摘 要：為展示超高層建筑施工階段的應力變化，為施工提供便利條件，本文對超高層建筑施工階段力學性能模擬與應力監(jiān)測進行研究。通過超高層建筑施工階段力學性能模擬、主體結(jié)構(gòu)應力監(jiān)測點布置、應變傳感器感知的測點頻率-應變計算、監(jiān)測點應力發(fā)展曲線調(diào)取與可視化，最后實現(xiàn)應力監(jiān)測應用。通過設計新的監(jiān)測技術(shù)，保障施工階段的安全性和保證質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：BIM技術(shù)；超高層建筑；應力監(jiān)測

中圖分類號：TU 74" " 文獻標志碼：A

在施工過程中，由于超高層建筑高度高、結(jié)構(gòu)復雜等特點，因此容易受到多種因素的影響，例如風力、地震、施工荷載等，導致結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生應力[1]。如果這些應力超過結(jié)構(gòu)的承載能力，就可能引發(fā)結(jié)構(gòu)破壞或倒塌等安全事故。因此，通過應力監(jiān)測，可以及時掌握結(jié)構(gòu)在施工過程中的受力狀態(tài)，采取相應的措施進行安全控制，保障施工安全性。

超高層建筑的施工過程復雜，需要針對不同的施工階段和工況進行施工工藝設計。通過應力監(jiān)測，可以實時獲取結(jié)構(gòu)在施工過程中的實際受力狀態(tài)和變形情況，為施工工藝優(yōu)化提供科學依據(jù)。對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，可以判斷當前施工工藝是否合理，以改進、優(yōu)化與調(diào)整方案。超高層建筑的質(zhì)量要求非常高，需要保證每個施工環(huán)節(jié)的準確性和可靠性[2]。通過應力監(jiān)測，可以對結(jié)構(gòu)的整體性能進行評估，及時發(fā)現(xiàn)和解決潛在的質(zhì)量問題，以此判斷結(jié)構(gòu)的長期性能和安全性，為工程驗收和維護提供依據(jù)。

因此，在實際施工過程中，應加強對超高層建筑施工階段力學性能模擬與應力監(jiān)測的重視和應用，建立完善的監(jiān)測體系，保障超高層建筑的施工安全和保證質(zhì)量。

1 超高層建筑施工階段力學性能模擬

超高層建筑施工階段的力學性能模擬對評估結(jié)構(gòu)的整體性能、預測施工過程中的應力和變形情況、優(yōu)化施工工藝等都具有重要的意義。因此，以某超高層建筑為例，對其施工階段進行針對性力學性能模擬。為保證模擬結(jié)果的可靠性，模擬前，對建筑的基本情況進行分析[3]。該建筑是集會議、辦公、金融、酒店住宿、休閑娛樂為一體的綜合體建筑，屬于試點地區(qū)的大型、地標性建筑，建筑設計高度為320m，預期該項目的層數(shù)為68層，每層約為4.5m，整體結(jié)構(gòu)按照典型的核心筒框架結(jié)構(gòu)設計形成。裙房建筑的層數(shù)為7，主要為VIP 用戶提供專項金融服務。

掌握本工程項目的基本情況后，將建筑相關(guān)參數(shù)錄入計算機，建立超高層建筑的結(jié)構(gòu)模型，包括梁、柱、板、墻等組成部分[4]。當建立模型時，需要考慮施工過程的影響，例如施工荷載、施工順序、支撐體系等。結(jié)構(gòu)模型應該能夠準確地反映實際工程的細節(jié)和特征，為后續(xù)的模擬分析提供基礎。

在模擬分析前，需要定義結(jié)構(gòu)的邊界條件和荷載[5]。邊界條件包括固定支撐、彈性支撐、滑動支撐等，應根據(jù)實際工程的施工條件和要求進行設定。荷載包括施工荷載、自重、風載、地震等，應綜合考慮并進行加載。完成相關(guān)參數(shù)錄入后，利用建立的模型和定義的邊界條件和荷載，可以進行模擬分析，包括靜力分析、動力分析、屈曲分析等。靜力分析主要用來分析結(jié)構(gòu)在靜力作用下的應力和變形情況，動力分析主要用來分析結(jié)構(gòu)在動力作用下的響應和穩(wěn)定性，屈曲分析主要用來分析結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和屈曲臨界荷載[6]。根據(jù)模擬結(jié)果與應力分析的需求，計算在豎向方向上的位移，如公式（1）所示。

（1）

式中：y（x）為建筑懸臂梁結(jié)構(gòu)模型在豎向方向x上的位移；f（α）為建筑懸臂梁結(jié)構(gòu)上的荷載分布函數(shù)；k（τ）為建筑結(jié)構(gòu)軸向剛度。

在上述內(nèi)容的基礎上，為保證超高層建筑在建成后，可以在抗震、抗風方面等具有較好的性能，應明確建筑懸臂梁結(jié)構(gòu)上的荷載分布函數(shù)f（α），建筑截面會隨著建筑高度增加而呈現(xiàn)對應的線性變化趨勢，設定建筑截面用A（τ）表示。則f（α）、A（τ）可以用公式（2）表示。

（2）

式中：m、n為線性函數(shù)的比例系數(shù)；α為荷載分布函數(shù)的自變量；τ為建筑截面的自變量；f0為初始荷載分布；A0為建筑截面初始面積。

完成施工或建筑施工接近后續(xù)階段后，對建筑結(jié)構(gòu)任意位移進行變形模擬，如公式（3）所示。

（3）

式中：H為建筑結(jié)構(gòu)抗壓標準；E為建筑結(jié)構(gòu)所用材料的彈性模量。

根據(jù)模擬分析的結(jié)果，可以對施工工藝和設計方案進行優(yōu)化。例如，通過調(diào)整支撐體系的設計、改進施工順序、改變材料性質(zhì)等措施，改善結(jié)構(gòu)的力學性能和施工過程的安全性。在模擬分析和監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證的過程中，如果發(fā)現(xiàn)模型存在偏差或錯誤，就需要及時進行反饋和修正。反饋包括向建模人員提出問題、提供改進建議等，修正包括對模型進行修改、調(diào)整參數(shù)等[7]。通過反饋和修正，可以不斷提高模型的準確性和可靠性。參照上述方式，對超高層建筑施工階段的力學性能進行模擬。

2 超高層建筑應力監(jiān)測

2.1 主體結(jié)構(gòu)應力監(jiān)測點布置

對超高層建筑進行應力監(jiān)測需要布設各主體結(jié)構(gòu)應力的監(jiān)測點。主體結(jié)構(gòu)包括巨型柱、剪力墻核心筒等。針對不同的主體結(jié)構(gòu)，布設應力監(jiān)測點的方式不同。對巨型柱來說，可選取多個重點控制截面進行監(jiān)測點布設，如圖1所示。

該巨柱是一種新型的“H”形鋼梁，其搭接部分是在現(xiàn)場焊接而成。當布置測點時，要充分考慮焊接應力、殘余應力等因素。按照圖1所示的方式完成監(jiān)測點的布設可以保證獲得的數(shù)據(jù)更具有效性。布設剪力墻核心筒測點如圖2所示。

監(jiān)測范圍為鋼板剪力墻和二次框架柱的鋼板外側(cè)以及與鋼板50 mm的距離。在鋼板墻的6個方位對稱地選擇了6個位置，并在各板心、縱-橫焊縫中間點各設兩個方向的測量點。在4個角上分別設置測點。在整個鋼板的表面設置多個測點，實時地監(jiān)測焊接過程中鋼板的受力情況和焊接時的殘余應力[8]。同時，每層選擇2根二級框架柱，在柱底鋼板外側(cè)沿軸線方向布設2個測點。

2.2 應變傳感器感知的測點頻率-應變計算

弦振動應變傳感器工作性能好，抗干擾能力強，工作量大，測量精度符合監(jiān)測指標，已廣泛用于超高層建筑結(jié)構(gòu)的應力測量。因此，采用弦振應變傳感器對超高層建筑進行應力監(jiān)測。

振弦應力傳感器以張拉傳感器內(nèi)的鋼弦線為工作模式，隨著結(jié)構(gòu)移動，鋼弦線也會隨之而動，在不同的變形條件下，其振動頻率和變形之間存在一對一的對應關(guān)系。在對測點進行應力監(jiān)測的過程中，首先用電磁線圈激勵鋼振弦，其次對其進行頻率測試，參考傳感器規(guī)范文件中的有關(guān)參數(shù)，最后與傳感器的頻率-應變關(guān)系式相結(jié)合，得出各測點的應變值。

結(jié)合應變傳感器感知的測點頻率-應變計算公式得出結(jié)構(gòu)應變量，如公式（4）所示。

με=K×（X2-F2）+C×（t-T） " "（4）

式中：με為微應變；K為傳感器的率定系數(shù)；X為監(jiān)測時間頻率值；F為監(jiān)測點初始狀態(tài)時的頻率值；C為傳感器溫度系數(shù)；t為監(jiān)測過程中溫度變化值；T為監(jiān)測點周圍環(huán)境溫度。

在此基礎上，提出了一種基于多個傳感器的分布式無線傳感器網(wǎng)絡。將各數(shù)據(jù)采集單元與整個數(shù)據(jù)采集單元進行串聯(lián)。為了達到監(jiān)控系統(tǒng)長時間供電的目的，在采集裝置上加裝了一個配電箱。該系統(tǒng)采用4G通信技術(shù)，將通信單元和云計算平臺的虛擬機服務器相連接。

2.3 監(jiān)測點應力發(fā)展曲線調(diào)取與可視化

在監(jiān)測的過程中，可以通過云平臺自動繪制各監(jiān)測點上的應力變化曲線，并根據(jù)曲線變化情況預測應力發(fā)展趨勢，進一步對結(jié)構(gòu)風險等進行評估。在此基礎上，通過云計算平臺對各鋼板的應力變化進行分析。采用三維有限元軟件對其進行三維有限元建模，并通過優(yōu)化設計，對其進行放大、縮小、移動等功能。貼花照片只能在現(xiàn)實、光追蹤、渲染3種模式下觀看。例如，安裝在鋼筋混凝土剪力墻右側(cè)的傳感器，為了防止陽光直接照射到鋼板剪力墻上，可對日光方向進行自由設定，保證視圖效果。

本文采用 VB語言與計算機技術(shù)相結(jié)合的方法，對云平臺的應力測試系統(tǒng)進行優(yōu)化，將相應的傳感器號碼輸入軟件中，單擊“顯示監(jiān)測點應力曲線改變”的按鈕，即可在圖片插件中清晰展現(xiàn)監(jiān)測點上的應力變化。在超高層建筑施工階段，應力的變化是一個復雜的過程，需要實時監(jiān)測和記錄。通過調(diào)取應力發(fā)展曲線，可以清楚地了解應力的變化趨勢和規(guī)律。在實際操作中，可以通過以下步驟調(diào)取應力發(fā)展曲線。①確定需要調(diào)取的監(jiān)測點，并記錄監(jiān)測點的位置和編號。②選擇適當?shù)臅r間段，例如施工的某個階段或某個時間段內(nèi)，對應力數(shù)據(jù)進行采集和記錄。③將采集的應力數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)處理分析軟件中，生成應力發(fā)展曲線。④根據(jù)需要，對生成的應力發(fā)展曲線進行修正和完善，保證數(shù)據(jù)的準確性和完整性。

應力發(fā)展曲線可視化是超高層建筑施工階段監(jiān)測的重要環(huán)節(jié)之一。通過對應力發(fā)展曲線進行可視化處理，可以更加直觀地了解應力的變化情況，為施工提供參考和指導。在實際操作中，可以通過以下步驟實現(xiàn)應力發(fā)展曲線的可視化。①利用數(shù)據(jù)處理分析軟件將應力發(fā)展曲線繪制成圖表或圖像。②根據(jù)需要，對繪制的圖表或圖像進行美化，使其更加清晰易懂。③在施工現(xiàn)場設置專門的展示區(qū)域，將打印或輸出的圖表或圖像進行展示，以便施工人員隨時了解應力的變化情況。

調(diào)取與可視化超高層建筑施工階段監(jiān)測點應力發(fā)展曲線是保障施工安全和保證質(zhì)量的重要手段之一，通過將BIM技術(shù)和計算機技術(shù)有機地結(jié)合起來，建立一套完善的超高層建筑監(jiān)控系統(tǒng)，對各節(jié)點的應力變化曲線進行快速檢索與可視化，提高其應用能力，為超高層建筑的應力監(jiān)測工作奠定基礎。

3 應力監(jiān)測應用

完成上述相關(guān)內(nèi)容的設計后，利用計算機中的VB語言，選擇測點，對施工階段的建筑進行應力監(jiān)測，采用這種方式，檢驗并證明設計的監(jiān)測方法是否能在應用中達到預期的效果。

在該過程中，技術(shù)人員可以在監(jiān)控軟件的運行界面中，將相應的壓力傳感器號輸入壓力傳感器號中，移動鼠標操作界面，單擊“產(chǎn)生和顯示應力發(fā)展曲線”。通過這種方式，驅(qū)動傳感器，生成監(jiān)測點應力發(fā)展可視化界面。以建筑結(jié)構(gòu)中編號為“120251-058”的傳感器為例，按照圖3，展示監(jiān)測點的應力發(fā)展情況。

從圖3可以看出，本文提出的方法可以對監(jiān)測點應力發(fā)展情況進行可視化監(jiān)測。

4 結(jié)語

超高層建筑施工階段應力監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，推動了建筑施工技術(shù)的進步和創(chuàng)新。通過引入先進的監(jiān)測設備和儀器，可以實時監(jiān)控和智能化管理結(jié)構(gòu)內(nèi)部狀態(tài)，提高了施工的精度和效率，推動建筑行業(yè)的科技創(chuàng)新和發(fā)展。因此，本文以某超高層建筑為例，對建筑施工階段力學性能模擬與應力監(jiān)測進行設計與研究。

通過本次研究，明確了在建筑施工階段，力學性能模擬與應力監(jiān)測方法設計研究是非常重要的。對施工階段的力學性能進行模擬，可以更好地了解結(jié)構(gòu)的整體性能，預測施工過程中的應力和變形情況，為施工工藝優(yōu)化提供科學依據(jù)。同時，通過設計應力監(jiān)測方法，可以實時監(jiān)控和智能化管理結(jié)構(gòu)內(nèi)部狀態(tài)，提高施工的精度和效率。

建筑施工階段力學性能模擬對評估結(jié)構(gòu)的整體性能、預測施工過程中的應力和變形情況、優(yōu)化施工工藝等都具有重要的意義。同時，建立完善的監(jiān)測系統(tǒng)是建筑施工階段應力監(jiān)測的關(guān)鍵，需要加強對監(jiān)測設備和儀器的維護和管理，保證數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。未來研究方向包括優(yōu)化力學性能模擬的算法和精度、研究新的應力監(jiān)測方法和設備、建立更加智能化的監(jiān)測系統(tǒng)等方面，以此保障施工全過程的安全以及保證質(zhì)量。

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