城镇老旧小区建筑结构检测及安全性评价分析

秦志浩，李志强，李永辉

（中交二公局第七工程有限公司，广西 南宁 530201）

1 研究背景

针对施工过程的特征，有必要建立孪生模型对结构进行实时监控，提高安全评估的精度和智能化。数字孪生是指通过可视化虚拟空间完成建模，对现实物体进行复制，并对其在现实环境中的动态运行轨迹进行模仿[1]。众多学者将数字孪生框架应用于车辆、船舶、发电厂、复杂机电装备、卫星/空间通信网络、立体仓库、医疗、飞机、智慧城市等领域[2]，为数字孪生技术应用范围的扩展做出了许多贡献。结合施工过程的特征，本研究将数字孪生理念作为根据，基于钢结构施工安全评估构建数字孪生结构，形成了安全预判方法，有效地保证了结构在各个施工阶段均处于可靠状态。

2 钢结构施工安全评估的数字孪生框架

钢结构施工安全评估的数字孪生框架由5 个维度组成，即物理施工现场、虚拟施工模型、孪生数据处理层、安全评估的功能应用层以及各组成部分间的连接层。基于物理施工现场，由规则、几何、行为以及物理等多个层面出发构建虚拟模型，使虚拟模型与物理施工现场产生实时交互。由射频识别（RFID） 等传感设备[3]对物理施工现场的各类信息进行动态采集，实时反馈到虚拟施工模型中。在虚拟施工模型中通过设置与现实施工一致的工况参数，调整结构的力学参数，仿真模拟现实施工的结构状态。由物理施工现场的采集数据和虚拟施工模型中的仿真数据形成施工过程的孪生数据，其中包含了施工过程的人、机、料、法、环等多个施工要素。在孪生数据处理层中由机器学习算法对数据进行建模，实现施工过程各空间要素与时间维度的高度融合，从而分析各施工步结构安全性能。基于截获物理空间数据、数据分析模型并在构建虚拟施工模型的前提下，搭建施工不安全事件的维护模型，由此对不安全事件进行精准预测及执行。通过搭建面向钢结构施工框架，形成了数字孪生框架驱动的施工安全评估建模方法。通过虚拟空间对现实施工信息的动态感知，由机器学习的理念进行安全性能的评估，将执行指令输入虚拟模型进行验证，最终指导现场的施工，实现了对施工过程结构安全评估的智能化闭环控制。

在面向钢结构施工安全评估的数字孪生框架的驱动下，研究数字孪生框架驱动的施工安全评估建模方法，安全评估建模流程见图1。

图1 钢结构施工过程的安全评估建模流程

3 多维数字孪生模型的构建

基于钢结构施工安全评估的数字孪生结构中，截获物理空间数据、虚拟模型的搭建和施工过程的时空信息融合是多维模型构建的组成部分。通过对以上3 个方面的研究，可以实现施工过程时间维度与空间维度的多要素的融合，为施工过程各施工步的安全分析提供依据，同时也是对不安全事件维护建模的基础。对数字孪生模型的3 个组成部分进行描述如下。

3.1 物理空间的信息捕捉

在多维数字孪生模型构建的过程中，对物理空间的信息捕捉是实现数字孪生框架驱动的安全评估建模的第一步。通过RFID 等传感设备实时感知施工现场的动态信息，可以实现现实空间与虚拟模型的一一映射[4]。对于建筑结构的安全评估主要分析的对象是结构响应和环境荷载[5]。在本研究中，将物理空间的信息分为两个方面，即构件信息（CI） 和环境信息（EI*）。

1） 构件信息捕捉。钢结构由各类钢构件组成，在钢结构施工过程中涉及的构件种类众多，各构件的施工顺序错综复杂，因此对施工过程的各类构件信息的捕捉对结构的安全性能评估意义重大。对构件信息捕捉的过程中，将主要信息分为构件标号（CS）、构件的基本信息（BI）、构件的施工信息（CI*） 及构件的力学信息（MI）。

在构件信息捕捉的过程中，在主动RFID 标签上填写构件的标号、基本信息、施工信息。从构件的进场到施工过程的每个施工步骤，通过RFID 标签时刻更新相关信息，实现对施工过程的信息动态感知。在结构的施工过程中，构件会处于不同的施工工序，因此，构件信息会发生变化。对于施工过程中构件信息的改变，可以利用标签的可编辑性通过读写器对其修改，最终在移动终端设备中实时查看构件的基本信息和施工信息。对于构件的力学信息的捕捉，则是利用传感器针对每个施工步骤采集构件的力学参数。

2） 环境信息捕捉。结构建设期间，导致结构受损或受到破坏的因素多种多样，考虑外界各种影响因素的前提下，获取环境信息时，需要着重收集构件长度（Le）、温度（Te） 以及风载（Wl） 等误差信息。对于施工过程的环境信息捕捉采用数学语言表述，公式为

在对环境信息捕捉的过程中，采用RFID 技术对构件的尺寸实时采集并通过移动终端设备动态更新拉索长度的误差。结构构件由于加工、安装等原因造成构件长度误差对结构安全性能产生重要的影响。针对拉索的长度变化，在施工的每个步骤中由三维激光扫描进行关键坐标的拾取，通过现场的扫描生成结构的点云数据。根据点云数据生成点云模型，实时捕捉构件的长度误差。RFID 读写器具有可编辑性，利用移动终端设备识别构件上的标签，记录并更新构件的状态。对风载作用和温度作用的影响，则是采用风速传感器和温度传感器在施工过程的每个施工步进行实时采集，为虚拟模型工况的设置和结构安全性能的分析提供依据。

通过对施工过程的构件信息和环境信息的采集，可以实现对施工过程的结构安全性能的预测。同时在采集施工现场信息的基础上，可以进行虚拟模型的搭建。在虚拟模型中设置同施工现场一致的工况，仿真模拟出结构安全性能，从而实现映射施工现场、指导施工过程的目标。

3.2 虚拟模型的搭建

在评估钢结构安全性能的数字孪生结构中，构建虚拟模型可由“几何-物理-行为-规则”层面出发，基于施工现场实际情况，集中各维度模型，从而能够全方位、深层次以及多视角地模仿施工现场情况。

构建虚拟模型时，首先由几何层面出发，建立外观、型号及尺寸模型，选择建筑信息模型（BIM）软件中的Revit 软件模块来完成。通过构建高保真度的几何模型能够充分体现工程建设过程中的几何属性，从而在后续物理建模过程中获得有力支撑。在虚拟模型几何建模过程中需要以Revit 软件模块为支撑，根据设计要求，建立同施工现场一致的几何模型。物理建模主要针对施工构件材料数据而言，大多以有限元分析软件为主，诸如ANSYS 软件等。在此期间，借助传感器获取的相关数据信息，纠正几何模型中的误差，对构建链接参数进行调整，以此为基础计算结构力学性能。构件的尺寸会影响到结构力学性能。在行为层面，可在有限元模型中添加等同于施工现场的工况信息，对于构建力学性能系数和材料本身在使用中的数据变化，借助获取到的材料信息及力学性能系数，评估工程安全系数。对数字孪生虚体建模进行形式化的数学语言表述，具体表述公式为

式中：VM 为面向钢结构施工安全评估的数字孪生框架中的虚拟模型；GMset为几何模型集；PMset为物理模型集；BMset为行为模型集；RMset为规则模型集。各类模型集通过自然连接符∞进行连接，对物理施工现场形成全要素、多维度、多状态的“几何-物理-行为-规则”模拟、仿真。在各类模型相关联的过程中，应用三维激光扫描仪、传感器等设备调整几何模型与物理模型，使其能映射现实结构的状态；同时由马尔可夫链[5]对各施工步的信息进行分析，实现施工过程的时间维度与空间维度的信息融合。由此有效连接行为模型与几何模型、物理模型，达到实时评估结构安全性能的目标。以下在3.3 节重点探索基于马尔可夫链[5]的施工过程的时空信息融合。规则模型则贯穿整个虚拟模型搭建的全过程，对几何模型、物理模型、行为模型3 类模型进行实时的调整，以确保施工的各施工步均处于安全状态。

3.3 施工过程的时空信息融合

马尔可夫链[5]可以根据施工过程的前后步骤之间的关系，获取未来阶段的安全状态。由此可以应用于施工过程各施工步之间的安全性能分析。结合施工过程的主要控制要素的阈值，制定结构安全与不安全事件发生的概率。根据当前施工步结构安全性能，并融合风险因素发生的概率或结构力学参数变化的程度，预测下个施工步结构安全性能。其中的安全风险因素主要包括了施工过程中操作失误和环境要素的急剧变化。在本研究中，以每个施工步的应力为研究对象，当应力大于或等于该施工步应力设计值时，记为结构安全性能处于a 级；当应力大于或等于该施工步应力设计值的93%时，记为结构安全性能处于b 级；当应力大于或等于该施工步应力设计值的90%时，记为结构安全性能处于c级；当应力低于该施工步应力设计值的85%时，记为结构安全性能处于d 级。

在时空信息融合的过程中，将结构的状态按照安全性能级别分为4 类。假定随机变量Xn（n=1，2，3，…） 表示第n个施工步的结构状态，则Xn=1表示为结构安全性能处于a 级，Xn=2 表示为结构安全性能处于b 级，Xn=3 表示为结构安全性能处于c级，Xn=4 表示为结构安全性能处于d 级。ai（n）表示第n个施工步结构处于状态i的概率，即ai（n） =p（Xn=i），其中i取1，2，3，4。pij表示当前施工步结构状态为i、下个施工步结构状态为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，转换概率pij是由有限元模型进行工况设置，对比施工步之间的应力值得到的。根据当前的安全状态，结合工况变化，可以预见性地分析结构在下一个施工步的安全状态。

4 施工过程安全评估

以北海市铁山港区兴港镇呼北高速公路沿线两侧钢结构改造项目为例，进行研究方法的应用。该项目距离向海大道3～16 km 内。兴港镇大树岭、小马头、彬池村委会范围内246 栋农房、南康镇夏塘村委会147 栋农房，在原有农房基础上进行坡屋顶和外墙立面改造。工程主要建设内容包括脚手架工程，农房外立面涂装工程，屋顶房钢结构、门窗、屋面及防水、保温隔热、天棚封闭等工程。采用有限元模拟分析钢结构框架施工受力性能情况，见图2。

图2 钢结构框架施工受力性能分析

根据3.3 节施工过程的时空信息融合，由有限元计算获取前期施工阶段结构的力学性能，在马尔科夫链[5]的驱动下快速精准获取后续施工阶段结构的安全性能。通过与实际施工过程力学性能表现规律的对比，发现本研究方法可以精准有效地评估各个施工阶段结构的状态。施工过程结构安全状态等级的对比见表1。

表1 施工过程结构安全状态等级的对比

5 结论

本研究提出了城镇老旧小区建筑结构检测及安全性评价分析方法，基于数字孪生形成了施工评估流程。通过工程，实践验证了本研究方法可以精准有效地分析结构在各个施工阶段的安全状态，保证了施工过程的合理性。在研究过程中，形成了结构施工安全评估的数字孪生框架，为施工安全管理提供了可靠的借鉴。通过集成虚拟和物理空间，形成了时空信息融合方法，实现了施工过程结构安全的科学预判。