分享自2021中国国际智能建筑展览会主题论坛演讲
演讲题目：《复杂结构施工过程模拟计算与监测技术》
主讲人：林金娣
- 中国建筑工程工业技术研究院有限公司数字建造中心工程测量与控制研究所副所长
- 博士、教授、博士生导师
建筑结构作为一项工程项目的主体，其安全至关重要，本文从这个角度主要分享复杂结构施工过程的仿真计算与监测技术，包括相关理论、方法以及实际工作。
第 1 卷
复杂结构建筑
每个建筑师的心里都住着一位狂野的艺术家，前段时间，几座建筑被评为“全球五大最挑战力学的建筑”：韩国釜山电影中心、同济大学四平图书馆、英国平衡谷仓、中央电视台总部大楼、瑞典维多利亚大厦。
←韩国釜山电影中心
→同济大学四平图书馆
→英国平衡谷仓
↓瑞典维多利亚大厦
←中央电视台总部大楼
对于建筑结构工程师来说，这些建筑有一个共同的名称：复杂结构。
什么是复杂结构？对于高层建筑，有两类：
不规则平面，包括扭转不规则、偏心排列、不规则凹凸、平面组合、不连续楼板
垂直不规则，包括刚度、尺寸的突然变化、部件不连续、承载力的突然变化和局部不规则
按照上述组合出现的频率，将复杂结构划分为不规则结构（1项或以上）、特别不规则结构（3项或以上）、严重不规则结构（多个或单个项远远超过规定值）。
国家标准明确规定，严禁出现严重不规则结构。对于不规则结构，应在工程现场组织专门人员进行模拟计算，邀请专家进行论证，最后结合施工过程进行工程测控。《建筑与桥梁结构监测技术规范》明确指出，对于大跨度、施工过程中的受力状态与一次成型的整体结构成型荷载分析结果存在较大差异时，应进行施工过程中的监测。
复杂结构的施工过程有其自身的特点：施工过程中结构的受力体系与设计阶段有所不同，具体表现在受力体系的变化和边界约束的变化，所受的荷载和影响也不同。由于这些差异，复杂结构施工容易出现两类问题：
1. 极限承载能力问题（安全问题）
（二）施工过程中的安装问题（施工问题）
对于复杂结构，特别是超限结构、新型受力体系结构、影响因素未知的结构等高层与复杂钢结构检测，在施工过程中需要进行相应的施工测控。现代监测是一项系统工程，需要对海量数据进行管理与分析、对异常监测数据进行预处理、数据同步、提高仪器设备监测精度和频率，是一个能够基于多源数据进行智能决策的综合测控平台。
第 2 卷
模拟计算
模拟计算是在施工监测前利用计算机技术对未来结构施工过程中可能出现的安全薄弱环节进行预判，目前模拟计算主要采用有限元方法。
有限元法的基本思想是先将整体分解为部分，再将部分整合为整体，即将一个连续体人为地划分为有限个单元，即将结构看作由若干个以节点项链连接起来的单元所构成的整体，先进行单元分析，然后将这些单元组合起来表示原结构进行整体分析。
有限元方法的本质是把复杂的连续体分解成有限个简单单位体，把无限自由度问题转化为有限自由度问题，把连续场函数的（偏）微分方程的求解问题转化为求解含有有限个参数的代数方程的问题。
土木工程常用的有限元软件有ANSYS（通用）、Adina（动态、非线性）、MIDAS（桥梁、混凝土）、SAP2000（常规结构）、MARC（岩土）等。有限元软件的每个参数设置都有其独特的内涵，应用时需要一定的前提条件，因此计算结果的准确性需要专业的判断。定量和定性判断总结如下几点：
第 3 卷
监控技术
在实际监控中，传输方式首选的是“有线”连接方式，传感器、采集器、监控终端均采用有线连接，这是传统的监控方式。
图/有线连接
第二种是“有线+无线”的连接方式，传感器与采集器之间采用有线连接，终端为无线通信方式，这是目前大多数工程监测采用的方式。
图/有线+无线连接方式
第三种是“无线”连接方式，每个传感器集成采集模块和通讯模块，随着监测元件的发展和成本的降低，这将是未来监测的主要方式。
图/无线连接方式
选择监测仪器时，主要考虑量程、最小量程、灵敏度、绝对误差、准确度、重复性、稳定性、可靠性等。选择采集器时，主要考虑以下几点：
传统监测方法：
对于应力/应变，监测方法包括应变计法、振弦应力-应变法和光纤布拉格光栅应力-应变法。
传统上，变形监测使用千分表/千分尺和精度水平仪。
对于温度监测来说，比较常用的温度传感器有热电偶温度传感器、热敏电阻温度传感器和光纤光栅传感器。
对于沉降监测，静态水准仪利用连通管原理，利用静态水准传感器测量各测点处容器内液位的相对变化，进而计算出各点相对于基点的相对沉降量。
随着监测技术的发展，出现了一系列新的监测方法：
光纤智能材料
光纤测温、光纤光栅智能电缆等。
雷达遥测技术
雷达卫星系统获取的图像可以提供用于检测变形的信息，合成孔径雷达（SAR），干涉合成孔径雷达干涉测量（InSAR）
无人机技术
配备高清摄像系统，根据规划路径采集区域信息
3D激光扫描技术
快速、完整、全方位地采集监测对象表面，获得结构面点云，可用于地铁隧道段收敛变形、管段裂缝、渗水等监测。
基于测量机器人的三维变形监测技术
自主研发的软件系统+全站仪，集成测绘、计算机、自动化、通讯、信号处理等专业技术，解决了自动、高效、准确地监测空间三维目标物体的变形问题。
图/基于测量机器人的三维变形监测技术
基于北斗的高精度变形监测技术
基于我国自主的北斗导航定位系统，解决了大区域目标地物三维变形自动高效连续监测难题。
图/基于北斗的高精度变形监测技术
基于图像技术的非接触高精度变形监测技术
该系统由自主研发的工业相机、计算机及配套专业软件组成，通过相机连续采集的图像，利用相关数字图像处理算法获取被测目标点的变形数据，解决了传统变形测量方法中监测点间测量数据不同步、测点工装安装工作量大等问题。
图/基于图像技术的非接触高精度变形监测技术
大体积混凝土浇筑养护温度场实时无线监测系统
图/大体积混凝土浇筑养护温度场实时无线监测系统
结构动态特性监测
常用的加速度传感器主要有压电式加速度计、压阻式加速度计、电容式加速度计、力平衡式加速度计等。选择加速度传感器时，要考虑加速度计的有效频带和分辨率两个指标。频率范围的下限应低于被测结构的基频，上限应高于被测结构的高阶模态频率。主要用于动态测试分析。
图/结构动态特性监测
第 4 卷
复杂结构监测案例
1.杭州国际博览中心
杭州国际博览中心为纯钢结构，钢结构用量达15万吨，相当于4个鸟巢的用量。建筑结构种类繁多，有屋面带状网架、城市客厅球面网壳、大跨度钢桁架结构等。规模大、体型复杂、施工环节多、施工周期长，需要制定施工监测方案，对应力应变、变形、牢固性、沉降等参数进行监测。
监测前进行仿真计算，主要考虑利用Ansys单元寿命函数模拟施工过程，同时考虑钢构件几何非线性的影响，采用二阶弹性大变形算法，并考虑节点构造、加固措施、几何缺陷对结构自重的影响。
根据计算结果，制定了应力应变测点布置方案、变形测点布置方案以及系统架构方案。
项目最终根据我们的监测数据调整了施工工艺方案，监测效果非常明显。
项目总结
2.大体积混凝土监测
我们曾对北京中国尊、天津周大福、吉隆坡地标大厦、埃及CBD地标大厦等十多个国内外项目进行过大体积混凝土的监测工作，在工作过程中我们发现了不少问题。
问题 1:
2018年《大体积混凝土施工标准》出台，其中有条款规定“混凝土浇筑内外温差（不含混凝土收缩等效温度）不得大于25℃”。但按照欧洲标准，要求不能超过内外短边距离乘以20度。这是什么意思呢？如果5米厚的底板，温差不超过50℃，这个差距还是比较大的。根据我们的监测发现，按照欧洲标准，不会出现大问题，也不会出现大的裂缝。所以，相比欧美标准，新版《大体积混凝土施工标准》更加严格，这是好事，但合理吗？
问题2：
我们做的一个项目，有7个测点，每个测点有5个传感器。我们发现混凝土内部的温度变化离散性很强，受混凝土浇筑顺序和方式影响很大。由于施工监测预算有限，监测平面一般是对称布置的，无法全面掌握混凝土内部的温度变化。那么对于重要的结构或者有特殊要求的结构，是否应该考虑花小钱省大钱呢？
问题 3：
目前大体积混凝土底板养护控温手段相对较少，一般采用棉被或者草席，但控温效果十分有限，您考虑过精细化地埋管排水养护措施吗？
第 5 卷
总结与展望
1、工程测量与控制是集土木、计算机、通信、自动化、测绘等专业学科于一体的综合方向，只有掌握工程测量与控制的每一个环节，才能准确获取结构所散发出的健康信息。
2.完善理论研究。应用现场实测的各类传感器监测数据，建立不同位置、不同时刻监测数据的多源数据耦合模型，为结构施工安全提供多层次、多线路的测控体系。
3.发展非接触、无损监测技术。为保证结构本身的完整性、安全性和监测的准确性，提高工程测控效率，重点发展非接触、无损监测技术。
4、未来工程测控将走向智能化。随着通信技术、监测部件的发展，结合结构损伤识别理论、深度学习等技术的逐渐成熟，工程测控技术将不断完善，走向智能化。
最后，工程监测作为结构安全链的最后一环，崇尚职业道德，坚守初心，扎实做好工程监测工作，为物联网贡献力量。
结尾
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