葉玉

（西安醫(yī)學(xué)院陜西西安710021）

超高層建筑健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

葉玉

（西安醫(yī)學(xué)院陜西西安710021）

針對在超大型施工建設(shè)中存在的安全問題，文章提出結(jié)合超高層施工建設(shè)的特點(diǎn)，根據(jù)施工仿真和有限元分析，從而構(gòu)建三維有限元模型，并根據(jù)模型得出各施工段結(jié)構(gòu)的變形情況，為制定合理的溫度、應(yīng)力測點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化布局。運(yùn)用Labview平臺和C語言對施工監(jiān)測軟件系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，并采用無線分散傳輸技術(shù)解決施工現(xiàn)場的通信問題，以此通過超高層監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建，為超高層建筑的施工提供安全保障。

仿真；有限元分析；測點(diǎn)布局；C語言；無線傳輸

健康監(jiān)測作為一門多學(xué)科融合的交叉學(xué)科，隨著社會的發(fā)展和科技的進(jìn)步，被廣泛的應(yīng)用在各個(gè)不同的領(lǐng)域。在上世紀(jì)50～60年代，因國際大型橋梁事故頻發(fā)，橋梁健康監(jiān)測開始被引入橋梁領(lǐng)域。同時(shí)隨著高性能傳感器和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，評估模型改正，安全評定方法的完善，監(jiān)測技術(shù)也有著顯著的提升，并被逐步應(yīng)用在海洋平臺、超高層建筑領(lǐng)域中。針對超限、大型的建筑結(jié)構(gòu)，施工期間其形狀、特性等物理特性也在不斷的改變，因此，做好必要的施工力學(xué)分析，真實(shí)反映在建項(xiàng)目施工過程中的結(jié)構(gòu)變化，是做好超高層建筑健康監(jiān)測設(shè)計(jì)的現(xiàn)實(shí)意義。對此，文中以某超高層建筑作為背景，在施工期間其結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件應(yīng)力、豎向位移、溫度作為監(jiān)測內(nèi)容，并對超高層建筑監(jiān)測系統(tǒng)中傳感器的布點(diǎn)和軟件系統(tǒng)開發(fā)進(jìn)行了深入探討。

1　系統(tǒng)組成及監(jiān)測內(nèi)容

文中以湖南長沙某超高層建筑為例，高441米，總共120層，對其施工過程進(jìn)行監(jiān)控。文中將系統(tǒng)分為人工監(jiān)測和在線監(jiān)測兩個(gè)部分，其中的豎向位移為人工監(jiān)測，包括對測量標(biāo)記點(diǎn)、測量儀器；應(yīng)力、溫度等則屬于在線監(jiān)控。因此，該系統(tǒng)的的組成則包括傳感器布點(diǎn)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理和分析系統(tǒng)3個(gè)部分組成。

2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

2.1易操作性與可管理性

對該系統(tǒng)的布局首先應(yīng)滿足易操作和容易管理，從而方便現(xiàn)場的工作人員對該系統(tǒng)進(jìn)行使用，避免因系統(tǒng)的復(fù)雜導(dǎo)致出現(xiàn)失誤。

2.2可靠性

施工現(xiàn)場其存在環(huán)境復(fù)雜、施工周期長等特點(diǎn)，因此該系統(tǒng)應(yīng)耐用和可靠，從而保證該系統(tǒng)正常功能，保障監(jiān)測目標(biāo)的完成。

2.3先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)性

保障系統(tǒng)的可靠、穩(wěn)定運(yùn)行，對監(jiān)測系統(tǒng)中采集、傳輸?shù)葢?yīng)采用當(dāng)前比較前沿的技術(shù)，并在保障設(shè)備先進(jìn)的基礎(chǔ)上，選用性價(jià)比比較高的監(jiān)測設(shè)備，以此實(shí)現(xiàn)功能和價(jià)格的和諧統(tǒng)一。

2.4可擴(kuò)展性

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是基于施工中可能遇到的情況進(jìn)行監(jiān)測，但是超高層建筑的施工中具有極大的復(fù)雜性，因此，對該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)則要求不同的功能模塊其功能關(guān)聯(lián)并相互獨(dú)立，從而在不影響整體功能的情況下，可對系統(tǒng)進(jìn)行功能的擴(kuò)展，滿足建筑施工的需要。

3　系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

該健康監(jiān)測系統(tǒng)是以超高層施工結(jié)構(gòu)監(jiān)測為根本，集合數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸、傳感器、軟件開發(fā)等一體的交叉系統(tǒng)，通過傳感器對施工高層建筑在應(yīng)力、溫度和豎向位移方面的數(shù)據(jù)采集，通過實(shí)時(shí)傳輸將數(shù)據(jù)傳送給后臺，通過后臺軟件實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的處理、分析和評估，從而最大限度的保障超高層建筑在施工中和施工后的結(jié)果安全，延長建筑的使用壽命，該健康監(jiān)測系統(tǒng)的整體框架如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)整體架構(gòu)Fig.1Overall system architecture

通過圖1整體框架設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)分為3個(gè)不同的系統(tǒng)。其中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括傳感器模塊、數(shù)據(jù)采集與傳輸、數(shù)據(jù)處理與控制3個(gè)子系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集、傳輸?shù)阶詈蟮姆治隹刂?；中心?shù)據(jù)庫系統(tǒng)則主要完成對整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的存儲、查詢、打印等功能；軟件系統(tǒng)則主要包括自動化采集、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)據(jù)管理查詢和安全評定等集成功能。

4　傳感器布點(diǎn)方案

傳統(tǒng)施工分析是建立高層建筑結(jié)構(gòu)模型，通過分階段的對其施加荷載，最后將各個(gè)不同階段的荷載進(jìn)行相加，以此得出分析的結(jié)果。這種分析其某種程度上為考慮施工階段給上部的結(jié)構(gòu)所帶來的影響，從而使得其產(chǎn)生較大的誤差。對此，本文針對上述的問題采用Midas軟件對整個(gè)建筑進(jìn)行仿真分析。該軟件利用單元生死的功能，將施工部分和未施工部分分開，對施工的部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)激活，而未施工的部分則進(jìn)行鈍化。對此，其具體的步驟為：首先建立整體的施工仿真模型；其次對已施工階段部分進(jìn)行分析；再次，程序自動將前面施工階段的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行累加到當(dāng)前施工階段的結(jié)果當(dāng)中，從而更為逼真的對施工過程中的工況進(jìn)行模擬。文中選取構(gòu)件豎向變形、混凝土收縮與徐變、構(gòu)件應(yīng)力等進(jìn)行仿真。如圖2為巨柱豎向變形仿真分析結(jié)果。

圖2　巨柱豎向變形Fig.2The giant column of vertical deformation

通過采用Midas軟件對系統(tǒng)進(jìn)行的分析，可得到施工階段的結(jié)構(gòu)變化，從而為傳感器的布點(diǎn)提供參考。從理論上講，對傳感器的布點(diǎn)不是越多越好，而是在布局的同時(shí)還應(yīng)考慮整體的經(jīng)濟(jì)效益。結(jié)合上述的仿真分析，本文對測點(diǎn)的布控應(yīng)遵守以下的原則：第一，對結(jié)構(gòu)整體的變化進(jìn)行完整描述；第二，布局點(diǎn)搜集的信息對結(jié)構(gòu)變化足夠敏感；第三，在滿足上述兩條件的時(shí)候，傳感器的布局應(yīng)盡量少。同時(shí)考慮到超高層建筑結(jié)構(gòu)施工中有多個(gè)不同的加強(qiáng)層，在不同加強(qiáng)層鄰近區(qū)域內(nèi)，建筑結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度存在高度方向的不平衡性，剛度的變化會使得內(nèi)部應(yīng)力發(fā)生變化。因此，本文研究的超高層建筑傳感器布點(diǎn)方案與應(yīng)力布控點(diǎn)（1層為例）如表1和圖3所示。

表1　測點(diǎn)統(tǒng)計(jì)Tab.1Measuring point statistics

圖3　1層巨柱應(yīng)變測點(diǎn)布設(shè)Fig.31 layers pillars laid strain measurement points

豎向構(gòu)件布點(diǎn)采用對稱的方式，在16根巨柱中沿著對稱的方向分別布置4個(gè)測點(diǎn)，總共為12個(gè)測點(diǎn)。

5　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采集系統(tǒng)包括采集箱、采集卡和支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)備等，該部分也是模擬信號、信號調(diào)理和數(shù)字信號進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)，其硬件設(shè)備的選擇對保障系統(tǒng)的運(yùn)行至關(guān)重要。因此，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和選型應(yīng)遵守以下的原則：

1）傳感器的選擇為電信號傳感器，盡量選擇當(dāng)前技術(shù)先進(jìn)的傳感器，從而保障數(shù)據(jù)采集的靈敏度［7］，并盡量選擇同型號的傳感器，以保證系統(tǒng)兼容性。

2）對系統(tǒng)的采樣頻率，其中的溫度和應(yīng)力隨著時(shí)間的變化比較緩慢，因此，選擇較低的采樣頻率即可滿足要求。

3）對搜集到信號需要進(jìn)行調(diào)理，去除其中的噪音、濾波等，以此保證搜集都的信號為高信噪比信號。

針對上述的要求，文中選擇CR1000采集儀作為現(xiàn)場數(shù)據(jù)測量的主要設(shè)備，選用AVW200彈動式轉(zhuǎn)換模組與CEM416擴(kuò)展模組實(shí)現(xiàn)圖3中的電阻應(yīng)變片和振弦應(yīng)變計(jì)的數(shù)據(jù)集成和采集，并選用RT-AC87U作為無線傳輸設(shè)備，具體見圖4。

圖4　硬件系統(tǒng)選型Fig.4Hard ware system types

6　監(jiān)測軟件開發(fā)

軟件系統(tǒng)包括實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的、數(shù)據(jù)查詢、結(jié)構(gòu)安全預(yù)警與評估等，從而實(shí)現(xiàn)對施工期間結(jié)構(gòu)變化的動態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控。文中采用Labview軟件系統(tǒng)監(jiān)測軟件進(jìn)行開發(fā)［8］，通過開發(fā)平臺中的amplitude and level measurements節(jié)點(diǎn)及其示波功能從而實(shí)現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、顯示。通過數(shù)據(jù)變化曲線對建筑結(jié)構(gòu)安全性能進(jìn)行評估；通過其中的結(jié)構(gòu)安全預(yù)警模塊實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)預(yù)警，以便現(xiàn)場工作人員采取相關(guān)的措施。

7　結(jié)束語

通過系統(tǒng)的構(gòu)建和對施工結(jié)構(gòu)的檢測，核心筒總豎向位移為156.01 mm，巨型柱的總豎向位移則為152.85 mm。加強(qiáng)層位移大于普通層，最大值分別為3.31 mm，2.92 mm。

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The design and implementation of high-rising structure health monitoring system

YE Yu
（Xi'an Medical University，Xi'an 710021，China）

In view of the large existing in the construction of security problems，this paper combined with the characteristics of the high-rise construction，according to the construction simulation and finite element analysis，so as to build a threedimensional finite element model，and according to the model，the construction period of structure deformation of the situation，to develop reasonable temperature，stress and optimize the layout of measuring points.Using Labview platform and the C language to construction monitoring software system development，using wireless distributed transmission technology solve the problem of communication of the construction site，so through the building super-tall monitoring system，to provide security for the high-rise building construction.

simulation；finite element analysis；measuring point layout；C language；wireless transmission

TN99

A

1674-6236（2015）20-0100-03

2014-12-29稿件編號：201412291

葉玉（1982—），女，陜西綏德人，工程師。研究方向：建筑工程管理與施工技術(shù)。