■ 殷惠君 Yin Huijun

0 研究背景

膜結構自誕生至今只有50年左右的時間，但它以豐富多變的建筑造型、輕盈通透的結構特性迅速發(fā)展成為大跨度空間結構領域重要的組成部分。

膜結構的發(fā)展與膜材料的研發(fā)與應用密不可分，每一次新型膜材的開發(fā)與應用都極大地促進了膜結構的發(fā)展。目前國內(nèi)外應用的建筑膜材主要包括涂層織物類膜材（PVC和PTFE膜材）和熱塑化合物類膜材（ETFE膜材）兩大類[1、2]。

膜材作為建筑的覆面材料，通常直接暴露于外部大氣環(huán)境中。在日光照射、溫度變化、雨水沖刷以及塵埃侵蝕等自然環(huán)境的作用下，膜材的外觀顏色、光亮度以及強度等隨著時間的變化都會逐漸退化[3]。由此造成膜結構的局部缺陷、褶皺、破損乃至整體失穩(wěn)的事故已成為阻礙膜結構繼續(xù)發(fā)展的重大障礙。出現(xiàn)破損的膜結構不僅影響美觀，而且更換下來的膜材由于自身不能自然降解的特性必然對環(huán)境造成污染。隨著膜結構的大量涌現(xiàn)，這一問題日益突出。因此，發(fā)展針對建筑膜材和膜結構的檢測技術，提高膜材的更換周期，增加膜結構在正常使用極限狀態(tài)和承載力極限狀態(tài)下的可靠性已經(jīng)成為刻不容緩的課題。

1 膜結構檢測方法

1.1 數(shù)字散斑相關方法

與傳統(tǒng)光學測量技術相比，數(shù)字散斑相關方法具有光路簡單、要求測量環(huán)境簡單、可以在野外應用等優(yōu)點。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紋理，在測量范圍上可自由變化，僅與照相機像素及視場大小有關，對大變形的測量尤為有利。數(shù)字散斑相關方法的測量靈敏度一般可達0.01～0.05像素所代表的大小。由于相關方法是對兩幅記錄的圖像進行直接的相關處理，借助高速視頻記錄或高速攝影系統(tǒng)可以實現(xiàn)動態(tài)測量。

1.2 膜結構的檢測內(nèi)容

針對膜結構的檢測內(nèi)容可以分為兩大類，包括建筑膜材的材料性能檢測和膜結構施工過程中及正常使用極限狀態(tài)下的預張力檢測。

1.2.1 建筑膜材的材料性能檢測

建筑膜材的材料性能檢測包括以下三方面內(nèi)容：

(1)建筑膜材的基本特性研究，包括材料非線性、非彈性、各向異性以及黏彈性四大基本力學特性。

(2)建筑膜材的強度指標，主要指建筑膜材的抗拉強度和撕裂強度兩大基本強度指標，這是膜結構設計和施工的基本依據(jù)。

根據(jù)以上規(guī)劃意見，供熱系統(tǒng)應根據(jù)國家及當?shù)氐恼?，遵循?jié)能、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展等原則，并通過經(jīng)濟技術比較，充分利用廢熱，如污水等低品位熱能，將其開發(fā)利用，利用于民用采暖中，從而實現(xiàn)物盡其用，節(jié)能環(huán)保的效果。

(3)建筑膜材的工程常數(shù)，主要包括彈性模量、泊松比、剪切模量等內(nèi)容。

以上材料性能的檢測設備主要為單軸拉伸試驗機和雙軸拉伸試驗機（圖1、2）。在以上試驗過程中，利用數(shù)字散斑相關方法可以監(jiān)控加載過程中膜面的應力、應變的分布和發(fā)展規(guī)律，更全面地監(jiān)控試驗發(fā)展的全過程，這對認識建筑膜材的力學性能和破壞機理非常必要。

1.2.2 膜結構施工過程中及正常使用極限狀態(tài)下的預張力檢測

膜結構施工過程中及正常使用極限狀態(tài)下的預張力檢測是屬于膜結構特有的檢測內(nèi)容。膜材屬于柔性材料，只能承受拉力而不能受壓或受彎，只有在被施加了一定水平的預張力后才具備所需的結構剛度。當外荷載產(chǎn)生的壓應力超過結構的預張應力時，膜結構將發(fā)生局部屈曲，即產(chǎn)生褶皺。即使在考慮恒荷載、風荷載和預張力的組合下，膜面的褶皺面積也不允許超過10%[6]。而由于外荷載造成的膜材達到極限抗拉強度而破壞的情況較為少見，因而膜面預張力的大小和分布是膜結構施工和檢測的控制性指標。

膜結構膜面張力測量屬于無損檢測的范疇。國外曾提出過聲波法、拉曼光譜測試法、振動測試法和位移測試法等測量方法[7、8]。但是普遍存在測量精度不高，操作不方便的缺點，而且國外相關技術、儀器均為各企業(yè)專用，不對外提供技術服務，處于技術保密狀態(tài)。

數(shù)字散斑相關方法在這一領域擁有較大的優(yōu)勢，因為其檢測過程為實時、非接觸檢測，且其測量范圍可以是一個區(qū)域而非單一的點，在一定條件下甚至可以進行膜面的全場檢測——不僅可以檢測預張力的大小，還可以檢測預張力分布的不均勻性。因此，數(shù)字散斑相關方法的檢測技術對膜結構的施工和維護具有重要意義。

目前，國內(nèi)外的檢測技術尚未能完全解決膜結構的施工及正常使用極限狀態(tài)下的檢測問題，數(shù)字散斑相關方法為解決這一難題提供了很好的途徑?；跀?shù)字散斑相關方法的膜結構檢測技術將實現(xiàn)對膜結構施工過程進行檢測，控制預張力的分布及預張力水平；實現(xiàn)對服役期內(nèi)膜結構的檢測，提高膜結構在正常使用極限狀態(tài)和承載力極限狀態(tài)下的可靠性，增強膜結構的健康服役能力。這將有力促進膜結構建筑業(yè)的健康發(fā)展，同時對于保護生態(tài)環(huán)境大有裨益。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

國際上，對于建筑膜材檢測技術的研究起步于上世紀80年代。其中，德國、日本等在膜結構領域處于領先水平的國家已經(jīng)開展了大量的研究工作。德國的Rain Blum 實驗室是歐洲最大規(guī)模的膜材料力學性能研究室，建立了膜材料在抗拉強度、撕裂強度、剝離強度等強度指標以及通過雙軸拉伸試驗確定膜材料彈性模量、泊松比、剪切模量等工程常數(shù)的統(tǒng)一的試驗方法，并已被Tensinet等行業(yè)組織采納。日本也相繼在1993、1995和2003年制定了統(tǒng)一的膜材料性能的試驗標準。試驗范圍包括了強度指標、工程常數(shù)的測試以及蠕變、應力松弛、耐折、高低溫、防水、耐候等長期工作狀態(tài)下的性能測試。在國內(nèi)，同濟大學、哈爾濱工業(yè)大學、東華大學、上海交大等高校已經(jīng)開始在膜材料、膜結構單元力學性能領域開展研究工作；由同濟大學張其林教授主持編寫的上海市工程建設規(guī)范《膜結構檢測技術規(guī)程》已經(jīng)出版。這使得對膜材的力學性能以及膜結構的預應力水平進行檢測成為可能。

但是，膜結構的檢測技術尚處于探索階段，存在不同程度的缺陷，針對膜結構施工過程和正常使用極限狀態(tài)的實用檢測技術尚未出現(xiàn)。因而利用數(shù)字散斑相關方法進行非接觸的實時檢測必將成為未來的發(fā)展趨勢。

3 主要研究開發(fā)內(nèi)容、技術關鍵及主要創(chuàng)新點

3.1 主要研究開發(fā)內(nèi)容

3.1.1 數(shù)字散斑相關方法的原理

數(shù)字散斑相關方法測量的基本問題是相關兩個散斑場，即變形前的參考場和變形后的變形場，在一個空間坐標系x，y，z中，被測物體上一點P的坐標為x，y，z，而變形后的坐標為x’，y’，z’，其關系可以寫作：x’=x+u，y’=y+v，z’=z+w，其中，u，v，w稱為位移分量。

在實際測量中，以平面方式記錄散斑場。在變形前，物體表面的灰度場為P(x，y)；變形后，物體表面的灰度場為P(x+u，y+v)，如圖4所示。于是問題變成考慮兩個灰度場的相關來測量u和v。根據(jù)圍繞P點的位移函數(shù)的線性泰勒展開式可以推導變形場位移與應變的關系。在實際應用時不難發(fā)現(xiàn)，位移偏導數(shù)在數(shù)量級上比位移小很多，因此在相關運算時采用的策略是只求位移，隨后用位移場導出應變場。

3.1.2 相關運算

在數(shù)字散斑相關方法中，相關運算是其中的關鍵。相關運算，是尋求圖像間最佳匹配的運算。它可以在圖像空域上進行，稱為空域相關運算；也可以在頻域進行，稱為頻域相關運算。由于空域相關運算往往可以得到比頻域相關運算較高的精度，所以，本項目主要研究空域相關運算。

對相關運算有兩個要求：一是精度，二是時間（即復雜程度）。這兩個因素一般是矛盾的。如何提高計算精度和減少計算時間，是數(shù)字散斑相關方法研究中的重點。本項目采用灰度梯度迭代算法(Iterative and gray-gradient algorithm，IGGA)進行平面內(nèi)的相關運算。這種算法不僅減少了計算量，同時當測量較為復雜的非剛體位移時，灰度梯度算法與傳統(tǒng)方法相比具有更高和更穩(wěn)定的精度，這是數(shù)字散斑相關方法應用于工程測量的基礎。

3.1.3 基于有限元與廣義交互驗證方法的位移場光滑技術

對膜面變形的測量主要關注應變場，而相關技術只能得到位移場，因而位移場的小誤差將導致應變場的不可信。散斑圖像總是會受到一定程度的噪聲干擾，當噪聲水平足夠高時，位移數(shù)據(jù)的準確性就會受到影響，從而影響應變數(shù)據(jù)的準確性。為此，對離散的位移數(shù)據(jù)進行光滑，去除或減少噪聲影響是十分必要的。力學計算中的有限元法是一種很好的位移場平滑技術。本項目在有限元光滑技術(FEM Smoothing technique)的基礎上，引入二維廣義交互驗證方法(2D Generalized cross validation, 2D GCV)，直接計算光滑參數(shù)，避免了對于光滑參數(shù)的經(jīng)驗估計或煩瑣的間接計算，提高了測量系統(tǒng)的自動化能力。與一般方法相比，這種位移場的光滑方法可以明顯地去除噪聲并較大地提高應變測量精度，滿足科研及工程測試要求。

3.1.4 三維數(shù)字散斑相關方法

二維數(shù)字散斑相關方法很好地解決了膜結構面內(nèi)位移場和應變場的測量，可以勝任建筑膜材的材料性能檢測和一般的膜結構工程的實地檢測。但如果要實現(xiàn)對膜結構工程的整體施工檢測和膜面預張力分布的全場檢測，就必須進行三維觀測。

將立體攝影（雙目立體視覺原理）和數(shù)字圖像相關技術相結合可以測量三維位移場。三維數(shù)字相關位移測量的基本原理是從兩個CCD(Charge-coupled Device)攝像機拍攝的平面圖像得到測量點對應平面圖像的像素坐標，然后根據(jù)CCD攝像機與空間坐標的關系得到測量點的空間坐標，位移前后的空間坐標差就是所求位移量。三維位移測量有兩個關鍵技術需要解決：①從兩個CCD攝像機拍攝的平面圖像得到測量點對應平面圖像的像素坐標；②CCD與空間坐標的關系。

其中，第一個關鍵技術就是平面圖像的匹配問題，可以采用二維數(shù)字散斑相關方法解決，而第二個問題就是攝像機的標定問題。首先利用兩個CCD攝像機在空間兩個不同位置拍攝物體表面在變形前后同一區(qū)域的四幅散斑圖像。有了同一載荷狀態(tài)下的兩個攝像機拍攝的同一物點的兩個坐標，就可以根據(jù)坐標關系找出物體上這一點的兩個世界坐標(world coordinate system)值，這兩個世界坐標值的差值就是位移。由此類推，可以得到被測物體的三維坐標和三維位移場。

3.1.5 建筑膜材的性能檢測與膜結構的實地檢測

通過數(shù)字散斑相關方法配合單軸、雙軸拉伸試驗機對建筑膜材的基本特性、強度指標和工程常數(shù)進行檢測。尤其在建筑膜材的材料非線性、非彈性、各向異性以及黏彈性這四大基本力學特性的研究中，數(shù)字散斑相關方法可以發(fā)揮它實時、非接觸以及全場觀測的特點，有助于揭示建筑膜材的特性。通過三維數(shù)字散斑相關方法對實際膜結構工程的施工過程進行檢測，實現(xiàn)對膜結構施工過程的控制和跟蹤，有利于提高膜面的預應力分布均勻程度，與設計的預應力水平相吻合。同時，對已有膜結構的正常使用極限狀態(tài)進行實地檢測，及時發(fā)現(xiàn)膜面由于應力松弛等原因出現(xiàn)承載力下降的問題，增加膜結構的健康服役能力。

3.2 技術關鍵與創(chuàng)新點

本研究的技術關鍵在于灰度梯度迭代算法，基于有限元與廣義交互驗證方法的位移場光滑技術，以及三維數(shù)字散斑相關方法。

目前，膜結構的設計理論已經(jīng)開始考慮膜材本身的各項異性，考慮膜材的材料性能對于膜結構的影響。但是檢測技術的落后嚴重制約了各項新技術在膜結構領域的應用。

本研究的創(chuàng)新之處在于通過數(shù)字散斑相關方法解決了困擾設計與施工人員的膜結構檢測問題。利用數(shù)字散斑相關方法實時、非接觸和全場觀測的特點，可深入揭示建筑膜材的特性。同時，基于數(shù)字散斑相關方法的膜結構檢測技術將實現(xiàn)對膜結構施工過程的控制和跟蹤，控制預張力的分布及預張力水平；并實現(xiàn)對服役期內(nèi)膜結構的檢測，提高膜結構在正常使用極限狀態(tài)和承載力極限狀態(tài)下的可靠性，增強膜結構的健康服役能力。

4 研究意義

4.1 社會效益

長期以來，膜結構的施工過程對于膜面的預張力水平和分布的控制僅僅依靠施工人員的經(jīng)驗。而建成后的膜結構除非發(fā)生明顯的破損，很難判定其是否處于正常服役狀態(tài)，這造成許多膜結構在風災害過后出現(xiàn)大面積的破壞?；跀?shù)字散斑相關方法的膜結構檢測技術將改變這一局面。首先，通過對膜結構施工過程的檢測將改變膜結構的施工過程僅能依靠經(jīng)驗的局面。檢測技術的發(fā)展將為膜結構的施工過程提供準確的依據(jù)。其次，通過對正在服役的膜結構進行檢測，及時發(fā)現(xiàn)膜面由于應力松弛等原因出現(xiàn)承載力下降的問題，通過補張拉對其進行修復，避免發(fā)生破壞，進而減少廢棄膜材的出現(xiàn)?；跀?shù)字散斑相關方法的膜結構檢測技術將為膜結構建筑業(yè)的發(fā)展提供強大的技術保障。檢測技術的進步將提高我國膜結構企業(yè)的核心競爭力，因而具有巨大的經(jīng)濟價值。同時這也將為保護生態(tài)環(huán)境做出貢獻。

4.2 技術應用和產(chǎn)業(yè)化前景

在世界范圍內(nèi)，膜結構的檢測技術是各膜結構企業(yè)的核心技術。國外的相關檢測技術、儀器均為各企業(yè)專用，處于技術保密狀態(tài)。因而，基于數(shù)字散斑相關方法的膜結構檢測技術可以大幅度提高我國膜結構設計和施工過程控制的水平。這一技術將迅速地在膜結構企業(yè)得到推廣，在技術層面上對企業(yè)的核心競爭力給予有力的支撐，進而促進膜結構建筑業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級。

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