◆李唐振昊 尤建新 / 文

（接上期）

2.2 非結(jié)構(gòu)特性數(shù)據(jù)

非結(jié)構(gòu)特性數(shù)據(jù)是與結(jié)構(gòu)本身屬性特征無(wú)關(guān)的數(shù)據(jù)維度，主要反映外部因素的作用效應(yīng)。時(shí)間、環(huán)境、荷載數(shù)據(jù)、土體條件、偶然事件和施工質(zhì)量等均可看作外部條件對(duì)工程結(jié)構(gòu)的作用，其并不能反映結(jié)構(gòu)自身的特性，因此將此類維度作為非結(jié)構(gòu)特性數(shù)據(jù)的二級(jí)指標(biāo)。

2.2.1 時(shí)間

時(shí)間維度不僅體現(xiàn)在傳統(tǒng)意義上結(jié)構(gòu)的時(shí)變性[50]，還包括時(shí)間維度上采用規(guī)范、施工技術(shù)水平和施工標(biāo)準(zhǔn)的差異。

以混凝土結(jié)構(gòu)為例。結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期性能指標(biāo)是一個(gè)隨時(shí)間變化的復(fù)雜變量，是結(jié)構(gòu)在服役期間長(zhǎng)期的荷載與環(huán)境耦合作用下，結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出的具有時(shí)變性的功能或特性，一般包括混凝土的收縮徐變、鋼筋的蠕變、疲勞累積損傷、耐久性劣化、持續(xù)下?lián)?、裂縫發(fā)展等[51]，圖3為混凝土再生混凝土隨時(shí)間推移的失效概率[52]。此外，我國(guó)在不同時(shí)期采用的規(guī)范也有所差別。以混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范為例，該規(guī)范在我國(guó)大致經(jīng)歷了四個(gè)階段，分別為采用原蘇聯(lián)規(guī)范的階段、自主修訂規(guī)范的起步階段、跨越式發(fā)展階段、實(shí)施全面與國(guó)際研究接軌階段。不同階段設(shè)計(jì)的房屋標(biāo)準(zhǔn)不同，房屋的抗力不同，房屋的質(zhì)量也有所差別[53]。

圖3 再生混凝土隨時(shí)間推移的失效概率

圖4 隧道坍塌后導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)發(fā)生沉降

2.2.2 環(huán)境

環(huán)境維度包括溫度、濕度以及環(huán)境中離子成分含量等數(shù)據(jù)。

環(huán)境溫度的變化會(huì)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)力變化，常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)熱脹冷縮就是由于內(nèi)力變化引起應(yīng)變導(dǎo)致的。如果溫度應(yīng)力不能得到很好的釋放，帶來(lái)的危害是巨大的，結(jié)構(gòu)會(huì)在巨大的溫度應(yīng)力之下發(fā)生破壞[54]。此外，非結(jié)構(gòu)部位的溫度變化也會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)本身產(chǎn)生危害，例如青藏鐵路修建時(shí)解決的“凍土問(wèn)題”[55]，以及2003年上海四號(hào)線修建時(shí)的隧道坍塌事故。隧道坍塌事故是由于制冷機(jī)失效導(dǎo)致的局部土壤冷凍失效、溫度升高引起的坍塌[56]，圖4為隧道坍塌后導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)發(fā)生沉降[57]。濕度同樣會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的安全與質(zhì)量構(gòu)成影響，例如，較為濕潤(rùn)的空氣更易造就鋼構(gòu)件的銹蝕[58]。此外，濕潤(rùn)的環(huán)境與較大的溫差易造成反復(fù)凍融現(xiàn)象，將嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的耐久性[59]。自然環(huán)境中的離子含量，也會(huì)影響結(jié)構(gòu)的耐久性。例如，海邊的結(jié)構(gòu)壽命較短，主要原因是氯離子濃度較高，從而加快鋼構(gòu)件和部件的銹蝕，破壞結(jié)構(gòu)的耐久性[60]。較高濃度的氫離子和氫氧根離子也會(huì)加速結(jié)構(gòu)的腐蝕，破環(huán)結(jié)構(gòu)的安全性[61]。

2.2.3 土體條件

土與結(jié)構(gòu)的關(guān)系密切，其主要作用是承載上部結(jié)構(gòu)的荷載[62]。

土是由固相、液相、氣相構(gòu)成的三相分散系，其力學(xué)性質(zhì)較為復(fù)雜。不同土體結(jié)構(gòu)的力學(xué)屬性可以相差懸殊，這也就造成了其對(duì)結(jié)構(gòu)的影響差異性[63]。不僅如此，在受到外界擾動(dòng)時(shí)，不同土體的穩(wěn)定性也有較大差異，例如砂土液化現(xiàn)象。該現(xiàn)象是砂土在外力或內(nèi)力作用下，顆粒間喪失了接觸壓力以及摩擦力，不能有效抵抗剪應(yīng)力而產(chǎn)生的。砂土液化在地震時(shí)可大規(guī)模地發(fā)生，并對(duì)結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重危害[64]。此外，土與結(jié)構(gòu)的相互作用也會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)造成不同程度的影響[65]。例如在地震作用下，結(jié)構(gòu)樁間土的力學(xué)性質(zhì)必定受到樁的動(dòng)態(tài)擾動(dòng)影響而發(fā)生變化，但是在現(xiàn)行規(guī)范中，此類作用并沒(méi)有得到良好的反映與體現(xiàn)，而這樣的相互作用必定會(huì)對(duì)上部結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)產(chǎn)生影響，從而影響到結(jié)構(gòu)的安全性[66]。進(jìn)一步分析，不僅單一結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生土與結(jié)構(gòu)的相互作用，建筑群作為整體發(fā)生的土與結(jié)構(gòu)相互作用也必然與單一結(jié)構(gòu)有所差異[67]，因此對(duì)相應(yīng)數(shù)據(jù)的分析也將有利于結(jié)構(gòu)質(zhì)量與安全的保障。

2.2.4 荷載

荷載是指能夠使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生效應(yīng)的各種原因的總稱[68]。因?yàn)楣こ探Y(jié)構(gòu)需要具備抵御外部效應(yīng)的能力，因此明確作用在結(jié)構(gòu)上的荷載，對(duì)于保障結(jié)構(gòu)的質(zhì)量與安全十分重要。

圖5 基于物體檢測(cè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的識(shí)別結(jié)果

在工程結(jié)構(gòu)中將荷載分為三類：永久荷載、可變荷載和偶然荷載[69]。永久荷載是指結(jié)構(gòu)在使用期間，其值不隨時(shí)間的變化，或其變化與平均值相比可以忽略不計(jì)的恒載。根據(jù)定義，結(jié)構(gòu)的自重、土壓力、預(yù)應(yīng)力等均可看作是永久荷載。可變荷載是指在結(jié)構(gòu)使用期間，其值隨時(shí)間變化，且其變化與平均值相比不可以忽略不計(jì)的荷載。根據(jù)定義，樓面活荷載、雪荷載、風(fēng)荷載、吊車荷載等均可看作是可變荷載。偶然荷載是指不一定出現(xiàn)，但是一旦出現(xiàn)其值很大且持續(xù)時(shí)間較短的荷載。根據(jù)定義，爆炸、撞擊、地震作用等產(chǎn)生的荷載均可看作為偶然荷載。利用對(duì)荷載數(shù)據(jù)的收集和處理，可以在設(shè)計(jì)時(shí)期有效保障結(jié)構(gòu)的質(zhì)量與安全；在使用時(shí)期的荷載數(shù)據(jù)分析，也可以有效給予相應(yīng)的結(jié)構(gòu)加固策略，有效保障結(jié)構(gòu)使用期間的質(zhì)量。在現(xiàn)行階段，民用建筑樓面活載基本按照均布活載處理，分為標(biāo)準(zhǔn)值及其組合值、頻遇值和準(zhǔn)永久值[70]。這些數(shù)值基本上是利用傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法得到的。從設(shè)計(jì)角度講，能夠粗略確保結(jié)構(gòu)質(zhì)量。而利用大數(shù)據(jù)手段，確定更為精確的活載分布[71]，可以更好地確定活載計(jì)入方式，在設(shè)計(jì)時(shí)期提升結(jié)構(gòu)的質(zhì)量與安全。圖5為基于物體檢測(cè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的識(shí)別結(jié)果[71]。

表1 GB/T 50476-2019關(guān)于環(huán)境類別和名稱、腐蝕機(jī)理的劃分

2.2.5 偶然事件

偶然事件包括極端天氣、地震、泥石流、山體滑坡、爆炸、火災(zāi)和外部沖擊等事件。這些偶然事件帶來(lái)的可能不僅是偶然荷載，還有可能是對(duì)結(jié)構(gòu)的二次損害。

以地震為例。地震帶來(lái)的不僅是地震力對(duì)于結(jié)構(gòu)的直接破壞，還可能引起土壤液化、山體滑坡、土質(zhì)疏松等現(xiàn)象，從而帶來(lái)次生災(zāi)害[72]。以美國(guó)“911”事件為例，飛機(jī)沖撞產(chǎn)生的荷載并不會(huì)造成結(jié)構(gòu)的倒塌，結(jié)構(gòu)最終倒塌的根因在于飛機(jī)燃油燃燒，使得撞擊樓層的鋼構(gòu)件強(qiáng)度降低、失穩(wěn)，上部樓層因此而垮塌并形成較大的沖擊荷載，引發(fā)下部樓層的連鎖反應(yīng)，最終導(dǎo)致大樓整體垮塌[73]。圖6為飛機(jī)撞擊世貿(mào)大廈后起火照片[74]。此外，偶然事件的次生災(zāi)害可能也存在人為因素。以冬季暴雪為例，暴雪引起的雪荷載可能會(huì)造成結(jié)構(gòu)的意外破壞，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致道路結(jié)冰積雪。而道路結(jié)冰積雪的處理方案中，經(jīng)常會(huì)采用撒工業(yè)鹽的方式降低水的凝固點(diǎn)，使冰雪在低溫下也能夠融化。但此類工業(yè)鹽中含有較多的氯離子，氯離子對(duì)于結(jié)構(gòu)破壞主要體現(xiàn)在加速鋼制構(gòu)件的銹蝕，從而降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量，構(gòu)成安全隱患[75]。表1為我國(guó)《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50476-2019 中將結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境按其對(duì)鋼筋和混凝土材料腐蝕作用機(jī)理的不同所進(jìn)行的分類，其中描述了在除冰鹽環(huán)境下，氯離子引起的鋼筋銹蝕現(xiàn)象[76]。

圖7 保障結(jié)構(gòu)質(zhì)量與安全的數(shù)據(jù)需求全景圖

2.2.6 施工質(zhì)量

結(jié)構(gòu)施工時(shí)的質(zhì)量對(duì)于結(jié)構(gòu)的耐久性和質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響。能否按照設(shè)計(jì)要求和施工質(zhì)量管理要求完成相應(yīng)的工作，將直接影響結(jié)構(gòu)的安全使用。

以建筑結(jié)構(gòu)施工為例?；A(chǔ)部分的施工質(zhì)量是結(jié)構(gòu)最基本的保障，影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的承載力。主體結(jié)構(gòu)是整個(gè)工程的核心，其施工質(zhì)量對(duì)結(jié)構(gòu)的安全使用至關(guān)重要。而非主體結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量同樣重要，例如鋼結(jié)構(gòu)施工中，若外部防水和裝飾的施工質(zhì)量較差，就會(huì)造成雨水滲透，而滲透的雨水又影響鋼部件的防銹蝕表現(xiàn)，從而帶來(lái)極大的安全隱患[77]。影響施工質(zhì)量的因素是多方面的，施工者是其中最主要的因素之一，其專業(yè)技術(shù)水準(zhǔn)將直接對(duì)施工質(zhì)量產(chǎn)生影響；機(jī)械設(shè)備的正常運(yùn)行是施工質(zhì)量的根本保障；施工組織管理也是重要因素，合理的施工順序與調(diào)配能夠確保施工進(jìn)度在工期內(nèi)有序推進(jìn)，從而保障結(jié)構(gòu)質(zhì)量以及其使用期間的安全性[78]。

3 結(jié)論與展望

通過(guò)梳理與分析，本文初步搭建起如圖7所示的保障結(jié)構(gòu)質(zhì)量與安全的數(shù)據(jù)需求框架，以結(jié)構(gòu)特性數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)特性數(shù)據(jù)為一級(jí)指標(biāo)，空間、結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)阻尼、結(jié)構(gòu)剛度、結(jié)構(gòu)質(zhì)量、結(jié)構(gòu)響應(yīng)、材料屬性、時(shí)間、環(huán)境、土體條件、荷載、偶然事件和施工質(zhì)量十三個(gè)維度為二級(jí)指標(biāo)，確定了數(shù)據(jù)需求并分析了每個(gè)維度對(duì)于結(jié)構(gòu)質(zhì)量與安全的影響。

依照傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論，結(jié)構(gòu)的抗力需要大于外部的效應(yīng)才能保證結(jié)構(gòu)的質(zhì)量與安全?，F(xiàn)行的規(guī)范能夠解決結(jié)構(gòu)質(zhì)量具有“共性”的問(wèn)題，但是很難逾越“共性”到“個(gè)性”的鴻溝。解決結(jié)構(gòu)質(zhì)量的“個(gè)性”問(wèn)題，可以利用大數(shù)據(jù)手段，了解每一個(gè)結(jié)構(gòu)個(gè)體的全維度數(shù)據(jù)后進(jìn)行分析。而滿足“個(gè)性”需求也是人類進(jìn)步與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必然趨勢(shì)。因此，工程大數(shù)據(jù)需求的確立，將有助于確定工程大數(shù)據(jù)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為工程領(lǐng)域梳理數(shù)據(jù)明確方向，為今后工程大數(shù)據(jù)應(yīng)用的頂層設(shè)計(jì)提供一定的理論依據(jù)。

誠(chéng)然，提出數(shù)據(jù)需求僅僅是一個(gè)開(kāi)端，如何獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)并將獲取數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化、標(biāo)準(zhǔn)化，將成為未來(lái)研究的重要課題。在數(shù)據(jù)的獲取層面，可以利用現(xiàn)有的視覺(jué)識(shí)別技術(shù)，得到有效結(jié)構(gòu)的幾何尺寸；利用傳感器技術(shù)，可以獲取結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)數(shù)據(jù)。但是如何保障獲取數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度、確保獲取數(shù)據(jù)的質(zhì)量是急需解決的問(wèn)題。此外，傳統(tǒng)分析中使用的工程數(shù)據(jù)多數(shù)可視為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，但仍然存在大量的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，如工人的技術(shù)水平、管理者的管理能力、工程機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)等。如何將工程非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)合理結(jié)構(gòu)化，也是未來(lái)較為棘手的問(wèn)題。從長(zhǎng)遠(yuǎn)的研究來(lái)看，充分利用工程大數(shù)據(jù)的價(jià)值、營(yíng)造工程大數(shù)據(jù)生態(tài)以及研發(fā)工程大數(shù)據(jù)產(chǎn)品，進(jìn)一步保障結(jié)構(gòu)的質(zhì)量與安全，將是研究的重要方向。 （全文續(xù)完）