CN113110212A - 一种钢结构建筑健康监测系统及其布置方法 - Google Patents

Abstract

一种钢结构建筑健康监测系统及其布置方法，系统包括传感器设备层、监测数据传输层及系统应用层；通过监测获得钢结构建筑环境、力学参数，结合结构竣工图、钢结构计算书、施工详图、施工验算计算书，使用有限元建模分析应力应变集中、结构相对位移超过梁长/1000mm的危险点，增加危险点监测点密度及频率；本发明综合利用多种现代的传感技术、信号传导模式及数据分析，通过对钢结构建筑的物理力学性能进行实时无损监测，并结合云监控应用软件，对损伤位置和程度进行诊断，及时进行结构的安全性、耐久性、可靠性和承载能力的智能评估，在突发事件下或结构使用状况严重异常时触发预警信号，为结构的施工、维修、养护与管理决策提供依据和指导；同时，可以通过加入结构室内环境传感器监测结构室内环境变量、并与智能家居设备形成联动，改善建筑内部环境。

Description

一种钢结构建筑健康监测系统及其布置方法

技术领域

本发明属于钢结构建筑安全技术领域，具体涉及一种钢结构建筑健康监测系统及其布置方法。

背景技术

近年来，由于具有重量轻,易加工，破坏往往属于塑性破坏等特点，轻型钢结构越来越普遍的适用在不承受大载荷的承重建筑中。

钢结构常见的破坏形式有：1.结构整体失稳、2.结构、构件局部失稳、3.构件塑性破坏、4.构件脆性断裂、5.构件疲劳破坏、6.结构损伤累计破坏等形式。其破坏形式多种多样，除结构脆性、疲劳整体破坏以外，其结构在但在结构破坏前大多都需要经历变形阶段，为了实现整体工程的安全、完好实现，进行施工监测是必要的。

钢结构监测方式通常包括：人工监测(利用简单的仪器，进行定期监测和检测)。自动监测(采用多种多类的传感器和监测设备，利用系统应用端对结构进行实时监测)。联合监测(将人工、自动监测法结合，用各种小型的自动化程度较高的仪器，配合人工监测)。而由于行业技术发展受限，目前我国在进行施工监测时都大多采用人工监测，自动化监测尚不成熟。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种钢结构建筑健康监测系统及其布置方法，能够利用多种现代的传感技术、信号传导模式及数据分析，科学合理的系统布置，对钢结构建筑的物理力学性能、建筑室内环境进行实时监测，并结合监控应用软件，对建筑整体力学、环境情况进行判断，可以智能化的评估钢结构的安全性、耐久性、可靠性和承载能力；还能评估钢结构建筑内部环境情况，为钢建筑结构健康的维修、养护与管理决策提供依据和指导。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种钢结构建筑健康监测系统，包括传感器设备层、监测数据传输层及系统应用层；

所述传感器设备层包括建筑力学监测传感器子模块和建筑环境监测传感器子模块；

所述的监测数据传输层通过WiFi或者4G\5G蜂窝流量将传感器设备层的监测数据传输至5G工业网关中转，而后通过5G工业网关将传感器设备层的监测数据上传至云端监测数据中心服务器；云端监测数据中心服务器数据库采用基于IFC标准的C#语言数据库，储存有IFC规范BIM模型，在云端监测数据中心服务器将监测传感器编号与云端监测数据中心服务器IFC规范中的传感器编号相对应判断，当编号对应成功时，提取该编号传感器数据添加至云端监测数据中心服务器中数据库；当编号对应不成功时,先在云端监测数据中心服务器中新建传感器编号，而后提取该编号传感器信息添加至云端监测数据中心服务器中数据库；最终将传感器设备层的监测数据在云端监测数据中心服务器进行储存集成到IFC规范文件中；

所述的系统应用层使用C#编程语言开发，通过应用端从云端监测数据中心服务器调用收集到的传感器设备层监测数据，并将所收集数据整理、汇总；通过建筑环境监测传感器子模块采集的建筑环境变量数据，进行监测、预警及调节室内环境变量；通过建筑力学监测传感器子模块采集的建筑力学变量数据，结合BIM模型，可视化的反映钢结构实时状况，并支持IFC模型导出。

所述建筑环境监测传感器子模块包括水压传感器，电流传感器，温、湿度传感器，有害气体传感器，烟雾传感器，风速、风向检测仪。

所述温、湿度传感器，有害气体传感器，烟雾传感器均交错布置，且横纵方向不在同一水平或竖向直线上。

所述建筑力学监测传感器子模块采用高精度MEMS光纤光栅传感器或自温补焊接式光纤应变计。

所述MEMS光纤光栅传感器监测精度为0.1mm、自温补焊接式光纤应变计的应变量程±3000με。

所述5G工业网关留有IPSEC、OPENSSL、OP-TEE、DPDK、ovs-DPDK、Samba多种数据传输协议。

一种钢结构建筑健康监测系统的布置方法，具体为：

S1传感器设备层安装

1)建筑力学监测传感器子模块的安装

在钢结构建筑施工完成后，结合竣工图纸在钢结构梁、柱的端点及跨中点，结合有限元模型分析后应力、应变集中或相对位移超过梁长/1000mm的结构位置处安装高精度MEMS光纤光栅传感器，对建筑结构的梁、柱结构实时进行挠度、应力、倾角监测；在沿平行焊缝1-1.5cm处安装自温补焊接式光纤应变计，对钢结构安装时的焊缝进行变形监测；

2)建筑环境监测传感器子模块的安装

在水网各个节点安装水压传感器；在电网主输入节点和各子系统子节点安装电流传感器；于建筑内部交错布置安装温、湿度传感器、有害气体传感器、烟雾传感器，且横纵方向不在同一水平或竖向直线上；于建筑外墙每个转角处安装风速、风向检测仪；

S2将传感器设备层与监测数据传输层通过WiFi或者4G\5G全网通信号连接，传感器设备层所监测数据通过5G工业网关上传至云端监测数据中心服务器；

S3系统应用层设置应用终端，应用终端页面设置包括监测预警、历史数据查询、实时监测、项目概况、系统管理、3D视角查看及数据导出子系统。

所述S1第1)步建筑力学监测子模块传感器的安装中结合有限元模型分析的方法，具体为：

a)高精度MEMS光纤光栅传感器第一次安装、建筑监测数据采集

在钢结构的梁、柱端点及跨中区域1-5m定距安装MEMS光纤光栅传感器，并人为设定监测周期，采集钢结构建筑初始应力应变数据、水平和竖向变形数据；

b)建立Abaqus有限元仿真模型分析结构受力特征

将a)中所得到的钢结构应力应变数据，代入Abaqus有限元模型计算软件分析钢结构建筑应力应变情况,得到钢结构应力应变集中点结构位置；

c)根据b)中所述的钢结构建筑应力应变情况得到的钢结构应力应变集中点结构位置，结合a)中已有的MEMS光纤光栅传感器监测点加密布置MEMS光纤光栅传感器，布置密度不小于1m/处；同时在系统应用层增加该区域MEMS光纤光栅传感器监测频率，使监测频率不小于12h/次。

本发明的有益效果在于：

1、通过监测获得钢结构建筑环境、力学参数，其中，钢结构建筑环境参数监测后期可配合智能家居设备改善建筑物能耗、空气温度等室内条件；通过钢结构建筑力学及环境参数监测能预警、量化地震、火灾、结构破坏、台风等灾害对结构本身的影响。

2、结合结构竣工图、钢结构计算书、施工详图、施工验算计算书，使用有限元建模分析应力应变集中、结构相对位移较大的危险点，增加危险点监测点密度及频率，提供了一种新的传感器安装思路。

3、本发明综合利用多种现代的传感技术、信号传导模式及数据分析，通过对钢结构建筑的物理力学性能进行实时无损监测，并结合云监控应用软件，对损伤位置和程度进行诊断，及时进行结构的安全性、耐久性、可靠性和承载能力的智能评估，在突发事件下或结构使用状况严重异常时触发预警信号，为结构的施工、维修、养护与管理决策提供依据和指导；同时，可以通过加入结构室内环境传感器监测结构室内环境变量、并与智能家居设备形成联动，改善建筑内部环境。

附图说明

图1为本发明的流程框图。

图2为本发明中传感器设备层集成IFC框架流程图。

图3为本发明中系统应用层平台账号登陆界面图。

图4为本发明中系统应用层监控预警子系统界面图。

图5为本发明中系统应用层数据管子系统界面图。

图6为本发明中系统应用层实时监测子系统界面图。

图7为本发明中系统应用层项目概况总览子系统界面图。

图8为本发明中系统应用层3D查看管理子系统界面图。

图9为本发明中系统应用层数据导出子系统界面图。

图10为本发明中传感器设备层在钢结构横梁布置点位图。

图11为本发明中传感器设备层在钢结构立柱布置点位图。

图12为本发明中传感器设备层在钢结构焊缝布置点位图。

图13为本发明中有限元分析结构应力应变集中图。

图14为本发明中有限元分析结构位移集中图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

一种钢结构建筑健康监测系统，包括传感器设备层、监测数据传输层及系统应用层；

参见图1，所述传感器设备层包括建筑力学监测传感器子模块和建筑环境监测传感器子模块；

所述的监测数据传输层通过WiFi或者4G\5G蜂窝流量将传感器设备层监测到的数据传输至5G工业网关中转，5G工业网关，支持4G/5G全网通，留有WIFI多种接口，并同时支持IPSEC、OPENSSL、OP-TEE、DPDK、ovs-DPDK、Samba多种协议，且搭载网络加速引擎，多种接口多种协议快速将传感器数据上传至云端监测数据中心服务器进行整理、储存；5G工业网关将传感器设备层的监测数据上传至云端监测数据中心服务器，云端监测数据中心服务器数据库采用基于IFC标准的C#语言数据库，储存有IFC规范BIM模型，在云端监测数据中心服务器将监测传感器编号与云端监测数据中心服务器IFC规范中的传感器编号相对应判断，当编号对应成功时，提取该编号传感器数据添加至云端监测数据中心服务器中数据库；当编号对应不成功时,先在云端监测数据中心服务器中新建传感器编号，而后提取该编号传感器信息添加至云端监测数据中心服务器中数据库；最终将传感器设备层的监测数据在云端监测数据中心服务器进行储存集成到IFC规范文件中；见图2。

所述的系统应用层使用C#编程语言开发，通过应用端从云端监测数据中心服务器调用收集到的传感器设备层监测数据，并将所收集数据整理、汇总；通过建筑环境监测传感器子模块采集的建筑环境变量数据，进行监测、预警及调节室内环境变量；通过建筑力学监测传感器子模块采集的建筑力学变量数据，结合BIM模型，可视化的反映钢结构实时状况，并支持IFC模型导出。

所述建筑环境监测传感器子模块包括水压传感器，电流传感器，温、湿度传感器，有害气体传感器，烟雾传感器，风速、风向检测仪。

水压传感器采用水压变送器，安装在水网各个节点实时监测水压状态，为供水设备故障检修提供依据，为消防设备提供供水支撑。

电流传感器采用多功能谐波表，在电网主输入节点和各子系统子节点均安装一处用于监测建筑室内内部能耗。

温、湿度传感器用于监测建筑内部温度、湿度状态，与建筑内部电力监控设备一起为建筑能耗监测提供支撑依据，同时与建筑内部智能家居设备构成联动，当监测到建筑内部温度低于限定值时，与温度调节设备联动控制建筑室内温、湿度。

有害气体传感器用于监测包括甲醛、苯、TOVC、氨、氡等有害气体，对于不同功能的建筑物，其布置密度及形式应满足建筑物监测需求。

烟雾传感器用于监测封闭室内火灾情况，其布置密度及形式应满足建筑物监测需求。

建筑环境监测子模块其风速、风向监测采用风速、风向监测。

所述建筑力学监测传感器子模块采用高精度MEMS光纤光栅传感器及自温补焊接式光纤应变计。

所述MEMS光纤光栅传感器监测精度为0.1mm、自温补焊接式光纤应变计的应变量程±3000με。

所述5G工业网关留有IPSEC、OPENSSL、OP-TEE、DPDK、ovs-DPDK、Samba多种数据传输协议。

一种钢结构建筑健康监测系统的布置方法，具体为：

S1传感器设备层安装，见图10至图14；

1)建筑力学监测传感器子模块的安装

在钢结构建筑施工完成后，结合竣工图纸在钢结构梁、柱的端点及跨中点，结合有限元模型分析后应力、应变集中或相对位移超过梁长/1000mm的结构位置处安装高精度MEMS光纤光栅传感器，对建筑结构的梁、柱结构实时进行挠度、应力、倾角监测；在沿平行焊缝1-1.5cm处安装自温补焊接式光纤应变计，对钢结构安装时的焊缝进行变形监测；

2)建筑环境监测传感器子模块的安装

在水网各个节点安装水压传感器；在电网主输入节点和各子系统子节点安装电流传感器；于建筑内部交错布置安装温、湿度传感器、有害气体传感器、烟雾传感器，且横纵方向不在同一水平或竖向直线上；于建筑外墙每个转角处安装风速、风向检测仪；

S2将传感器设备层与监测数据传输层通过WiFi或者4G\5G全网通信号连接，传感器设备层所监测数据通过5G工业网关上传至云端监测数据中心服务器；

S3系统应用层设置应用终端，应用终端页面设置包括监测预警、历史数据查询、实时监测、项目概况、系统管理、3D视角查看及数据导出子系统。

监控预警子系统可以通过对于监测阈值的上下限进行人为设置从而监测建筑应力应变、环境情况是否满足人为需求，见图3。

历史数据查询子系统可以通过调用云端监测数据中心服务器中的监测数据分时间段、分传感器位置的查看监测器数据，见图4。

实时监测子系统可以通过调用当前传感器的监测数据结合监控预警子系统中的预警阈值响应警报，并以时间轴为横轴，监测值为纵轴的线型图展示建筑结构当前的监测情况，见图5。

项目概况总览子系统可以展示项目概况以及监测点工作状态是否正常，见图6。

系统管理子系统可以通过登录服务器中不同操作权限的用户账号，从而区别操作者给与不同的操权限范围，见图7。

3D视角查看子系统可以通过载入于云端监测数据中心服务器中储存的BIM模型，通过模型点击操作实时查看建筑BIM模型中对应传感器的监测数值，见图8。

数据导出子系统可以通过调用中心平台将包含指定时刻传感器监测数据的BIM模型导出，见图9。

所述S1第1)步中建筑力学监测子模块传感器的安装中结合有限元模型分析的方法，具体为：

a)高精度MEMS光纤光栅传感器第一次安装、建筑监测数据采集

在钢结构的梁、柱端点及跨中区域1-5m定距安装MEMS光纤光栅传感器，并人为设定的监测周期，采集钢结构建筑初始应力应变数据、水平和竖向变形数据；

b)建立Abaqus有限元仿真模型分析结构受力特征

根据结构竣工图、钢结构计算书、施工详图、施工验算计算书,将a)中所得到的钢结构应力应变数据，代入Abaqus有限元模型计算软件分析钢结构建筑应力应变情况,得到钢结构应力应变集中点的结构位置；

c)根据b)中所述的钢结构建筑应力应变情况得到的钢结构应力应变集中点的结构位置，结合a)中已有的MEMS光纤光栅传感器监测点加密布置MEMS光纤光栅传感器，布置密度不小于1m/处；同时在系统应用层增加该区域MEMS光纤光栅传感器监测频率，使监测频率不小于12h/次。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种钢结构建筑健康监测系统，包括传感器设备层、监测数据传输层及系统应用层；其特征在于：

所述传感器设备层包括建筑力学监测传感器子模块和建筑环境监测传感器子模块；

所述的监测数据传输层通过WiFi或者4G\5G蜂窝流量将传感器设备层的监测数据传输至5G工业网关中转，而后通过5G工业网关将传感器设备层的监测数据上传至云端监测数据中心服务器；云端监测数据中心服务器数据库采用基于IFC标准的C#语言数据库，储存有IFC规范BIM模型，在云端监测数据中心服务器将监测传感器编号与云端监测数据中心服务器IFC规范中的传感器编号相对应判断，当编号对应成功时，提取该编号传感器数据添加至云端监测数据中心服务器中数据库；当编号对应不成功时,先在云端监测数据中心服务器中新建传感器编号，而后提取该编号传感器信息添加至云端监测数据中心服务器中数据库；最终将传感器设备层的监测数据在云端监测数据中心服务器进行储存集成到IFC规范文件中；

所述的系统应用层使用C#编程语言开发，通过应用端从云端监测数据中心服务器调用收集到的传感器设备层监测数据，并将所收集数据整理、汇总；通过建筑环境监测传感器子模块采集的建筑环境变量数据，进行监测、预警及调节室内环境变量；通过建筑力学监测传感器子模块采集的建筑力学变量数据，结合BIM模型，可视化的反映钢结构实时状况，并支持IFC模型导出。

2.根据权利要求1所述的一种钢结构建筑健康监测系统，其特征在于：所述建筑环境监测传感器子模块包括水压传感器，电流传感器，温、湿度传感器，有害气体传感器，烟雾传感器，风速、风向检测仪。

3.根据权利要求2所述的一种钢结构建筑健康监测系统，其特征在于：所述温、湿度传感器，有害气体传感器，烟雾传感器均交错布置，且横纵方向不在同一水平或竖向直线上。

4.根据权利要求1所述的一种钢结构建筑健康监测系统，其特征在于：所述建筑力学监测传感器子模块采用高精度MEMS光纤光栅传感器或自温补焊接式光纤应变计。

5.根据权利要求4所述的一种钢结构建筑健康监测系统，其特征在于：所述MEMS光纤光栅传感器监测精度为0.1mm、自温补焊接式光纤应变计的应变量程±3000με。

6.根据权利要求1所述的一种钢结构建筑健康监测系统，其特征在于：所述5G工业网关留有IPSEC、OPENSSL、OP-TEE、DPDK、ovs-DPDK、Samba多种数据传输协议。

7.一种钢结构建筑健康监测系统的布置方法，具体为：

S1传感器设备层安装

1)建筑力学监测传感器子模块的安装

在钢结构建筑施工完成后，结合竣工图纸在钢结构梁、柱的端点及跨中点，结合有限元模型分析后应力、应变集中或相对位移超过梁长/1000mm的结构位置处安装高精度MEMS光纤光栅传感器，对建筑结构的梁、柱结构实时进行挠度、应力、倾角监测；在沿平行焊缝1-1.5cm处安装自温补焊接式光纤应变计，对钢结构安装时的焊缝进行变形监测；

2)建筑环境监测传感器子模块的安装

在水网各个节点安装水压传感器；在电网主输入节点和各子系统子节点安装电流传感器；于建筑内部交错布置安装温、湿度传感器、有害气体传感器、烟雾传感器，且横纵方向不在同一水平或竖向直线上；于建筑外墙每个转角处安装风速、风向检测仪；

S2将传感器设备层与监测数据传输层通过WiFi或者4G\5G全网通信号连接，传感器设备层所监测数据通过5G工业网关上传至云端监测数据中心服务器；

S3系统应用层设置应用终端，应用终端页面设置包括监测预警、历史数据查询、实时监测、项目概况、系统管理、3D视角查看及数据导出子系统。

8.根据权利要求7所述的一种钢结构建筑健康监测系统的布置方法，其特征在于：所述S1第1)步中建筑力学监测子模块传感器的安装中结合有限元模型分析的方法，具体为：

a)高精度MEMS光纤光栅传感器第一次安装、建筑监测数据采集

在钢结构的梁、柱端点及跨中区域1-5m定距安装MEMS光纤光栅传感器，并人为设定的监测周期，采集钢结构建筑初始应力应变数据、水平和竖向变形数据；

b)建立Abaqus有限元仿真模型分析结构受力特征

将a)中所得到的钢结构应力应变数据，代入Abaqus有限元模型计算软件分析钢结构建筑应力应变情况,得到钢结构应力应变集中点的结构位置；

c)根据b)中所述的钢结构建筑应力应变情况得到的钢结构应力应变集中点的结构位置，结合a)中已有的MEMS光纤光栅传感器监测点加密布置MEMS光纤光栅传感器，布置密度不小于1m/处；同时在系统应用层增加该区域MEMS光纤光栅传感器监测频率，使监测频率不小于12h/次。

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