况，还能够对其分析，明确建筑结构的使用寿命，及时地采取相应措施。

4 工程案例

4.1 工程概况

某建筑工程位于福州市某城镇，总建筑面积为 13 220 m2，整体采用钢筋混凝土结构。为了实现对该建筑结构稳定性、安全性的实时监测，并采取必要措施进行加固优化，相关单位决定引进建筑结构健康监测系统实施监测。

4.2 监测内容

第一，根据建筑结构图纸，对建筑结构的各项常规指标进行监测，如梁体位置、柱体垂直度等。第二，对于建筑结构形变量、形变趋势进行检查。

4.3 监测仪器选型

综合考虑监测内容需求以及现场实际情况，项目采用钢弦式传感器（倾角计、应变计、位移计等）和便携式解调仪实施现场监测。

4.4 测点布置

对于监测所需要的测点数量，按照楼层进行划分。根据我国规范的相关规定，在该建筑每个楼层及核心结构体上共布设 10 个监测点。测点布设位置应符合下列规定：

1）应反映监测对象的实际状态及变化趋势，且宜布置在监测参数值的最大位置；

2）测点的位置、数量宜根据结构类型、设计要求、施工过程、监测项目及结构分析结果确定；

3）测点的数量和布置范围应有冗余量，重要部位应增加测点；

4）可利用结构的对称性，减少测点布置数量；

5）宜便于监测设备的安装、测读、维护和替代；

6）不应妨碍监测对象的施工和正常使用；

7）在符合上述要求的基础上，宜缩短信号的传输距离。

4.5 结构分析

1）混凝土设计强度为 C 40，通过传感器对其10 个监测点进行监测，发现其混凝土的抗压强度在 47 MPa 左右，并且再次对其进行核查，最终结果与设计方案相符，并且在这其中并没有发现存在地基沉降问题，从建筑的上部结构分析得出，该建筑结构的地基较为稳定。

2）通过传感器对混凝土柱、梁的抗压强度进行实时监测，其强度最小达到 43 MPa 和 42.5 MPa，均满足建筑工程设计要求。

3）监测发现建筑结构构件并没有出现变形或者裂缝，与设计图纸内容基本相符。

5 城镇建筑结构健康监测技术的应用策略

5.1 城镇建筑结构健康监测技术的内容与系统组成

5.1.1 技术内容

结构健康监测技术是利用传感器来对其结构进行监测，以结构特点为基础，来明确结构问题的所在位置，进而来达到监测结构损伤情况的目的［4］。其工作原理就是利用传感器来获取建筑结构的变化情况，明确其中损伤的位置，通过相应的方法来进行计算，推断当前结构的健康情况，并且还能够通过不间断监控的方法来了解结构的耗损。结构健康监测其中融合数据分析、网络通信等等相应技术。

5.1.2 系统组成

第一，传感器。这是整个健康监测技术中最为基础，也是最重要的部分。这部分主要是对其需要进行监测的结构获取数据，并且将其以电、光等方式传播出去，通常情况下都是将其转化为电信号。第二，数据采集系统。这个系统大多数都会将其安装在建筑结构中，然后配合软件来对其数据进行采集。第三，通信传递系统。这系统主要是将所传输过来的数据送到数据管理中心。第四，数据监控管理。通过分析损伤、安全预警等等功能，对建筑结构中的问题位置、程度等等进行具体分析，如果其存在异常就会及时报警。

5.2 建筑结构健康监测范围和质量安全评价

5.2.1 健康监测技术范围

第一，对于监测范围可以将其划分为两种，分别是局部监测和整体监测。对于局部监测而言，大多适应于建筑结构简单，或者是能够明确建筑结构中存在问题的位置，对其进行针对性的监测［5］。所采取的监测方法大多都是通过监测人员来人工检测。而对于一些结构较为复杂的建筑，就应该采取整体检测的方法，对于这种监测方法需要为其配备相应监测设备，其所监测的范围也更广，不仅有应力、位移等等，而且还有内力、挠度等等相应内容。第二，其局部监测大多都是利用无损监测，比如常见的有发射光谱法、回弹法等等。而对于整体监测而言，作为其结构健康监测技术中的核心内容，就有模型修整、动力指纹等等方法。

5.2.2 健康监测技术评估方法

在对建筑结构进行健康监测过程中，应该进行安全评估。当前所能够利用的相应方法有可靠度理论、层次分析、模糊理论等等方法［6］。其中的可靠度理论又分为正常和承载力极限两种形式下的评估，主要是对其结构系统进行具体分析，了解建筑结构的极限承载力，进而得出相应结论。而层次分析法则是通过将多种指标相结合的一种方法，利用这种方法能够很好地明确各项指标的影响程度，并且保证其评价的科学合理性。模糊综合评价就是明确在专家评价中所不能够确定的部分，并将其内容进行数据转化，进而来了解其安全性［7］。其专家系统是通过构建数据库的方法，来明确与以往相似的地方，然后对其问题进行解决，但是这种方法不具备时效性。对于建筑结构而言，其不同位置、不同程度的损伤都会导致建筑结构安全程度不同，如何能够为其建立一套完整的评价体系，就成为当前人们研究的重点［8］。

6 结语

通过对建筑结构健康监测应用实例的分析，明确相应的监测内容，按照相应要求来进行监测，最终了解到该工程的建筑结构质量满足相应要求，而且各部分结构较为完整，并不需要对其进行加固，能够很好地满足使用需求。通过对建筑结构健康监测意义、内容等的了解，结合建筑工程的实际需求，采取科学合理的监测技术，这样就能够为建筑结构的施工和使用提供相应参考，更好地保证建筑结构的稳定。