基于红外热像的建筑结构裂缝监测技术及其应用

摘 要：在城市建设飞速发展的今天，建筑结构的安全性问题备受社会关注。其中，裂缝问题作为潜在的安全隐患，传统的人工巡检方法存在效率低、容易遗漏微小裂缝等弊端，若不及时处理，可能危及结构安全。红外热像技术通过无损、实时监测手段，弥补传统巡检的不足，能够及时准确地探测裂缝，有效提高建筑结构的整体安全性。该文详细阐述采用红外热像技术的方法及监测过程，通过实际应用案例展示该技术在不同场景下的有效性和实用性。

关键词：红外热像；建筑结构裂缝；监测技术；建筑安全管理；测试原理

中图分类号：TP391.4 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2024）24-0185-04

Abstract： With the rapid development of urban construction， the safety of building structure has attracted much attention from the society. Among them， the crack problem as a potential security hidden danger， the traditional manual inspection method has some disadvantages such as low efficiency and easy to miss small cracks， if not dealt with in time， it may endanger the safety of the structure. By means of nondestructive and real-time monitoring， infrared thermal imaging technology makes up for the shortcomings of traditional inspection， can detect cracks timely and accurately， and effectively improve the overall safety of the building structure. In this paper， the method and monitoring process of infrared thermal imaging technology are described in detail， and the effectiveness and practicability of this technology in different scenes are demonstrated by practical application cases.

Keywords： infrared thermal imaging; cracks in building structure; monitoring technology; building safety management; test principle

随着城市建设的迅速发展，建筑结构的安全性问题日益成为社会关注的焦点。建筑作为城市的骨架，其结构的稳固与安全直接关系到人们的居住和工作环境。然而，随着时间的推移，建筑结构可能因老化、地基沉降或自然灾害等多种原因而出现裂缝，这些裂缝可能成为潜在的安全隐患。传统的人工巡检方法在裂缝监测中存在着效率低、漏检微小裂缝等问题，因此，寻找一种高效、准确的监测技术成为当前亟需解决的问题。本文关注于一种基于红外热像技术的建筑结构裂缝监测技术，旨在通过引入先进的监测手段，提高裂缝监测的效率和准确性。红外热像技术作为一种无损、实时的监测工具，在裂缝监测领域具有巨大的潜力。本文将深入探讨该技术的原理、方法、应用范围及实际效果，以期为建筑结构裂缝监测领域提供一种创新、可行的解决方案。通过结合红外热像技术的优势，期望能够为建筑安全领域的发展贡献一份力量，确保城市建设的可持续发展和居民的生命财产安全。

1 基于红外热像的建筑结构裂缝监测技术测试原理

1.1 红外热像技术的核心测试原理

新型建筑结构裂缝监测技术的核心测试原理基于先进的红外热像技术，该技术在捕捉建筑表面温度分布方面表现出卓越的性能[1]。红外热像摄像机通过接收物体表面发出的红外辐射，将温度信息转化为热图像，形成直观的温度分布图。裂缝在建筑表面引起的微小温度变化可被红外热像技术高度敏感地捕捉到。通过实时监测建筑结构的红外热像，系统能够以极高的精度迅速定位裂缝的具体位置，并实时评估裂缝的严重程度。这一测试原理不仅高效而且无损，为及时发现潜在的裂缝问题提供了科学而可靠的手段。

1.2 红外热像技术的实时温度记录与微小裂缝检测

通过红外热像技术的应用，监测系统能够对建筑结构表面的温度分布进行实时、连续的记录[2]。当裂缝存在时，其热导率通常会与周围结构不同，导致表面温度出现微小变化。监测系统通过对温度变化的实时监测，可以及时发现异常情况，从而实现对潜在问题的提前预警，为维护和修复提供更多的时间窗口。这一测试原理不仅具备高灵敏度，还能有效克服传统方法在监测微小裂缝方面的困难，为建筑结构的安全性提供了更为可靠的保障。

2 基于红外热像的建筑结构裂缝监测系统构成

系统的核心组件包括红外热像摄像机、数据采集和处理单元、图像分析算法及监测报告生成模块，各自承担着关键的功能。红外热像摄像机是该系统的基础，负责实时捕捉建筑表面的红外辐射数据，具备高灵敏度和分辨率，确保对建筑结构表面温度分布的准确记录。数据采集和处理单元作为信息处理核心，接收、整理、存储红外热像摄像机传输的温度分布数据，通过先进的数据处理算法保证数据的可靠性。图像分析算法作为系统的智能核心，通过对红外图像的精确分析，实现对建筑结构表面裂缝的及时检测，具备实时性和高准确性。监测报告生成模块将图像分析算法得出的监测结果呈现给用户，包括裂缝的位置、严重程度评估及建议和预防措施，为后续的维修和修复工作提供科学依据。引入其他传感器，如加速度计、位移传感器等，与红外热像摄像机数据进行融合。这样可以更全面地监测建筑结构的状态，提供更多维度的信息，有助于更准确地评估结构的健康状况。集成远程监测和控制功能，使用户可以通过云端平台或移动应用实时查看建筑结构状态，接收警报信息，并在必要时进行远程控制，这有助于及时响应潜在问题，减少人工干预的延迟。提供直观的可视化界面，允许用户定制监测报告的显示方式，并生成详细的报告，包括图形和图表，以便更好地理解建筑结构的状态和裂缝情况。这些组件协同工作，实现了对建筑结构裂缝的全面监测和分析，为提高建筑结构的安全性提供了强大的技术支持。红外热像检测仪实物图如图1所示，红外热像技术检仪结构图如图2所示。

3 红外热像技术应用范围

3.1 住宅建筑

基于红外热像的建筑结构裂缝监测技术在建筑工程领域的广泛适用性涵盖了多个建筑结构类型[3]。在住宅建筑中，这项技术适用于各类住宅，从独栋别墅到多层公寓楼，而且通过实时监测，能够及早发现潜在的裂缝问题，为住户提供更加安全的居住环境。除裂缝监测外，红外热像技术还可进行结构健康监测、施工质量监控、耐久性分析与预测、节能与可持续性优化、危害预警与防范及室内舒适度提升。红外热像技术在住宅建筑中不仅为裂缝问题提供解决方案，更为建筑结构的全面监测、维护和提升居住质量提供了全方位的支持。

3.2 商业建筑

红外热像技术在商业建筑中的应用不仅体现在裂缝监测，还涵盖了更广泛的结构监测。商业大厦和购物中心等高频使用场所的结构安全对于公共安全至关重要。红外热像技术通过实时监测建筑结构的热分布，能够及早发现潜在的问题，如梁柱连接处的热差异、墙体变形等。这种监测能力为商业场所的结构稳固提供了及时有效的保障，有助于预防和解决潜在的结构问题，确保商业活动在一个安全可靠的环境中进行。通过红外热像技术，建筑管理员和维护人员可以定期进行结构监测，以确保建筑物的整体健康状况。这种及时地监测和干预有助于预防潜在的结构损坏或故障，减少维修成本和维修时间，提高商业建筑的使用寿命和可靠性。红外热像技术还可以在建筑物的能效管理方面发挥作用。通过监测建筑物的热损失和能量消耗情况，可以识别和解决能源浪费问题，优化建筑物的能源利用效率，降低能源成本，实现可持续发展的目标。

3.3 交通设施

红外热像技术在桥梁和隧道的应用，为交通基础设施的安全性和可靠性提供了重要的保障。桥梁和隧道作为交通运输的关键组成部分，承载着大量的车辆和行人流量。因此，其结构的安全性对于交通运输的畅通至关重要。红外热像技术通过实时监测桥梁和隧道的结构，可以及时检测到裂缝、变形等问题的迹象。这种早期预警系统能够帮助工程师和维护人员快速识别并采取必要的维修措施，防止潜在的结构风险，确保交通基础设施的可靠性和安全性。应用红外热像技术进行裂缝监测，不仅能够延长桥梁和隧道的使用寿命，还能够避免潜在的交通中断和事故发生。通过及时发现并处理结构问题，可以减少维修成本和维修时间，提高基础设施的整体效率和可持续性。此外，红外热像技术还可以与其他监测技术结合使用，如激光测距仪、振动传感器等，进一步提高监测的准确性和效率。这种综合监测系统可以为城市交通运输系统的稳定运行提供全面的支持，确保公众的出行安全和便利。因此，红外热像技术在桥梁和隧道领域的应用具有重要意义，为交通基础设施的健康发展和城市交通运输的畅通起到了积极的作用。

3.4 工业设施

工业设施由于常常受到复杂的工艺和环境条件的影响，对结构安全的监测显得尤为重要。红外热像技术在工业设施中的应用不仅仅局限于裂缝监测，其非接触式的特性使其成为理想的监测工具。在高温、高压、腐蚀等极端环境下，红外热像技术可以安全、高效地进行结构健康监测，无须直接接触设施表面，避免了传统监测方法可能带来的安全风险。工业设施通常包括各类管道、储罐、设备等复杂结构，通过红外热像技术，可以实时监测这些结构的温度分布和变化。这不仅有助于发现可能的裂缝问题，还能在早期识别设备过热、管道漏损等异常情况，提前预警潜在的故障风险，确保工业设施的长期稳定运行。此外，红外热像技术也在工业设施的能效管理中发挥着重要作用。通过监测设施内部的热分布，可以识别能耗较高的区域，为工业设施提供节能改进的方向。这有助于降低能源成本，提高设施的能源利用效率，同时对环保目标的实现起到了积极的推动作用。因此，红外热像技术在工业设施中的广泛应用，不仅确保了结构的安全性，还提供了全面的设施监测和维护方案，为工业设施运营的可靠性和效率提供了有力支持。

3.5 历史文化建筑

历史文化建筑在结构监测方面常常面临传统破坏性方法带来的困扰，因为这些方法可能对珍贵的文物构件产生不可逆的损害。在这一背景下，基于红外热像的裂缝监测技术成为一种非侵入性的、不损害建筑结构的理想选择。这种技术可以在不触及文物实体的前提下，通过对表面温度的实时监测，全面评估建筑结构的安全性，从而保护历史文化建筑的完整性和可持续性。对于历史文化建筑而言，红外热像技术的应用不仅局限于裂缝监测，还包括结构健康状况的全面评估。通过捕捉建筑表面的温度变化，可以及早发现潜在的结构问题，如潜在的裂缝、湿度问题等，为文物保护提供及时的干预和修复措施。在文物修复和保护方面，红外热像技术也能够在保留建筑原始风貌的同时进行结构分析。通过对文物表面温度的监测，可以更全面地了解建筑结构的稳定性和健康状况，有助于修复工程的精准规划和实施，最大程度地保留历史文化建筑的原貌。这些应用场景表明，基于红外热像的建筑结构裂缝监测技术具有极大的灵活性和通用性，不仅为历史文化建筑的结构安全提供了可靠的监测手段，同时在文物保护和修复工作中具有独特的价值。

4 红外热像技术使用注意事项

4.1 红外热像摄像机进行定期的校准和维护

在充分利用基于红外热像的建筑结构裂缝监测技术时，需谨慎遵循一系列关键的注意事项以确保监测的准确性和系统的可靠性。首先，对红外热像摄像机进行定期的校准和维护是至关重要的。确保摄像机的正常工作状态，才能保证所采集的温度数据具备高度的准确性。这包括定期检查传感器的灵敏度、校准图像质量，以及及时更新设备软件。定期的校准工作可确保红外热像摄像机对温度变化的响应是准确可靠的。由于环境因素和设备老化等原因，摄像机的灵敏度可能发生变化，因此需要通过专业的校准程序进行调整。此外，校准图像的质量直接影响监测结果的精确性，因此在维护过程中需要检查图像的清晰度和精度，确保摄像机能够准确捕捉建筑结构的温度变化。及时更新设备软件也是确保系统稳定性和安全性的关键步骤。制造商通常会提供软件更新，以修复潜在的bug、增强功能，并提高设备的性能。在红外热像技术不断发展的环境下，及时更新软件可以确保系统跟上最新的技术趋势，从而更好地适应各类监测场景。

4.2 综合考虑建筑表面材料的特性

建筑表面材料的特性对监测结果有着直接的影响，因此需要在监测过程中进行全面的综合考虑。不同的建筑表面材料可能具有不同的热导率，这会直接影响红外辐射的传播和表面温度的变化，从而对监测的准确性产生影响。在分析算法的设计中，应充分考虑建筑表面材料的热学性质，对不同材料进行适当的调整，以确保监测结果的精准性。不同的建筑表面材料具有不同的反射和吸收特性，在监测过程中应当对这些特性进行详细的了解。一些材料可能更容易吸收热量，导致表面温度的变化更为显著，而另一些材料可能会反射辐射，影响温度数据的准确性。因此，在设计监测算法时，需要根据建筑表面的材料特性进行差异化处理，以确保最终监测结果更为准确和可信。此外，建筑在不同季节和时间段受到的阳光辐射也会有所不同，同样需要考虑在内。阳光直接照射在建筑表面可能导致局部温度升高，而在阴影部分则可能出现温度相对较低的情况。因此，在红外热像监测中，必须充分考虑太阳辐射的变化，结合建筑的表面材料特性，进行合理的数据解析和校正，以维持监测结果的稳定性和可靠性。综合考虑这些注意事项，可以最大程度地提高基于红外热像的裂缝监测技术的实用性和可靠性。通过精心的设备维护和算法调整，确保系统能够稳定、准确地运行，有效应对各种复杂环境条件，为建筑结构的安全提供持续可信的监测保障。

5 红外热像技术应用案例

新型建筑结构裂缝监测技术已在多个建筑工程项目中成功落地，其中一个显著的应用案例是对一座高层办公楼的监测[4]。通过该技术，监测系统及时捕捉到建筑结构中的微小裂缝，迅速、准确地定位了裂缝的位置并评估了其严重程度。这一关键信息的迅速获取，使得工程团队得以在裂缝进一步扩大之前采取及时的修复措施，避免了潜在的结构安全隐患。在该高层办公楼的案例中，新型监测技术的成功应用为维护工程提供了科学的依据。通过实时监测微小裂缝，工程团队得以采取精准的维护措施，防止裂缝扩大演变成更严重的结构问题。这不仅在保障建筑结构安全方面取得了显著成果，还在工程管理中取得了实质性的优势。这一成功的应用案例还具有经济效益方面的重要意义。通过及时采取修复措施，避免了潜在的结构问题进一步恶化，减轻了后续修复工程的复杂性和成本。不仅有效降低了维护费用，而且保障了办公楼的长期可靠运行，为业主提供了可靠的投资保障。案例充分展示了基于红外热像的建筑结构裂缝监测技术在实际工程中的实用性和重要性。通过在实际项目中的成功应用，该技术为建筑行业提供了一种先进而可靠的解决方案，为未来的建筑监测和维护工程提供了有益的借鉴。

6 创新点和亮点

裂缝问题作为一种潜在的安全隐患，传统的人工巡检方法存在效率低、漏检微小裂缝等问题，因此急需一种更为高效和准确的监测技术。本文聚焦于红外热像技术，该技术在捕捉建筑表面温度分布方面表现出卓越性能。通过详细介绍该技术的测试原理、系统架构、应用案例，强调了其在裂缝监测中的独特优势。文中通过一个高层办公楼的监测案例，展示了该技术在实际工程中的成功应用。及时捕捉到微小裂缝的关键信息，为工程团队提供了修复的科学依据，减轻了后续维护工程的复杂性和成本。

7 结束语

本文详细阐述了基于红外热像的建筑结构裂缝监测技术，强调了其在裂缝监测中的创新性和实用性。通过充分利用红外热像技术，实现了对建筑结构裂缝的高效监测，为工程安全管理提供了新的解决方案，有望在未来建筑工程领域得到更广泛的应用。

参考文献：

[1] 丁泽霖，王祥宇，徐良杰，等.红外热成像技术在地质力学模型试验中的应用研究[J].水利学报，2023，54（9）：1047-1057，1069.

[2] 苗飞.无损检测在建筑结构工程质量检测中的应用[J].居舍，2023（19）：153-155.

[3] 刘宇飞，樊健生，聂建国，等.结构表面裂缝数字图像法识别研究综述与前景展望[J].土木工程学报，2021，54（6）：79-98.

[4] 赵士怀，黄夏东，李光旭，等.高层建筑大体积砼结构温度裂缝控制技术[J].福建建筑，1997（4）：37-39.