基于数字散斑相关方法的膜结构检测技术研究

■ 殷惠君 Yin Huijun

0 研究背景

膜结构自诞生至今只有50年左右的时间，但它以丰富多变的建筑造型、轻盈通透的结构特性迅速发展成为大跨度空间结构领域重要的组成部分。

膜结构的发展与膜材料的研发与应用密不可分，每一次新型膜材的开发与应用都极大地促进了膜结构的发展。目前国内外应用的建筑膜材主要包括涂层织物类膜材（PVC和PTFE膜材）和热塑化合物类膜材（ETFE膜材）两大类[1、2]。

膜材作为建筑的覆面材料，通常直接暴露于外部大气环境中。在日光照射、温度变化、雨水冲刷以及尘埃侵蚀等自然环境的作用下，膜材的外观颜色、光亮度以及强度等随着时间的变化都会逐渐退化[3]。由此造成膜结构的局部缺陷、褶皱、破损乃至整体失稳的事故已成为阻碍膜结构继续发展的重大障碍。出现破损的膜结构不仅影响美观，而且更换下来的膜材由于自身不能自然降解的特性必然对环境造成污染。随着膜结构的大量涌现，这一问题日益突出。因此，发展针对建筑膜材和膜结构的检测技术，提高膜材的更换周期，增加膜结构在正常使用极限状态和承载力极限状态下的可靠性已经成为刻不容缓的课题。

1 膜结构检测方法

1.1 数字散斑相关方法

与传统光学测量技术相比，数字散斑相关方法具有光路简单、要求测量环境简单、可以在野外应用等优点。所使用的光源可以是激光也可以是白光，散斑可以是激光形成的，也可以是人工散斑或者某些自然纹理，在测量范围上可自由变化，仅与照相机像素及视场大小有关，对大变形的测量尤为有利。数字散斑相关方法的测量灵敏度一般可达0.01～0.05像素所代表的大小。由于相关方法是对两幅记录的图像进行直接的相关处理，借助高速视频记录或高速摄影系统可以实现动态测量。

1.2 膜结构的检测内容

针对膜结构的检测内容可以分为两大类，包括建筑膜材的材料性能检测和膜结构施工过程中及正常使用极限状态下的预张力检测。

1.2.1 建筑膜材的材料性能检测

建筑膜材的材料性能检测包括以下三方面内容：

(1)建筑膜材的基本特性研究，包括材料非线性、非弹性、各向异性以及黏弹性四大基本力学特性。

(2)建筑膜材的强度指标，主要指建筑膜材的抗拉强度和撕裂强度两大基本强度指标，这是膜结构设计和施工的基本依据。

根据以上规划意见，供热系统应根据国家及当地的政策，遵循节能、环保、可持续发展等原则，并通过经济技术比较，充分利用废热，如污水等低品位热能，将其开发利用，利用于民用采暖中，从而实现物尽其用，节能环保的效果。

(3)建筑膜材的工程常数，主要包括弹性模量、泊松比、剪切模量等内容。

以上材料性能的检测设备主要为单轴拉伸试验机和双轴拉伸试验机（图1、2）。在以上试验过程中，利用数字散斑相关方法可以监控加载过程中膜面的应力、应变的分布和发展规律，更全面地监控试验发展的全过程，这对认识建筑膜材的力学性能和破坏机理非常必要。

1.2.2 膜结构施工过程中及正常使用极限状态下的预张力检测

膜结构施工过程中及正常使用极限状态下的预张力检测是属于膜结构特有的检测内容。膜材属于柔性材料，只能承受拉力而不能受压或受弯，只有在被施加了一定水平的预张力后才具备所需的结构刚度。当外荷载产生的压应力超过结构的预张应力时，膜结构将发生局部屈曲，即产生褶皱。即使在考虑恒荷载、风荷载和预张力的组合下，膜面的褶皱面积也不允许超过10%[6]。而由于外荷载造成的膜材达到极限抗拉强度而破坏的情况较为少见，因而膜面预张力的大小和分布是膜结构施工和检测的控制性指标。

膜结构膜面张力测量属于无损检测的范畴。国外曾提出过声波法、拉曼光谱测试法、振动测试法和位移测试法等测量方法[7、8]。但是普遍存在测量精度不高，操作不方便的缺点，而且国外相关技术、仪器均为各企业专用，不对外提供技术服务，处于技术保密状态。

数字散斑相关方法在这一领域拥有较大的优势，因为其检测过程为实时、非接触检测，且其测量范围可以是一个区域而非单一的点，在一定条件下甚至可以进行膜面的全场检测——不仅可以检测预张力的大小，还可以检测预张力分布的不均匀性。因此，数字散斑相关方法的检测技术对膜结构的施工和维护具有重要意义。

目前，国内外的检测技术尚未能完全解决膜结构的施工及正常使用极限状态下的检测问题，数字散斑相关方法为解决这一难题提供了很好的途径。基于数字散斑相关方法的膜结构检测技术将实现对膜结构施工过程进行检测，控制预张力的分布及预张力水平；实现对服役期内膜结构的检测，提高膜结构在正常使用极限状态和承载力极限状态下的可靠性，增强膜结构的健康服役能力。这将有力促进膜结构建筑业的健康发展，同时对于保护生态环境大有裨益。

2 国内外研究现状和发展趋势

国际上，对于建筑膜材检测技术的研究起步于上世纪80年代。其中，德国、日本等在膜结构领域处于领先水平的国家已经开展了大量的研究工作。德国的Rain Blum 实验室是欧洲最大规模的膜材料力学性能研究室，建立了膜材料在抗拉强度、撕裂强度、剥离强度等强度指标以及通过双轴拉伸试验确定膜材料弹性模量、泊松比、剪切模量等工程常数的统一的试验方法，并已被Tensinet等行业组织采纳。日本也相继在1993、1995和2003年制定了统一的膜材料性能的试验标准。试验范围包括了强度指标、工程常数的测试以及蠕变、应力松弛、耐折、高低温、防水、耐候等长期工作状态下的性能测试。在国内，同济大学、哈尔滨工业大学、东华大学、上海交大等高校已经开始在膜材料、膜结构单元力学性能领域开展研究工作；由同济大学张其林教授主持编写的上海市工程建设规范《膜结构检测技术规程》已经出版。这使得对膜材的力学性能以及膜结构的预应力水平进行检测成为可能。

但是，膜结构的检测技术尚处于探索阶段，存在不同程度的缺陷，针对膜结构施工过程和正常使用极限状态的实用检测技术尚未出现。因而利用数字散斑相关方法进行非接触的实时检测必将成为未来的发展趋势。

3 主要研究开发内容、技术关键及主要创新点

3.1 主要研究开发内容

3.1.1 数字散斑相关方法的原理

数字散斑相关方法测量的基本问题是相关两个散斑场，即变形前的参考场和变形后的变形场，在一个空间坐标系x，y，z中，被测物体上一点P的坐标为x，y，z，而变形后的坐标为x’，y’，z’，其关系可以写作：x’=x+u，y’=y+v，z’=z+w，其中，u，v，w称为位移分量。

在实际测量中，以平面方式记录散斑场。在变形前，物体表面的灰度场为P(x，y)；变形后，物体表面的灰度场为P(x+u，y+v)，如图4所示。于是问题变成考虑两个灰度场的相关来测量u和v。根据围绕P点的位移函数的线性泰勒展开式可以推导变形场位移与应变的关系。在实际应用时不难发现，位移偏导数在数量级上比位移小很多，因此在相关运算时采用的策略是只求位移，随后用位移场导出应变场。

3.1.2 相关运算

在数字散斑相关方法中，相关运算是其中的关键。相关运算，是寻求图像间最佳匹配的运算。它可以在图像空域上进行，称为空域相关运算；也可以在频域进行，称为频域相关运算。由于空域相关运算往往可以得到比频域相关运算较高的精度，所以，本项目主要研究空域相关运算。

对相关运算有两个要求：一是精度，二是时间（即复杂程度）。这两个因素一般是矛盾的。如何提高计算精度和减少计算时间，是数字散斑相关方法研究中的重点。本项目采用灰度梯度迭代算法(Iterative and gray-gradient algorithm，IGGA)进行平面内的相关运算。这种算法不仅减少了计算量，同时当测量较为复杂的非刚体位移时，灰度梯度算法与传统方法相比具有更高和更稳定的精度，这是数字散斑相关方法应用于工程测量的基础。

3.1.3 基于有限元与广义交互验证方法的位移场光滑技术

对膜面变形的测量主要关注应变场，而相关技术只能得到位移场，因而位移场的小误差将导致应变场的不可信。散斑图像总是会受到一定程度的噪声干扰，当噪声水平足够高时，位移数据的准确性就会受到影响，从而影响应变数据的准确性。为此，对离散的位移数据进行光滑，去除或减少噪声影响是十分必要的。力学计算中的有限元法是一种很好的位移场平滑技术。本项目在有限元光滑技术(FEM Smoothing technique)的基础上，引入二维广义交互验证方法(2D Generalized cross validation, 2D GCV)，直接计算光滑参数，避免了对于光滑参数的经验估计或烦琐的间接计算，提高了测量系统的自动化能力。与一般方法相比，这种位移场的光滑方法可以明显地去除噪声并较大地提高应变测量精度，满足科研及工程测试要求。

3.1.4 三维数字散斑相关方法

二维数字散斑相关方法很好地解决了膜结构面内位移场和应变场的测量，可以胜任建筑膜材的材料性能检测和一般的膜结构工程的实地检测。但如果要实现对膜结构工程的整体施工检测和膜面预张力分布的全场检测，就必须进行三维观测。

将立体摄影（双目立体视觉原理）和数字图像相关技术相结合可以测量三维位移场。三维数字相关位移测量的基本原理是从两个CCD(Charge-coupled Device)摄像机拍摄的平面图像得到测量点对应平面图像的像素坐标，然后根据CCD摄像机与空间坐标的关系得到测量点的空间坐标，位移前后的空间坐标差就是所求位移量。三维位移测量有两个关键技术需要解决：①从两个CCD摄像机拍摄的平面图像得到测量点对应平面图像的像素坐标；②CCD与空间坐标的关系。

其中，第一个关键技术就是平面图像的匹配问题，可以采用二维数字散斑相关方法解决，而第二个问题就是摄像机的标定问题。首先利用两个CCD摄像机在空间两个不同位置拍摄物体表面在变形前后同一区域的四幅散斑图像。有了同一载荷状态下的两个摄像机拍摄的同一物点的两个坐标，就可以根据坐标关系找出物体上这一点的两个世界坐标(world coordinate system)值，这两个世界坐标值的差值就是位移。由此类推，可以得到被测物体的三维坐标和三维位移场。

3.1.5 建筑膜材的性能检测与膜结构的实地检测

通过数字散斑相关方法配合单轴、双轴拉伸试验机对建筑膜材的基本特性、强度指标和工程常数进行检测。尤其在建筑膜材的材料非线性、非弹性、各向异性以及黏弹性这四大基本力学特性的研究中，数字散斑相关方法可以发挥它实时、非接触以及全场观测的特点，有助于揭示建筑膜材的特性。通过三维数字散斑相关方法对实际膜结构工程的施工过程进行检测，实现对膜结构施工过程的控制和跟踪，有利于提高膜面的预应力分布均匀程度，与设计的预应力水平相吻合。同时，对已有膜结构的正常使用极限状态进行实地检测，及时发现膜面由于应力松弛等原因出现承载力下降的问题，增加膜结构的健康服役能力。

3.2 技术关键与创新点

本研究的技术关键在于灰度梯度迭代算法，基于有限元与广义交互验证方法的位移场光滑技术，以及三维数字散斑相关方法。

目前，膜结构的设计理论已经开始考虑膜材本身的各项异性，考虑膜材的材料性能对于膜结构的影响。但是检测技术的落后严重制约了各项新技术在膜结构领域的应用。

本研究的创新之处在于通过数字散斑相关方法解决了困扰设计与施工人员的膜结构检测问题。利用数字散斑相关方法实时、非接触和全场观测的特点，可深入揭示建筑膜材的特性。同时，基于数字散斑相关方法的膜结构检测技术将实现对膜结构施工过程的控制和跟踪，控制预张力的分布及预张力水平；并实现对服役期内膜结构的检测，提高膜结构在正常使用极限状态和承载力极限状态下的可靠性，增强膜结构的健康服役能力。

4 研究意义

4.1 社会效益

长期以来，膜结构的施工过程对于膜面的预张力水平和分布的控制仅仅依靠施工人员的经验。而建成后的膜结构除非发生明显的破损，很难判定其是否处于正常服役状态，这造成许多膜结构在风灾害过后出现大面积的破坏。基于数字散斑相关方法的膜结构检测技术将改变这一局面。首先，通过对膜结构施工过程的检测将改变膜结构的施工过程仅能依靠经验的局面。检测技术的发展将为膜结构的施工过程提供准确的依据。其次，通过对正在服役的膜结构进行检测，及时发现膜面由于应力松弛等原因出现承载力下降的问题，通过补张拉对其进行修复，避免发生破坏，进而减少废弃膜材的出现。基于数字散斑相关方法的膜结构检测技术将为膜结构建筑业的发展提供强大的技术保障。检测技术的进步将提高我国膜结构企业的核心竞争力，因而具有巨大的经济价值。同时这也将为保护生态环境做出贡献。

4.2 技术应用和产业化前景

在世界范围内，膜结构的检测技术是各膜结构企业的核心技术。国外的相关检测技术、仪器均为各企业专用，处于技术保密状态。因而，基于数字散斑相关方法的膜结构检测技术可以大幅度提高我国膜结构设计和施工过程控制的水平。这一技术将迅速地在膜结构企业得到推广，在技术层面上对企业的核心竞争力给予有力的支撑，进而促进膜结构建筑业的产业升级。

[1]钱若军，杨联萍. 张力结构的分析、设计、施工. 南京：东南大学出版社，2003.

[2]Rogier Houtman. Material for membrane structures, Textile Roofs 2001, Technical University Berlin, June 14-16, 2001.

[3]CECS 158:2004[S].膜结构技术规程.北京：中国计划出版社，2004.

[4]孙战金，张其林. 膜材预张力测定技术简述. 第三届全国现代结构工程会议, 工业建筑（增刊），天津:2004, 7. 496-498.

[5]Brian Forster, Marijke Mollaert. European Design Guide for Tensile Surface Structures.Tensinet, 2004.

[6]MSAJ/M-03:2003[S]. Test methods for membrane materials (coated fabrics) - qualities and performances. Membrane structures association of Japan. 2003.

[7]张其林.索和膜结构.上海：同济大学出版社，2002.

[8]王臣.建筑膜材力学特性分析及试验研究[硕士学位论文]. 哈尔滨工业大学，2002.