基于粒子群优化聚类的建筑施工质量监测技术

王明岩，白 楠，贺哲钢

（中建二局第三建筑工程有限公司，北京 100070）

0 引言

建筑进入新型工业化发展阶段，将标准化设计与信息化管理相结合，在生产、施工和运营等各个环节形成综合产业链。建筑结构日益复杂，在施工中受到多种因素的影响，包括环境荷载、腐蚀效应、材料老化等。以上因素容易造成塌陷事件，威胁建筑整体的稳定性和安全性。面对建筑工程的集约化需求，在加快建设速度、减少能源消耗的同时，需要保证施工项目质量，避免建筑在建造和使用过程中发生安全事故［1］。为达到结构预期的实际目标，需要利用现场测量或智能传感等技术采集建筑信息，对施工质量进行监测。在不影响后期施工进度的前提下，根据监测结果对建筑结构和材料进行状态评估和鉴定，判断其承载力是否符合设计标准，并且不存在损伤和腐蚀情况［2］。根据建筑服役状态的监测结果，对存在安全问题的结构和建筑材料进行预警，并及时采取相应安全保障措施，以便施工项目顺利进行。在建筑施工质量监测中，主要利用建筑整体的频率和振动情况判断结构是否存在损伤和安全隐患，但对结构局部的质量监测效果不好。针对此问题本文基于粒子群优化聚类提出建筑施工质量监测技术，利用算法对局部结构进行迭代寻优，识别不符合施工设计标准的结构位置。通过质量监测技术，掌握施工进展，及时发现建造质量偏差，实现对施工质量的有效管控和安全运营。

1 建筑施工构件数据点分割

根据施工现场采集的数据，对建筑构件进行分割和特征提取。对于三维数据点，整个维度分布情况存在差异。对于某一维度的数据点，其坐标方差越大，构件结构数据越分散。为平衡分割效果，从方差最大的维度开始分割建筑构件数据点，再确定点的邻域，按照k近邻搜索规则进行搜索。假设存在两个构件三维数据点，坐标为（ax，ay，az）和（bx，by，bz），二者之间距离的计算公式见式（1）。

式中：d为两个构件三维数据点之间的距离。

根据三维数据点之间的距离，划分三维体素栅格。每个栅格内含有若干个建筑构件数据点，使用所有点的中心代替其余数据点，得到数据点集合［3］。为避免数据过于稀疏或出现空的栅格，增加采样处理负担，需要对栅格边长进行确定。综合考虑构件数据量和采样比例，本文将栅格边长设定为 5 cm，在保留原始数据特征的同时，提高了建筑结构边界提取效率。在获得构建数据点的基础上，根据建筑结构设计标高，建立位置坐标的约束条件，对数据点进行聚类［4］。在标高范围内，根据坐标的最大和最小值确定数据点的范围。在三维数据点中建立正交坐标轴，选取数据方差最大的方向为x轴方向，y轴方向与x轴组成的正交平面方差最大，z轴分别与x轴和y轴正交。对于建筑的柱体结构，在z轴的数据方差最大，因此，对得到的数据分簇结果进行主成分分析，计算协方差矩阵的特征值，识别特征值最大的点。将沿z轴方向分布的数据点判定为柱体结构，沿x轴和y轴方向分布的数据点判定为墙面结构［5］。根据柱体结构最上层中心点确定主梁结构。在建筑主梁上继续进行特征分割，沿x轴和y轴方向扩展得到次梁结构。在聚类中，计算相邻数据点的距离，直至两类别的距离超过设定阈值，此时每个柱体结构数据点被分割为单个簇，则停止分割。

2 构建建筑目标空间图元

在分割建筑施工构件数据点，得到柱体、墙面和梁体结构的基础上，根据各构件的邻接和关联关系，建立工程对象目标空间图元。根据建筑施工项目的实际范围，界定各对象的位置信息。分别对横向、纵向的防护栏杆和钢筋等工程对象建立不同的图元类别，形成字符列表。在类别目录中按照图元字符列表找到串行内容，按照邻接关系顺序，获得图元一维列表。将所有图元节点的边界框两两相交，在位置界定列表中，使用索引值判断边界框是否相交［6］。当图元节点索引值为 1 值，代表两个临界图元相交，反之为 0 时，代表不相交，以此筛选相邻图元节点，识别交叉连缀状态。假设存在两个图元分别为防护栏杆和隔板，其边界框的索引值判定为 1，则认为两个建筑构件在空间上相邻接。在施工时需要注意两个构件的连接的牢固程度［7］。对于在空间上临界的图元，对构件的数据点进行拟合，以所有点的偏差平方和最小为目标，求解拟合的直线方程，便于后续建筑尺寸和边缘的计算。偏差平方和的表达式见式（2）。

式中：γ为偏差平方和；i和s分别为构件数据点的序号和总数；β和φ表示分布拟合直线的参数；xi和yi表示数据坐标。

分别对防护栏杆和隔板的数据点进行直线拟合，设定拟合误差使构件的图元尺寸具有较高的精度。对于孔洞和堆载土体之间的邻接关系也可以使用图元进行判定。当二者的交接框索引值判定为 1 时，则认为孔洞和石块土体等存在包含关系。在所有图元连接处设置刚域，在水平和竖直方向上建立位移约束，减少建筑构件在荷载作用下的自由度［8］。建立全部工程对象目标空间图元的索引值，调整节点等级，按照三角矩阵对每个级别逐一进行判定，删除自相交和重复的建筑图元。

3 基于粒子群优化聚类设计质量监测模型

为提高建筑局部结构的质量监测效果，本文利用粒子群优化聚类对建筑的局部结构进行迭代寻优，识别不符合施工设计标准的结构位置。建筑施工质量监测的流程如图1 所示。

建筑固有频率只反映了结构的整体性能，但是在不同的局部区域存在质量隐患时，二者频率可能相同。仅使用频率容易造成质量监测结果存在较大的误差，不能准确识别出所有隐患区域，因此质量监测效果不理想［9］。 以建筑构件的固有频率为基础，加入结构振型作为适应度函数。结构振型属于局部属性，能够提供更多的建筑构件质量信息［10］。适应度函数为固有频率和结构振型函数之和。结构振型函数的表达式见式（3）。

式中：F为结构振型函数；μ和v分别为实测和计算结构振型；T为转置矩阵。

为保证粒子具有较好的运动惯性，粒子群优化聚类算法使用惯性权重调节粒子的搜索参数。本文使用非线性递减的方式计算惯性权重。设定粒子群优化聚类算法的当前和最大迭代次数为n1和n2，则递减权重ω（n1）的计算公式见式（4）。

式中：κ表示非线性参数；ω1和ω2分别表示最大和最小惯性权重。

递减权重使个体和全局粒子保持搜索平衡性。在算法迭代后期，学习因子会影响粒子间信息交流的效率，按照经验取值为 2 或 2.5 均会造成迭代陷入局部最优，不利于监测建筑施工质量。对此，利用异步策略设置学习因子δ，计算公式见式（5）。

式中：δ1和δ2分别为学习因子的初始和终止值。

在建筑施工出现质量问题时，其结构刚度存在变化。引入刚度参数，其数值为建筑损伤和健康状态的刚度的比值。在粒子群优化聚类算法当前迭代中，得到的建筑构件质量监测结果不是最优值时，利用刚度变化比例来重新构建图元信息，并增加一次迭代次数。直至通过迭代计算出的结果为最优值时，停止算法，输出建筑施工质量存在问题的构件位置，完成质量监测。

4 案例分析

4.1 工程概况

案例分析部分将依托实际建筑施工工程项目对本文所提出的质量监测技术进行检验，验证该技术在实际应用中的可行性。该建筑为总面积 5 628 m2的办公楼，主体采用钢筋混凝土结构，由核心筒、伸臂、外框三部分构成。外框部分的桁架为主要的支撑结构，如图2 所示。

图2 桁架支撑结构示意图

在该建筑中，以桁架支撑为基础，安装承重梁和剪力墙等内部结构。在建筑的四个角落安设 V 型斜撑，与桁架支撑结构的支座相连接。外框空间高度以桁架上弦支座为首端，以下弦支座为尾端进行测量。桁架结构为施工建筑的关键构件，需要监测其内力和变形情况。建筑结构的杆件数量庞大，无法对全部杆件的静力和振动情况进行判断。在质量监测中，在关键控制点安装传感器和监测装置。考虑施工工程的经济性要求，需要优化监测点分布情况，使关键控制点的监测结果能够代表建筑整体质量。与核心筒直接相连的腹杆是内力的主要传递结构，水平和竖直方向的单向荷载对腹杆的作用力相同。在应力应变监测中，根据建筑结构的对称性，在 1～10 层选取 4 个巨柱和核心筒安装应变传感器。在单向荷载作用下，腹杆所受的应力沿杆件方向出现变化，两端应力较小，拉应力在垂直腹杆处最大。通过上述分析，在伸臂桁架构件中选取连接巨柱与核心筒的斜杆为监测位置，在腰桁架中选取边部斜杆和 V 型斜撑的中部为监测位置，安装应变传感器，布置施工质量监测点，分析建筑结构状态。

4.2 施工质量监测结果与分析

建筑在施工阶段受到混凝土收缩、风荷载和地震荷载的影响，由于形变在竖直方向发生位移。竣工后，混凝土收缩效果减弱，最后趋于稳定。对施工期间各楼层巨柱和核心筒的竖向位移进行监测，其结果如表1 所示。

表1 竖向位移监测 mm

根据表1 的监测结果，随着建筑楼层高度的增加，巨柱和核心筒的竖向位移在总体上呈现出上升的趋势。由于 6 层和 7 层是加强层，荷载作用面积较大因此其竖向位移大于普通楼层，在数值变化上表现为峰值区域。在该建筑的施工期间，巨柱和核心筒的竖向总位移分别为 15.42 mm 和 14.81 mm。在荷载作用下，巨柱和核心筒结构的应力监测结果如图3 所示。

图3 巨柱和核心筒结构的应力变化

由图3 可知，各层巨柱和核心筒结构的应力存在一定差异，最大值分别为 26.38 MPa 和 27.65 MPa。二者作为跨层连接构件，对荷载压力变化程度比较敏感，为其它构件提供平衡支撑。对各楼层的伸臂桁架、边部斜杆和 V 型斜撑三种杆件结构进行应力检测，得到的最大应力值结果如表2 所示。

表2 杆件监测最大应力值 MPa

相同工况下，不同类型的承重杆件所受到的应力存在不同。由于边部斜杆为辅助承重结构，因此其内力较大，与其余支撑杆件相比，在受到荷载作用下，边部斜杆的最大应力值高于伸臂桁架和 V 型斜撑。伸臂桁架和 V 型斜撑起到连接两端巨柱的作用，随着楼层高度的增加，受到荷载作用其应力值呈上升趋势，而边部斜杆的应力值变化具有一定起伏。从整体上看，加强层的杆件最大应力值高于普通楼层。综合上述监测结果，该建筑处于正常施工状态，在荷载作用下不会发生建筑振动和结构破坏，满足建筑工程规范，具有较高的施工质量。本文通过对环境荷载和构件应力的分析，在关键结构控制点实现建筑施工质量监测。文中提出的技术能够监测建筑局部结构的位移和应力变化情况，判断结构稳定性，以此提高建筑管理水平。

5 结语

建筑结构日益复杂，在施工中受到多种因素的影响。为保证建筑质量，需要利用现场测量或智能传感等技术采集建筑信息，对施工质量进行监测。本文利用粒子群优化聚类对建筑的局部结构进行迭代寻优。以实际建筑施工工程项目为依托，安装应变传感器，布置施工质量监测点，监测结果表明，本文技术能够监测建筑局部结构的位移和应力变化情况，有助于提高建筑管理水平。本文研究未考虑构件加工尺寸和材料缺陷对施工质量的影响，后续可针对此问题开展研究。Q