摘 要：本文基于現(xiàn)有的傳感器優(yōu)化理論方法，以某水泥廠磨坊為例，從既有建筑已有病害出發(fā)，結(jié)合有限元分析結(jié)果，開展傳感器監(jiān)測參數(shù)、布置數(shù)量優(yōu)化等方面的分析與研究。并將分析結(jié)果與BIM模型相結(jié)合，以實現(xiàn)傳感器優(yōu)化布置在既有建筑健康監(jiān)測中的可視化應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：傳感器優(yōu)化布置；BIM；健康監(jiān)測；既有建筑文章編號：2095-4085（2024）10-0167-03

0 引言

本文依托于檢測鑒定數(shù)據(jù)及計算分析模型，運用傳感器優(yōu)化布置方法，結(jié)合BIM模型，開展傳感器優(yōu)化布置的研究與分析。

1 項目概況

某水泥廠結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，因增設(shè)K型選粉機、循環(huán)風(fēng)機、V型選粉及循環(huán)風(fēng)機等功能需要，對原有鋼筋混凝土樓板及框架梁進行開洞、拆除改造。因其長期在振動荷載作用下，框架梁、柱等主要承重構(gòu)件出現(xiàn)了較為明顯的混凝土剝落、開裂及鋼筋外露銹蝕等質(zhì)量問題（見圖1～圖4）。

2 傳感器優(yōu)化方法

根據(jù)文獻^［1］的研究法分析結(jié)果，運動能量法、有效獨立法^［2-4］及改進EFI法都是基于Fisher信息矩陣的傳感器優(yōu)化布置方法。但它們構(gòu)建Fisher信息矩陣的方式卻不同，故而得到的優(yōu)化結(jié)果也不同。經(jīng)比較分析，改進EFI法綜合考慮了能力因素，克服了EFI法可能漏掉某些能量較小測點的不足，能夠更好地反映原結(jié)構(gòu)的特性，可提供更多的信息。因此，本文在研究磨坊傳感器優(yōu)化布置過程中采用改進EFI法。

改進EFI法的傳感器優(yōu)化布置方法計算流程圖（見圖5）。

3 監(jiān)測參數(shù)分析及傳感器布置

3.1 檢測鑒定確定監(jiān)測參數(shù)

經(jīng)現(xiàn)場查勘及檢測，該磨坊混凝土構(gòu)件存在不同程度的破損、開裂及鋼筋外露銹蝕等現(xiàn)象，混凝土樓板多處開洞，屋面板頂部多處有增加的鋼梁基礎(chǔ)。主要病害布置情況19.7m、26.6～30.1m平面布置示意圖（見圖6、圖7）。

基于該磨坊混凝土構(gòu)件病害主要存在于19.7m層及30.1m層，監(jiān)測參數(shù)（見表1）。

3.2 有限元模態(tài)分析^［5］確定監(jiān)測參數(shù)

采用盈建科軟件及ABUQUS有限元軟件，建模分析該磨坊在不同工況及各階模態(tài)下的能量大小，確定傳感器布置位置及主要檢測參數(shù)（見圖8及表2）。

4 基于BIM模型的傳感器優(yōu)化

通過建立磨坊的BIM模型，并將已出現(xiàn)裂縫、露筋等既有病害的構(gòu)件以及通過有限元分析確定的應(yīng)力、應(yīng)變不利的構(gòu)件，均在BIM模型中模擬布置相應(yīng)的傳感器，其位置及相應(yīng)的數(shù)量（見圖9）。①為既有病害需布設(shè)傳感器的位置；②為通過模態(tài)分析確定的需布置傳感器的位置。

該磨坊在后期使用中歷經(jīng)環(huán)境變化、歷次改造、加載等諸多因素的影響，實際病害出現(xiàn)位置與模態(tài)分析得出的薄弱點位置不完全重合，若僅以其中一項或兩項簡單疊加作為傳感器布置的考慮因素，顯然是不科學(xué)且不經(jīng)濟的。因此，基于既有病害與有限元分析得出的監(jiān)測參數(shù)及傳感器數(shù)量，通過BIM模型可使傳感器實現(xiàn)更為直觀的布置，從而達(dá)到優(yōu)化的目的。優(yōu)化后傳感器的位置及數(shù)量（見表3）。

經(jīng)對比分析，通過BIM模型模擬布置優(yōu)化后的傳感器數(shù)量，相比優(yōu)化前的傳感器數(shù)量減少13處。

5 結(jié)論

與新建建筑不同，既有建筑在使用過程中由于環(huán)境的變化、使用功能改造、外力影響、荷載變化以及結(jié)構(gòu)構(gòu)件老化等諸多因素的影響，其傳力形式、應(yīng)力及應(yīng)變大小等均可能發(fā)生不同程度的變化。因此，運用本文方法，在綜合考慮既有情況及理論分析的基礎(chǔ)上，可直觀、快速地得出傳感器優(yōu)化布置的結(jié)果，從而為既有建筑的健康監(jiān)測研究提供可靠依據(jù)，同時達(dá)到經(jīng)濟性以及選擇較優(yōu)解以滿足監(jiān)測的目的。

參考文獻：

［1］徐典.結(jié)構(gòu)損傷識別方法與傳感器優(yōu)化布置研究［D］，重慶：重慶大學(xué)，2011.

［2］Kammer D C. Sensor placement for on-orbit modal identification and correlation of large space structures［J］.Journal of Guidance Control and Dynamics，1991，14（2）：251-259.

［3］Udwadia F E. Methodology for sensor locations for parameter identification in dynamic systems［J］.Journal of Engineering Methanics，1994，120（2）：369-390.

［4］Kirkegaard P H，Brincker R. On the optimal locations of sensor for parametric identification of linear structural systems［J］.Mechanical Systems and Signal Processing，1994，8（6）：639-647.

［5］曹樹謙，張文德，蕭龍翔.振動結(jié)構(gòu)模態(tài)分析——理論、試驗與應(yīng)用［M］.天津：天津大學(xué)出版社，2001.