李 文

中石化新星雙良地?zé)崮軣犭娪邢薰?山西 太原 030000

最近幾年，整個(gè)社會(huì)關(guān)心的重要話題就是土木工程健康問題導(dǎo)致的事故頻發(fā)，給人民的財(cái)產(chǎn)和人身安全帶來了巨大的影響。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人們生活水平不斷提高，機(jī)動(dòng)車的數(shù)量也不斷增加，由于道路橋梁等設(shè)施建造年代已久，給人們的安全帶來了巨大的隱患，因此，土木工程結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展是重中之重。

1 土木工程結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)系統(tǒng)概述

建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是基于現(xiàn)代土木工程的發(fā)展而提出；土木工程結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性、動(dòng)態(tài)和連續(xù)等特點(diǎn)。該系統(tǒng)能夠及時(shí)地對(duì)建筑物進(jìn)行日常狀態(tài)檢測(cè)，為管理者提供準(zhǔn)確可靠數(shù)據(jù)。目前我國國內(nèi)對(duì)于工程項(xiàng)目建設(shè)中使用到了大量測(cè)量儀器設(shè)備以及相關(guān)技術(shù)手段來實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑工程質(zhì)量水平及安全性方面的控制與管理；在建筑施工過程中采用先進(jìn)科學(xué)方法提高工作效率及水平，確保建筑工程項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性和穩(wěn)定性等性能指標(biāo)都得到有效提升。在實(shí)際工程建設(shè)中，為了確保建筑項(xiàng)目質(zhì)量，需要對(duì)測(cè)量儀器設(shè)備、檢測(cè)技術(shù)等方面進(jìn)行全面的改進(jìn)和完善。

2 開展土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的重要意義

土木工程結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)是確保工程質(zhì)量、安全施工和降低成本投入等方面最有效的手段，提高了我國經(jīng)濟(jì)效益，為社會(huì)提供更多的物質(zhì)與精神財(cái)富。隨著科技水平發(fā)展以及人們生活水準(zhǔn)提升，現(xiàn)代社會(huì)對(duì)建筑工程提出更高要求，因此需要不斷創(chuàng)新新技術(shù)來滿足現(xiàn)代化建筑需求并實(shí)現(xiàn)智能化管理。在當(dāng)今階段土木工程建設(shè)中加入了大量新興信息技術(shù)手段來進(jìn)行數(shù)據(jù)信息處理和傳遞工作是大勢(shì)所趨也是必然趨勢(shì)，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，大數(shù)據(jù)時(shí)代也隨之到來，其中就包括了對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究。

3 現(xiàn)階段土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的發(fā)展?fàn)顩r

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，土木工程結(jié)構(gòu)在不斷地更新和完善，這就使得傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代社會(huì)對(duì)建筑安全以及經(jīng)濟(jì)效益最大化要求。為了適應(yīng)時(shí)代潮流與技術(shù)進(jìn)步下土木工程建設(shè)需求，必須采用先進(jìn)手段、現(xiàn)代化設(shè)備等進(jìn)行科學(xué)有效且高效地分析。近些年來我國科研人員也開始研究更加智能化測(cè)量儀器來代替人工操作測(cè)量工具并取得了一定成效；隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，使得土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在建筑結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用。

4 土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

4.1 土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的理論依據(jù)

目前，我國的工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，這也是導(dǎo)致不同地區(qū)之間信息無法實(shí)現(xiàn)共享。由于各區(qū)域發(fā)展不平衡、經(jīng)濟(jì)水平差異等原因造成了數(shù)據(jù)的缺乏一致性問題；另一方面在同一個(gè)項(xiàng)目上進(jìn)行檢測(cè)時(shí)存在著一定程度上重復(fù)性。因此為了解決這個(gè)難題就需要建立一個(gè)統(tǒng)一規(guī)范且高效運(yùn)行機(jī)制，保證各個(gè)部門間協(xié)調(diào)合作以及有效監(jiān)控整個(gè)工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以達(dá)到降低成本提高效益并及時(shí)掌握和了解實(shí)際情況變化。隨著時(shí)代的發(fā)展，人們對(duì)生活質(zhì)量要求越來越高，而隨之而來的是對(duì)建筑工程中所使用材料提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)。因此為了滿足社會(huì)需求和建筑行業(yè)水平不斷提高，在土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合理選擇與分析研究以達(dá)到最佳性能指標(biāo)；同時(shí)也要注重經(jīng)濟(jì)性、安全性及環(huán)保性等方面考慮到其是否符合國家政策法規(guī)；還需要考慮施工過程當(dāng)中可能會(huì)出現(xiàn)的各種意外狀況，以便及時(shí)對(duì)這些突發(fā)事件作出處理并采取相應(yīng)措施來降低損失。

4.2 土木工程結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)系統(tǒng)的組成

4.2.1 傳感系統(tǒng)

傳感系統(tǒng)是一種通過傳感器采集外界信息的裝置，也稱為監(jiān)測(cè)和控制設(shè)備。傳感系統(tǒng)主要由被測(cè)量物體直接產(chǎn)生電信號(hào)并進(jìn)行處理后再傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、存儲(chǔ)及顯示等工作。在土木工程結(jié)構(gòu)中使用了多點(diǎn)式傳感技術(shù)與單片機(jī)相結(jié)合的方法來完成對(duì)建筑環(huán)境溫度變化以及濕度情況檢測(cè)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)建筑環(huán)境溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的；通過將傳感器采集到的外部信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸入設(shè)備內(nèi)部系統(tǒng)內(nèi)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將其顯示在控制系統(tǒng)中，以達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、監(jiān)控建筑結(jié)構(gòu)環(huán)境的目的。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，通過研究土木工程結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)方法及手段來實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫度變化以及溫濕度情況及時(shí)有效地控制；從而為提高建筑工程質(zhì)量提供重要依據(jù)。

4.2.2 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)是指對(duì)各種儀器設(shè)備、傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，并將其輸出到計(jì)算機(jī)中。在土木工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究過程中，需要不斷完善相關(guān)的檢測(cè)方法和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系。隨著科學(xué)技術(shù)水平發(fā)展迅速以及人們生活條件改善等因素導(dǎo)致了許多新材料、新工藝以及新型產(chǎn)品應(yīng)用快速發(fā)展；同時(shí)由于工程環(huán)境復(fù)雜多變及施工要求高程度地促進(jìn)了對(duì)這些領(lǐng)域進(jìn)行深入探索與研究，從而使數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)變得更加智能化和自動(dòng)化。數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)對(duì)收集到的信息進(jìn)行分析、綜合和判斷，并將其存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中。數(shù)據(jù)采集預(yù)處理系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性，可重復(fù)性以及準(zhǔn)確性。數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)主要包括：傳感器檢測(cè)模塊、單片機(jī)控制模塊和信號(hào)放大電路等組成；該部分為監(jiān)測(cè)儀器提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量參數(shù)范圍值（或頻率）；同時(shí)還可以通過鍵盤輸入設(shè)定好的參數(shù)或報(bào)警閾值來達(dá)到對(duì)儀器進(jìn)行操作的目的，并實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器之間遠(yuǎn)程交互式監(jiān)控。

4.2.3 損傷識(shí)別和安全評(píng)估系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的主要目的是為了檢測(cè)和分析建筑結(jié)構(gòu)中各個(gè)部件之間的相互作用，以實(shí)現(xiàn)對(duì)構(gòu)件進(jìn)行有效控制，以便達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)包括了傳感器、控制器等設(shè)備。通過收集到信息并加以整理分類后再傳送到計(jì)算機(jī)上；然后將這些信號(hào)轉(zhuǎn)化成電化學(xué)測(cè)量儀器或直接用于工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究過程中使用的各種裝置以及參數(shù)值；最后把這些信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字化顯示出來供人們參考利用，以滿足用戶對(duì)建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)與分析需要。目前常用到的是ADAMS軟件。ADAMS軟件具有快速、準(zhǔn)確等特點(diǎn)。在建筑行業(yè)中使用最多也最普遍采用了AD軟件和PCB板技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息收集與處理工作；此外還有基于嵌入式計(jì)算機(jī)或基于網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)建立起來一個(gè)虛擬數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DSP）和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)中心，并通過這些設(shè)備將其傳送到電腦內(nèi)的數(shù)據(jù)庫里進(jìn)行分析與計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、分析和控制。

5 土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一種基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的、綜合利用傳感器和信號(hào)處理等相關(guān)手段，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與分析，對(duì)土木工程中環(huán)境變化及狀態(tài)信息進(jìn)行檢測(cè)、監(jiān)控以及反饋并做出相應(yīng)反應(yīng)的系統(tǒng)。隨著科技水平不斷提高，近年來在結(jié)構(gòu)測(cè)量精度方面得到了很大提升，由于建筑行業(yè)具有高危險(xiǎn)性因素多導(dǎo)致其施工難度大且復(fù)雜程度較高等特點(diǎn)使得工程建設(shè)過程中有許多不確定性問題存在于建筑工程項(xiàng)目之中；而傳感器技術(shù)和數(shù)據(jù)采集技術(shù)也為土木工程中的安全監(jiān)測(cè)提供一定保障，使得其在土木工程項(xiàng)目中的應(yīng)用更加廣泛。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成功后，根據(jù)使用階段發(fā)生的問題改善內(nèi)部程序，達(dá)到更理想化的運(yùn)行使用標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)構(gòu)檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用需要明確的對(duì)象，根據(jù)常見的問題研究解決方案，在運(yùn)行中的系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)反饋參數(shù)存在不合理的現(xiàn)象時(shí)，可以首先尋求解決方案，進(jìn)而更加深入地解決程序混亂的問題。在今后土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展過程中，特別注意量化問題對(duì)結(jié)構(gòu)損傷程度，采用有效的方法和損傷量化指標(biāo)，加強(qiáng)對(duì)非線性數(shù)據(jù)的處理效果，提高信息收集效果。

6 未來土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展展望

隨著時(shí)代的發(fā)展，土木工程建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，建筑領(lǐng)域也逐漸朝著高層化和大型化為目標(biāo)。在這其中結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)是一個(gè)重要課題。目前我國工程建造中使用最多的是監(jiān)測(cè)與分析等方法，但是由于受人為因素、自然環(huán)境影響以及施工環(huán)境變化等諸多不確定性因素的制約，導(dǎo)致了這些測(cè)量結(jié)果往往不能準(zhǔn)確地反映實(shí)際情況；同時(shí)由于傳統(tǒng)測(cè)量手段無法滿足對(duì)土木工程建設(shè)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，因此造成了大量數(shù)據(jù)浪費(fèi)和損失的后果，嚴(yán)重限制著建筑業(yè)發(fā)展速度。近些年來，建筑領(lǐng)域仍然屬于新興技術(shù)，由于土木工程建筑的建造年代已久，土木工程建筑結(jié)構(gòu)破壞得越來越多，因此，土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)擁有著十分廣闊的發(fā)展前景。今后結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展應(yīng)注意以下幾個(gè)方向。首先是信息處理技術(shù)的研究。對(duì)于土木工程的健康監(jiān)測(cè)來說，信息處理有特別的意義，只進(jìn)行監(jiān)測(cè)，不能合理處理監(jiān)測(cè)信息，監(jiān)測(cè)信息將會(huì)變得無效。近年來，發(fā)展較為迅速也就較成熟的是小波分析技術(shù)，小波分析技術(shù)可以識(shí)別正常信號(hào)中夾帶的瞬時(shí)異常反應(yīng)現(xiàn)象，并且在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中起著重要的作用。其次重要的是傳感器的優(yōu)化配置技術(shù)。對(duì)于土木工程的健康監(jiān)測(cè)，無論使用什么方法傳感器都是不可缺少的。傳感器的配置需要優(yōu)化，研究設(shè)置幾個(gè)傳感器，分別研究設(shè)置在哪個(gè)位置監(jiān)視最有效。具體而言，傳感器的配置必須符合以下條件，控制成本，使得傳感器設(shè)置費(fèi)用盡可能較少；消除噪音等外部的干擾，使得到的數(shù)據(jù)更加科學(xué)。對(duì)于沒有損傷，但是出現(xiàn)的疲勞狀況的土木工程建筑也應(yīng)當(dāng)能夠檢測(cè)出，對(duì)可能損傷的威脅進(jìn)行合理的評(píng)估。目前傳感器的應(yīng)用和優(yōu)化配置廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，土木工程的領(lǐng)域還不成熟。因此要充分參考在航空航天飛行中傳感器的應(yīng)用，開發(fā)出可以在土木工程健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的最佳配置方案和技術(shù)。

7 總結(jié)

隨著社會(huì)的進(jìn)步，人們對(duì)生活質(zhì)量要求不斷提高，因此，建筑行業(yè)在滿足人民需求基礎(chǔ)上必須要有更多的新技術(shù)、新型材料以及更為先進(jìn)合理高效的施工設(shè)備，對(duì)我國土木工程結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展起到積極作用。