建筑结构数字化动态变形监控与评估系统设计

覃亚伟， 谭适龄， 蒋 骏， 蔡惟鑫

(1. 华中科技大学 a． 土木工程与力学学院； b． 控制结构湖北省重点实验室， 湖北 武汉 430074；2.中国地震局地震研究所， 湖北 武汉 430071；3.华中科技大学 物理学院， 湖北 武汉 430074)

超高层、大跨度和一些历史建筑等重要建筑物在长期营运中，由于不断地受到地质条件变迁、地震、强台风、地下水和地层沉降不均的影响；随着建筑物结构服役营运龄期的增加，在环境侵蚀、材料老化、荷载长期效应、疲劳效应等的作用下，结构损伤累积、抗力下降。改变和降低了结构抵抗灾害的能力，降低了建筑物抵御突发灾害性事故的能力。

随着地学灾害和特大事件形势的发展，愈演愈烈的自然灾害和人为事故，造成了对建筑物的严重破坏，人民生命财产安全受到严重的威胁。为此，提高和强化建筑物安全监控，对在运营中的建筑物结构的动态变形健康监控和安全评估等问题越来越被人们关注和重视。

虽然国、内外专家在建筑物健康状态的损伤诊断与安全评估方面做了不少的努力。但是，过去的监控技术尚不能实现高速数字采集，监控响应精度不高，从而阻碍了建筑物结构 “指纹特征” 健康诊断和安全评估事业的进展[1]。

提高建筑物结构健康安全的测试与诊断技术水平，涉及到信息采集和处理技术、干扰抑制技术、模式识别技术、健康安全性分析、寿命估计等领域，是一个综合性的研究课题[2]。人们面对特大灾害和重大事件的惨痛教训，在进行认真地反思和总结的基础上，为了适应灾害形势发展的需要，随时掌握且保障运营中建筑物结构的安全性，采用新兴的科技新成果和新方法对重要的工程结构健康状况进行动态变形监测和安全评估是十分迫切和必要的。

随着大建设高潮的逐步推移，我们分析现今在建筑物结构变形监测中的几种常用的传统方法和GPS方法等的特点，总结在灾害防御中的动态变形监测技术和预测研究的长期经验，结合建筑物结构“指纹特征” 健康诊断学科发展的技术要求，充分应用现代科技和网络发展的科技成果，综合运用现代传感、数字采集及宽带网络通讯等技术、在软件系统支撑下，研发具备高精度、大量程、长期稳定、高速采样、无人值守等功能特征的“重要建筑物结构健康诊断的数字化动态变形监控与安全评估系统”(以下简称“系统”)[1]。为实现对超高层、大跨度重要建筑物结构的动态变形和振动的监控和安全评估的现代化做技术准备。

建筑物三维动态变形的监控将反映出建筑结构的刚度特性的改变，从而获得建筑物的动力特性即获取了结构的“粗指纹”。进行“指纹特征” 健康诊断，可作为评价该建筑物的健康安全状态的主要指标。也可为验证设计理论和运营管理提供安全评估信息[3，4]。

“系统”可以随着建筑物结构监控布置的需求，进行分布式的设计和组合。该系统将对建筑物的结构进行长期的动态变形和振动化监测，推进了建筑物营运安全“指纹特征”健康诊断的发展。

“系统”进行实际性的结构变形和振动的长期动态观测，并进行适当的计算，不仅可检验实际观测结果与理论设计的偏差，而且还可检测建筑物自身结构的性能。由此，对国内建筑设计和规范的完善有指导、参考价值，有利于以后同类结构的设计。事实上，也是为同类结构在现实环境中做了“地震模拟实验”和“风洞实验”。

1 建筑物结构变形常用几类监测方法特点的分析

为保证建筑物施工和运营期间的安全，按现行的设计规范和要求，目前通常用一些传统的监测手段和方法对建筑物进行健康诊断和安全评估监测。常见的一些传统方法有[5]:

(1)模型试验。即对建筑物模型在风洞实验室或振动台上进行试验。但是，近地风有显著的紊乱性、随机性。风洞模拟状态与实际情况出入很大。振动台又很难达到高频率和大位移的统一。

(2)数值模拟。用计算机把离散的变量进行模拟，描述建筑物的结构安全的演变。

(3)全站仪自动扫描测量。缺点是在台风、暴雨等自然条件下，激光很难跟踪目标，实时性差，各测点不同步，大变形量很难观测。

(4)激光准直方法。一般放在如电梯井内，测量基、顶部相对变化，测量精度约10～20角秒。光点发散误差大(约15～30 mm)，受电梯内气流影响，造成光斑晃动，难以测量。

(5)加速度测量。把加速度计放在建筑物上，测量建筑物在外界荷载作用下振动时的加速度，经过二次积分求出位移值。但是建筑的整体惯性偏移速度较慢，故积分精度不高，达不到厘米级精度。另外，滤波器难以选择到实际异常信号，安装、布线也困难，难以实时进行位移监测。

以上传统方法所获得的数据，难以做到对重要建筑物进行精确、连续和动态的健康安全诊断，更难以及时发现或评估结构内部损伤位置和评估危险程度。

当今，人们移植和利用GPS技术，对运营中的重要建筑物结构进行动态变形的健康诊断和安全评估。因为GPS测量方法具有独特的优越性，可以克服或避免常规传统方法的一些不足。但是GPS方法应用在对建筑物健康诊断方面，它也存在着一些不尽人意之缺陷。相对常规传统方法而言，GPS方法具有各测站无需通视；全天候作业；无人值守；实时定位精度水平面可达10 mm、高程可达20 mm；观测时间短(2秒内完成10次/秒的作业)；还能同时测定三维的动、静态坐标(相对传统方法，不需要水平、垂直位移分别测量)；操作方便等特征。但是，在建筑物结构长期动态变形监测中应用GPS方法还存在一定的局限性，如：

(1)GPS的载波相位观测值含有较多的噪声，处理方法复杂，信号处理难获准确。

(2)GPS方法，对超高层、大跨度建筑物进行动态变形测量作业中，只能对建筑物顶部的位移进行静、动态的三维测量，尚不能对建筑物内部各有关重要部位的变形位移和振动特征进行动态连续测量。为此，GPS的观测数据用于结构损伤识别和建构的整体特征描述是不够的，不能反映建筑物结构各重要部位的动态变形状态。

(3)GPS方法必需应用四个以上的卫星，采用集成接收机。伪信息、噪声的识别和排除是一个复杂的过程，形成数据运用的复杂性和非直观性。制约了观测精度的稳定。

但是，GPS测量方法与常规传统方法相比，有其长足的发展。是应用新技术成果对建筑物结构动态变形监控的一种新方法。

2 系统的构建

超高层、大跨度的重要建筑物的设计不仅有很详细的理论设计参数，而且还有遭受地震和台风时建筑物的理论振动参数值。但是，自然灾害的袭击、地质环境的变迁、建筑结构的老化等因素对建筑物的综合作用，使建筑物在偏离设计的安全要求中运营。当前常用的一些对建筑物变形监控的一些方法，还远不能适应对建筑物结构动态变形与振动的建康诊断和安全评估的学科发展和应急决策的需求。为此，研发对“重要建筑物结构健康诊断的数字化动态变形与评估系统”是十分必要和十分迫切的。“系统”是利用新技术的应用和研发，提高对建筑物动变形监控和安全评估的功能，推进和提高城市建设和减灾、防灾的能力。

“系统”针对不同建筑物的结构特征，按其监控目的宗旨和技术要求，在建筑物结构的一些重要部位，布设“系统”的专用传感换能仪器及其数采、数传装置等。在软件的支撑下，对其各点位的观测数据按预先设定的采样速率实时地进行数据的采集与传送。“系统”在我国的大型水利枢纽的建筑工程(如水力发电厂、溢流坝体、防渗墙等)[6]、超高层建筑物不同高层结构部位的动态变形的长期监控、核电站的核岛工程中的动态变形监控(如巴基斯坦核电工程)、火山和断层活动性的动态变形监控(如大西洋的加那里火山群岛中的动态变形和热流监控)等工程中的长期应用[7，8]。“系统”经过长年高采样率、多点位的运行，取得长时段、接近零故障率的动态变形连续监测的数据，为健康诊断和安全评估的判别奠定了重要基础[9]。以某超高层大厦为例，其“系统”构建原理框图如图1。

图1 重要建筑物结构健康诊断的数字化动态变形监控与安全评估系统原理框图

如原理框图所示，“系统”是由传感、数据采集与处理、数控、时间服务、通讯、诊断分析与安全评估等子系统构成。

2.1 传感器子系统

重要建筑物结构健康的动态变形监测与安全评估的发展，适应灾害形势发展的需要，必须迅速改变监控技术停滞在人工-模拟实验、监控响应精度不高的状态。研发高精度、大量程、长期稳定的、适用于高速数字采集的传感器，以获得建筑物结构动态变化海量的优质数据。为实现智能化的自动监测和诊断评估奠定基础。

例如，本系统在上海一座超高层建筑物中采用的传感仪器子系统是运用铅垂摆恒指地心的原理，在摆体上用差动电容式电子传感器换能。当被测楼体发生倾变时，则楼体各层的传感仪器倾变角度与各层倾变摆系的变化呈线性一一对应。其变化量通过前置放大器转换为电量输出，输出信号传送至数据采集子系统。具有灵敏度高、线性范围大和信噪比高的特点。

2.2 数据采集与处理子系统

传感子系统输出的倾变(及沉降不均等)信号，通过多通道数据采集接口进入数据采集工控机，进行高速数据采集并存贮于工控机中。

工控机中的 A/D数采卡在软件支持下，将数十路输入信号按设定采样率及放大倍数依次进行A/D转换。并将转换后的数字信号送入存贮器，以供数据通信软件实时调用。

2.3 GPS时间服务子系统

设置GPS授时接收机与工控机相连。通过时间服务软件，可同时对两台工控机进行时间校正，时服精度为10-6秒。

2.4 实时显示子系统

实时图形显示由实时波形显示软件及实时矢量图形显示软件完成。其中一台用于实时显示建筑物各测点倾斜(及沉降不均等)的波形；另一台用于实时显示建筑物摆动情况及其矢量图。

2.5 宽带网远程数据传送子系统

远程数据中心计算机安装有远程通讯测控软件，通过宽带网将工控机内存数据传输到中心计算机内。为了保证建筑物受到摧毁性破坏期间能实现启动应急、指挥预案。本系统的数据及控制指挥中心设置在远离大厦的数据控制与指挥中心。系统控制与指挥中心通过主控计算机、调制解调器、程控电话网络与建筑物内的工控机进行通讯，以便掌握系统运行状况并对参数进行修改。

2.6 数据指挥控制子系统

被监控的建筑物与数据测控中心之间的距离，可设定在数公里～数百公里以外(也可按实际情况，任意选择)。数据测控中心通过主控计算机与建筑物内的工控机进行通讯，掌握系统运行状况并可对参数(如采样率及放大倍数等)进行修改。系统配置的数据回放软件可对取回的大量数据以1～10倍的速度进行回放，便于进行后期数据处理研究。

2.7 诊断分析与安全评估子系统

本系统利用具备诊断功能的软硬件与相应的分析技术，诊断接收到的数据，判断发生损伤的可能性、位置和程度，评估结构健康安全状况，预测结构服役时间，评价结构可靠度，分析结构的寿命投资关系，提出结构健康安全维护策略[10]。

数据记录发现该建筑物在强风中摇摆飘移的位移较大。按目前常用的位移传感器和测量方法都不能满足该建筑物设计理论计算出其最大位移单振幅值量程要求，无法测试记录该大厦的振动位移响应。而本系统研制的传感子系统已能达到此量程要求，目前已经获得大量的实测数据资料。

2.8 数据存贮及管理子系统

多路模拟信号经几块24信道A/D数采卡同时数采，分别存储在各自的工控机中，即数据存储是双备份的，即使有一台计算机出现故障，也不会造成数据缺失。

2.9 软件支撑子系统

“系统”的实现必需在相应的软件支撑下进行，“系统”的主要软件有：建筑物变化波形图软件；建筑物变化矢量图软件；建筑物变化远程控制软件；GPS时间同步软件；阿尔泰A/D卡PCI总线驱动软件；建筑物变化文件格式转换软件；建筑物变化数据回放软件等组成。

3 结 语

“系统”具有长期、高频、连续、精确、多测点同步自动采样的特征，可以对各待测点的三维座标的变形和振动进行大幅度的三维位移变化和振动的同步采集。各测站点无需通视、长期连续自动采样、无人值守、观测时间短、操作方便等特色。“系统”具有自动连续采样率可靠，远程遥测操控简便，常年观测精度可靠，构建物各点位监控同步、直观可视等特性。

“系统”中的传感仪器子系统可以根据建筑结构的要求任意布置待测点位，对各测点的变形和振动的时序动态变化图形(位移、矢量、振动等动态图形)实时呈现；同时可对建筑物的垂直(及水平)剖面的时序动态变化的图形实时回放。直观地了解结构损伤和建构的整体变形特征，反映建筑物结构动态变化的演变过程。“系统”直接观测到建筑物不同高程各部位的相对变化，并对各测点构建结构的瞬间运动轨道跟踪。图像实时给出在灾害事件作用下建筑物各部位的瞬时运动图。

各测点的数据采集率可根据灾害天气、突发事件的需要，数据采样速率可以0.01， 0.1， 1.0， 10，20，50，100次/秒/每测点，由远程指挥中心遥测任意选用。“系统”设有远程指挥中心，一般在待测建筑物的10～100 Km以外，可以远程指挥，对建筑物灾害性事件的现场与远程相结合的指挥。同时，平时对系统的远程监控和技术参数调试。

由于传感子系统一般选择放在建筑物室内安装，所以运行中减少恶劣气候环境的影响，获得的数据伪信息干扰少。系统精度可达亳米或亚毫米级。例如，选择传感器的灵敏度0.1角秒、量程可以达到±2度。实现在亚毫米的精度条件下的大量程、高频采样的结合。

“系统”通过高速、连续数采，对建筑物结构各重要部位的倾变(或沉降不均等)变化的连续监测，得到建筑物的瞬间而又连续的水平(或垂直)位移变形和振动数据，运用系统的回放动能，经过PC机的实时计算和分析，为实现观测系统对建筑物的实时“诊断”、事后“会诊”。

“系统”自2005年运行至今，获得零故障率的高速数采运行。在获得监控各参数的海量数据基础上，对数据进行计算和分析。将其计算出的前三阶振型及其频率和阻尼比的结果，与理论设计值进行对比；实现对建筑物结构进行“粗指纹”健康诊断；可推动建筑物营运安全“指纹特征”、 健康诊断领域的发展。

[1] 蔡惟鑫，罗仁安.城市重要建筑物在营运中结构安全的长期连续监控与损伤诊断评估 [C]//中国科协年会专题论坛暨第四届湖北科技论坛论文集.武汉：湖北科学技术出版社,2007:79-82.

[2] 李宏男，李东升.土木工程结构安全性评估、健康监测及诊断述评[J].地震工程与工程振动,2002,22(3):82-90.

[3] 谭 林. 基于动力指纹的结构损伤识别可靠度方法研究[D].广州：华南理工大学，2010.

[4] 李国强，李 杰.工程结构动力检测理论与应用[M].北京：科学出版社，2002.

[5] 李宏男，伊廷华，王国新. GPS在结构健康监测中的研究与应用进展[J].自然灾害学报，2004,13(6)：122-130.

[6] 蔡惟鑫，谭适龄.GK静力水准数字化系统的研制及应用分析[J].大坝观测与土木测试,1999,21(6)：36-39.

[7] 陈鑫连，张奕麟，蔡惟鑫.地壳变动连续观测技术[M].北京，地震出版社，1989.

[8] 蔡惟鑫，R Vieira.火山与地壳变动[M].北京：地震出版社，2005.

[9] 蔡惟鑫.我国第二代定点形变(应变)连续观测技术[J] .中国地震，1988，4(1)：62-67.

[10] 郭 健.基于小波分析的结构损伤识别方法研究[D].杭州：浙江大学，2004.