CN109000578A - 一种全场非接触式的建筑幕墙风压变形监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种全场非接触式的建筑幕墙风压变形监测方法，其步骤包括：1)对建筑幕墙表面进行随机散斑标记，并连接空气压力控制装置；2)架设两台工业数码相机对幕墙表面的数字散斑图案成像；3)启动空气压力控制装置对幕墙逐级加压，同时记录幕墙表面的数字散斑图像；4)利用三维数字图像相关匹配算法，对采集到的数字图像序列进行相关匹配，计算出风荷载作用下建筑幕墙表面的全场位移信息。本发明通过记录数字图像的方式，可以不接触测量即可定量获取建筑幕墙表面的全场变形信息，克服了传统位移计测量方法的局限性，使得建筑幕墙的变形监测更加简单灵活，适用空间范围更广，精度和稳定性更高，易于实际推广。

Description

一种全场非接触式的建筑幕墙风压变形监测方法

技术领域

本发明涉及的一种建筑幕墙风压变形监测方法，特别关于一种全场非接触式的建筑幕墙风压变形监测方法。

背景技术

建筑幕墙作为一种外墙维护结构，因其美观节能、工艺成熟、易于维护等特点，已经成为目前大型超高层建筑中的“不二选择”。然而，在建筑幕墙的服役过程中，风荷载作用导致的幕墙变形成为影响其服役性能的主要因素之一。当风荷载作用于建筑幕墙表面引起的变形超过幕墙的承载极限时，很有可能导致幕墙破裂，引发安全事故。因此，准确而全面的监测建筑幕墙的风压变形，进而评估待测幕墙的安全性能成为建筑幕墙力学性能监测中非常重要的环节。

目前，对建筑幕墙的风压变形监测主要是通过传统的位移计测量的方式来实现。该方法在幕墙表面的特定位置布置位移计，然后对幕墙施加风压荷载同时获取相应位置的位移信息，进而计算受风压荷载的幕墙表面的面法线挠度，以此来评价建筑幕墙的抗风压性能。该方法一定程度上反映了建筑幕墙承受风压荷载的能力，同时存在如下的局限性：1)传统的位移计测量方法是通过几个有限测量点位置的位移信息来描述幕墙整体抗风压性能的，而实际上幕墙的抗风压性能关键取决于结构中最薄弱的位置，事先选取的位移测量点并不一定能够完全捕捉到这部分信息；2)随着现代建筑幕墙的形式越来越丰富，结构也越来越复杂，传统的位移计布置位点的确定越来越困难，甚至有些结构很难直接布置位移计，导致位移计测量方法无法直接测量；3)大型超高层建筑的飞速发展，使得对建筑幕墙变形监测的空间跨度和空间分辨率的要求进一步提高，幕墙风压变形监测的范围要求越来越大，精度要求越来越高。如果采用传统基于位移计测量的方式，无疑需要布置大量的位移计，几乎很难实现，而且该方法在空间分辨率方面的表现也很难满足局部变形测量精度的要求。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种全场非接触式的建筑幕墙风压变形监测方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种全场非接触式的建筑幕墙风压变形监测方法，其步骤包括：1)将建筑幕墙垂直地面固定，然后与空气压力控制装置相连接；2)在与幕墙等距离的位置，左右呈一定角度架设两台工业数码相机，并将两台数码相机与计算机连接，启动数字图像采集软件；3)利用标定板标定数字成像系统，启动空气压力控制装置对幕墙逐级加压，同时记录对应风压荷载条件下幕墙表面的数字散斑图像；4)利用三维数字图像相关匹配算法，对采集到的数字图像序列进行相关匹配，计算出风压荷载作用下建筑幕墙表面的全场位移信息。本发明克服了传统位移计测量方法的局限性，通过记录建筑幕墙表面的数字图像，可以不需要接触测量即可定量获取幕墙表面的全场变形信息，使得建筑幕墙的变形监测更加简单灵活，适用空间范围更广，精度和稳定性更高，易于实际推广。

所述步骤1)中，如果建筑幕墙表面没有随机分布的自然纹理，需要事先在幕墙表面施加人工散斑标记：首先用黑色的哑光油漆喷涂作为背景，然后用白色哑光油漆呈颗粒状喷洒于幕墙表面，颗粒尽可能均匀地随机分布。

所述步骤2)中，左右两相机的光轴相交于幕墙中心，通过调整相机的光圈和焦距，确保幕墙平面的散斑图案成像清晰，并且布满整个数字图像。

所述步骤3)中，将标定板置于幕墙平面内，用左右相机分别对标定板成像，并存储于计算机中，成像系统的标记方法如下：

对幕墙平面上的任意一点建立世界坐标系，其中任意一点表示为(x_w,y_w,z_w)，该点在左右相机中成像的坐标分别为(x_l,y_l)、(x_r,y_r)，则三维空间上的点在相机平面上的成像模型可以表示为：

其中，s为比例系数，[R t]为成像系统的外部参数，R为世界坐标系到相机坐标系的旋转矩阵和平移向量，A为相机的内部参数。

通过已知空间坐标的标定板，可以计算得到成像系统的内外部参数。

所述步骤4)中，三维数字图像相关算法的匹配过程如下所示：

a)选择施加风压荷载前后的两组数字散斑图像，分别作为参考图像和目标图像；

b)在参考图像中确定变形监测区域；

c)在监测区域中选择采样点；

d)确定相关计算子区，同时在目标图像中对应位置确定搜索区域；

e)基于如下相关匹配准则，在变形后的图像中进行相关匹配计算：

C(u,v)＝∑∑[g(x+u,y+v)-f(x,y)]²

其中，C为两个子区之间的相关系数，该系数越小，说明两个子区越“像”；f(x,y)和g(x+u,y+v)分别为变形前后幕墙表面对应位置的灰度值，(u,v)为该点在x、y方向的位移分量；

f)相关系数最小的位置为该采样点变形后最可能出现的位置，该位置与初始位置之间的坐标差即为该点在风压荷载作用下产生的位移向量；

g)对监测区域中所有的采样点重复步骤d)～f)，即可得到所有采样点的位移信息；

h)基于这些采样点的位移信息，重建整个建筑幕墙表面的全场变形信息。

本发明由于采用以上技术方案，具有以下优点：1)本发明基于三维数字图像相关算法计算建筑幕墙的全场变形，实现了对幕墙表面任意位置变形信息的定量评估，克服了传统位移计测量方法中只能对有限几个位置进行变形测量的局限；2)本发明通过对建筑幕墙表面进行数字成像，而不需要接触测量即可完成幕墙表面的变形监测，是一种非接触式的测量方法；3)本发明对于大型超高层建筑幕墙的变形监测也可以通过一定距离的数字成像来完成，该方法测量跨度广、分辨率高、容易操作，具有实际推广价值。

附图说明

图1为本发明的装置示意图。

图2为标定板示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

结合图1～2，本发明包括以下几个步骤：

步骤一：将待测建筑幕墙垂直地面固定，然后与空气压力控制装置相连接；

步骤二：在与幕墙等距离的位置，左右方向架设两台工业数码相机，并将两台数码相机与计算机连接，然后启动数字图像采集软件；

步骤三：利用标定板标定数字成像系统，启动空气压力控制装置对幕墙逐级加压，同时记录对应风压荷载条件下幕墙表面的数字散斑图像；

步骤四：利用三维数字图像相关匹配算法，对采集到的数字图像序列进行相关匹配，计算出风压荷载作用下建筑幕墙表面的全场位移信息。

所述步骤一中，如果建筑幕墙表面没有随机分布的自然纹理，需要事先在幕墙表面施加人工散斑标记。首先用黑色的哑光油漆喷涂作为背景，然后用白色哑光油漆呈颗粒状喷洒于幕墙表面，颗粒尽可能均匀地随机分布。

所述步骤二中，左右两相机的光轴相交于幕墙中心，通过调整相机的光圈和焦距，确保幕墙平面的散斑图案成像清晰，并且布满整个图像。

所述步骤三中，将标定板置于幕墙平面内，用左右相机分别对标定板成像，并存储于计算机中，成像系统的标记方法如下：

对幕墙平面上的任意一点建立世界坐标系，其中任意一点表示为(x_w,y_w,z_w)，该点在左右相机中成像的坐标分别为(x_l,y_l)、(x_r,y_r)，则三维空间上的点在相机平面上的成像模型可以表示为：

其中，s为比例系数，[R t]为成像系统的外部参数，R为世界坐标系到相机坐标系的旋转矩阵和平移向量，A为相机的内部参数。

通过已知空间坐标的标定板，可以计算得到成像系统的内外部参数。

所述步骤四中，三维数字图像相关算法的匹配过程如下所示：

a)选择施加风压荷载前后的两组数字散斑图像，分别作为参考图像和目标图像；

b)在参考图像中确定变形监测区域；

c)以30像素为采样间隔，在监测区域中选择采样点；

d)以采样点为中心，15像素为半径，确定参考子区，同时在目标图像中对应位置选择搜索区域；

e)基于如下相关匹配准则，在变形后的图像中进行相关匹配计算：

C(u,v)＝∑∑[g(x+u,y+v)-f(x,y)]²

其中，C为两个子区之间的相关系数，该系数越小，说明两个子区越“像”；f(x,y)和g(x+u,y+v)分别为变形前后幕墙表面对应位置的灰度值，(u,v)为该点在x、y方向的位移分量；

f)相关系数最小的位置为该采样点变形后最可能出现的位置，该位置与初始位置之间的坐标差即为该点在风压荷载作用下产生的位移向量；

g)对监测区域中所有的采样点重复步骤d)～f)，即可得到所有采样点的位移信息；

h)基于这些采样点的位移信息，重建整个建筑幕墙表面的全场变形信息。

图1说明了本发明的装置图。首先将待测建筑幕墙表面均匀喷涂黑色油漆，然后再随机标记白色油漆斑点，形成图中右下角所示的随机散斑图案。然后将幕墙垂直于地面放置，并连接压力控制装置。在建筑幕墙的正前方布置两台相同高度的工业相机，两台相机与幕墙中心所成角度相等，相机连接计算机，便于控制图像采集程序。

图2说明了本发明的标定板的样式。该标定板由7×7的规则圆点组成。如图所示，其中的三个点半径大于其余点，另外一点为空心标记，这四个点用于相机识别和标记。实验开始后，首先将该标定板置于建筑幕墙表面，利用左右相机对其成像并记录，通过这些规则分布的标记点来标记成像系统参数。

Claims (4)

1.一种全场非接触式的建筑幕墙风压变形监测方法，其步骤包括：

1)将建筑幕墙垂直地面固定，然后与空气压力控制装置相连接；

2)在与幕墙等距离的位置，左右呈一定角度架设两台工业数码相机，并将两台数码相机与计算机连接，然后启动数字图像采集软件；

3)利用标定板标定数字成像系统，启动空气压力控制装置对幕墙逐级加压，同时记录对应风压荷载条件下幕墙表面的数字散斑图像；

4)利用三维数字图像相关匹配算法，对采集到的数字图像序列进行相关匹配，计算出风压荷载作用下建筑幕墙表面的全场位移信息。

2.如权利要求1所述的一种全场非接触式的建筑幕墙风压变形监测方法，其特征在于：所述的步骤1)中，如果建筑幕墙表面没有随机分布的自然纹理，需要事先在幕墙表面施加人工散斑标记:首先用黑色的哑光油漆喷涂作为背景，然后用白色哑光油漆呈颗粒状喷洒于幕墙表面，颗粒尽可能均匀地随机分布。

3.如权利要求1或2所述的一种全场非接触式的建筑幕墙风压变形监测方法，其特征在于：所述步骤2)中，左右两相机的光轴相交于幕墙中心，通过调整相机的光圈和焦距，确保幕墙平面的散斑图案成像清晰，并且布满整个图像。

4.根据权利要求1所述的一种全场非接触式的建筑幕墙风压变形监测方法，其特征在于：所述步骤3)中，将标定板置于幕墙平面内，用左右相机分别对标定板成像，并存储于计算机中，基于两幅图像标定相机的成像参数。