保障结构质量与安全的数据需求：基于工程大数据的思考（下）

◆李唐振昊 尤建新 / 文

（接上期）

2.2 非结构特性数据

非结构特性数据是与结构本身属性特征无关的数据维度，主要反映外部因素的作用效应。时间、环境、荷载数据、土体条件、偶然事件和施工质量等均可看作外部条件对工程结构的作用，其并不能反映结构自身的特性，因此将此类维度作为非结构特性数据的二级指标。

2.2.1 时间

时间维度不仅体现在传统意义上结构的时变性[50]，还包括时间维度上采用规范、施工技术水平和施工标准的差异。

以混凝土结构为例。结构的长期性能指标是一个随时间变化的复杂变量，是结构在服役期间长期的荷载与环境耦合作用下，结构表现出的具有时变性的功能或特性，一般包括混凝土的收缩徐变、钢筋的蠕变、疲劳累积损伤、耐久性劣化、持续下挠、裂缝发展等[51]，图3为混凝土再生混凝土随时间推移的失效概率[52]。此外，我国在不同时期采用的规范也有所差别。以混凝土结构设计规范为例，该规范在我国大致经历了四个阶段，分别为采用原苏联规范的阶段、自主修订规范的起步阶段、跨越式发展阶段、实施全面与国际研究接轨阶段。不同阶段设计的房屋标准不同，房屋的抗力不同，房屋的质量也有所差别[53]。

图3 再生混凝土随时间推移的失效概率

图4 隧道坍塌后导致上部结构发生沉降

2.2.2 环境

环境维度包括温度、湿度以及环境中离子成分含量等数据。

环境温度的变化会使结构产生内力变化，常见的结构热胀冷缩就是由于内力变化引起应变导致的。如果温度应力不能得到很好的释放，带来的危害是巨大的，结构会在巨大的温度应力之下发生破坏[54]。此外，非结构部位的温度变化也会对结构本身产生危害，例如青藏铁路修建时解决的“冻土问题”[55]，以及2003年上海四号线修建时的隧道坍塌事故。隧道坍塌事故是由于制冷机失效导致的局部土壤冷冻失效、温度升高引起的坍塌[56]，图4为隧道坍塌后导致上部结构发生沉降[57]。湿度同样会对结构的安全与质量构成影响，例如，较为湿润的空气更易造就钢构件的锈蚀[58]。此外，湿润的环境与较大的温差易造成反复冻融现象，将严重影响结构的耐久性[59]。自然环境中的离子含量，也会影响结构的耐久性。例如，海边的结构寿命较短，主要原因是氯离子浓度较高，从而加快钢构件和部件的锈蚀，破坏结构的耐久性[60]。较高浓度的氢离子和氢氧根离子也会加速结构的腐蚀，破环结构的安全性[61]。

2.2.3 土体条件

土与结构的关系密切，其主要作用是承载上部结构的荷载[62]。

土是由固相、液相、气相构成的三相分散系，其力学性质较为复杂。不同土体结构的力学属性可以相差悬殊，这也就造成了其对结构的影响差异性[63]。不仅如此，在受到外界扰动时，不同土体的稳定性也有较大差异，例如砂土液化现象。该现象是砂土在外力或内力作用下，颗粒间丧失了接触压力以及摩擦力，不能有效抵抗剪应力而产生的。砂土液化在地震时可大规模地发生，并对结构造成严重危害[64]。此外，土与结构的相互作用也会对结构造成不同程度的影响[65]。例如在地震作用下，结构桩间土的力学性质必定受到桩的动态扰动影响而发生变化，但是在现行规范中，此类作用并没有得到良好的反映与体现，而这样的相互作用必定会对上部结构的力学响应产生影响，从而影响到结构的安全性[66]。进一步分析，不仅单一结构会产生土与结构的相互作用，建筑群作为整体发生的土与结构相互作用也必然与单一结构有所差异[67]，因此对相应数据的分析也将有利于结构质量与安全的保障。

2.2.4 荷载

荷载是指能够使结构产生效应的各种原因的总称[68]。因为工程结构需要具备抵御外部效应的能力，因此明确作用在结构上的荷载，对于保障结构的质量与安全十分重要。

图5 基于物体检测神经网络模型的识别结果

在工程结构中将荷载分为三类：永久荷载、可变荷载和偶然荷载[69]。永久荷载是指结构在使用期间，其值不随时间的变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计的恒载。根据定义，结构的自重、土压力、预应力等均可看作是永久荷载。可变荷载是指在结构使用期间，其值随时间变化，且其变化与平均值相比不可以忽略不计的荷载。根据定义，楼面活荷载、雪荷载、风荷载、吊车荷载等均可看作是可变荷载。偶然荷载是指不一定出现，但是一旦出现其值很大且持续时间较短的荷载。根据定义，爆炸、撞击、地震作用等产生的荷载均可看作为偶然荷载。利用对荷载数据的收集和处理，可以在设计时期有效保障结构的质量与安全；在使用时期的荷载数据分析，也可以有效给予相应的结构加固策略，有效保障结构使用期间的质量。在现行阶段，民用建筑楼面活载基本按照均布活载处理，分为标准值及其组合值、频遇值和准永久值[70]。这些数值基本上是利用传统的统计学方法得到的。从设计角度讲，能够粗略确保结构质量。而利用大数据手段，确定更为精确的活载分布[71]，可以更好地确定活载计入方式，在设计时期提升结构的质量与安全。图5为基于物体检测神经网络模型的识别结果[71]。

表1 GB/T 50476-2019关于环境类别和名称、腐蚀机理的划分

2.2.5 偶然事件

偶然事件包括极端天气、地震、泥石流、山体滑坡、爆炸、火灾和外部冲击等事件。这些偶然事件带来的可能不仅是偶然荷载，还有可能是对结构的二次损害。

以地震为例。地震带来的不仅是地震力对于结构的直接破坏，还可能引起土壤液化、山体滑坡、土质疏松等现象，从而带来次生灾害[72]。以美国“911”事件为例，飞机冲撞产生的荷载并不会造成结构的倒塌，结构最终倒塌的根因在于飞机燃油燃烧，使得撞击楼层的钢构件强度降低、失稳，上部楼层因此而垮塌并形成较大的冲击荷载，引发下部楼层的连锁反应，最终导致大楼整体垮塌[73]。图6为飞机撞击世贸大厦后起火照片[74]。此外，偶然事件的次生灾害可能也存在人为因素。以冬季暴雪为例，暴雪引起的雪荷载可能会造成结构的意外破坏，同时也会导致道路结冰积雪。而道路结冰积雪的处理方案中，经常会采用撒工业盐的方式降低水的凝固点，使冰雪在低温下也能够融化。但此类工业盐中含有较多的氯离子，氯离子对于结构破坏主要体现在加速钢制构件的锈蚀，从而降低结构质量，构成安全隐患[75]。表1为我国《混凝土结构耐久性设计标准》GB/T 50476-2019 中将结构所处的环境按其对钢筋和混凝土材料腐蚀作用机理的不同所进行的分类，其中描述了在除冰盐环境下，氯离子引起的钢筋锈蚀现象[76]。

图7 保障结构质量与安全的数据需求全景图

2.2.6 施工质量

结构施工时的质量对于结构的耐久性和质量有着至关重要的影响。能否按照设计要求和施工质量管理要求完成相应的工作，将直接影响结构的安全使用。

以建筑结构施工为例。基础部分的施工质量是结构最基本的保障，影响整个结构的承载力。主体结构是整个工程的核心，其施工质量对结构的安全使用至关重要。而非主体结构的施工质量同样重要，例如钢结构施工中，若外部防水和装饰的施工质量较差，就会造成雨水渗透，而渗透的雨水又影响钢部件的防锈蚀表现，从而带来极大的安全隐患[77]。影响施工质量的因素是多方面的，施工者是其中最主要的因素之一，其专业技术水准将直接对施工质量产生影响；机械设备的正常运行是施工质量的根本保障；施工组织管理也是重要因素，合理的施工顺序与调配能够确保施工进度在工期内有序推进，从而保障结构质量以及其使用期间的安全性[78]。

3 结论与展望

通过梳理与分析，本文初步搭建起如图7所示的保障结构质量与安全的数据需求框架，以结构特性数据和非结构特性数据为一级指标，空间、结构形式、结构阻尼、结构刚度、结构质量、结构响应、材料属性、时间、环境、土体条件、荷载、偶然事件和施工质量十三个维度为二级指标，确定了数据需求并分析了每个维度对于结构质量与安全的影响。

依照传统结构设计理论，结构的抗力需要大于外部的效应才能保证结构的质量与安全。现行的规范能够解决结构质量具有“共性”的问题，但是很难逾越“共性”到“个性”的鸿沟。解决结构质量的“个性”问题，可以利用大数据手段，了解每一个结构个体的全维度数据后进行分析。而满足“个性”需求也是人类进步与社会经济发展的必然趋势。因此，工程大数据需求的确立，将有助于确定工程大数据的行业标准，为工程领域梳理数据明确方向，为今后工程大数据应用的顶层设计提供一定的理论依据。

诚然，提出数据需求仅仅是一个开端，如何获取相应的数据并将获取数据结构化、标准化，将成为未来研究的重要课题。在数据的获取层面，可以利用现有的视觉识别技术，得到有效结构的几何尺寸；利用传感器技术，可以获取结构的力学响应数据。但是如何保障获取数据的准确度、确保获取数据的质量是急需解决的问题。此外，传统分析中使用的工程数据多数可视为结构化数据，但仍然存在大量的非结构化数据，如工人的技术水平、管理者的管理能力、工程机械设备的运行状态等。如何将工程非结构化数据合理结构化，也是未来较为棘手的问题。从长远的研究来看，充分利用工程大数据的价值、营造工程大数据生态以及研发工程大数据产品，进一步保障结构的质量与安全，将是研究的重要方向。 （全文续完）