CN113917458A - 一种火灾中建筑结构位移的自动监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种火灾中建筑结构位移的自动监测方法，能够在火灾环境下，对多点位的水平位移和竖向位移实施快速、自动监测。该方法包括如下步骤：(S1)建立3D数字模型，形成建筑的数字镜像；(S2)建立建筑受火倒塌数据库；(S3)安装接触式温度传感器及多个信标；(S4)布置地面位移遥测装置及高空位移遥测装置；(S5)地面遥测装置和高空遥测装置实时测量相互之间的距离及各自距信标监测点位的距离；(S6)计算建筑位移并匹配火灾场景；(S7)进行阈值比对并报警。通过上述设计，本发明采用无人机搭载雷达，部署更灵活，不受地形限制；且从高空俯视，更容易获得关键部位的垂直位移信息。因此，适宜推广应用。

Description

一种火灾中建筑结构位移的自动监测方法
技术领域
本发明涉及火灾监测技术领域，具体地说，是涉及一种火灾中建筑结构位移的自动监测方法。
背景技术
随着社会的发展，人们对大型、高层建筑物的振动、变形的监测要求越来越高，尤其是火灾中建筑结构位移监测手段的实时性与非接触性要求很高。
在发生火灾时，火场产生的高温会对建筑结构产生破坏，使建筑发生一定的变形，当变形达到一定程度，建筑可能发生倒塌，这将严重威胁到火场中消防救援人员的生命安全。因此，对关键部位的位移形变进行实时、准确监测，是进行倒塌预警的重要手段。尤其重要的是，关键部位的水平位移和垂直位移是判断是否达到危险状态的重要指标。
但是，由于建筑物体积和高度的不断变大，传统的监测手段已经不能很好地满足变形监测的要求。近年来，微波干涉测量技术以其特有的“非接触性”与“实时性”等优势，逐步成为人们对大型、高层建筑物进行非接触式变形监测的手段之一。但采用微波干涉测量装置按照传统方法进行监测时，由于测量的是视线方向的距离变化，无法在火灾现场迅速的获得水平位移和垂直位移分量，在实际应用中的准确性和便捷性存在较大问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种火灾中建筑结构位移的自动监测方法，能够在火灾环境下，对多点位的水平位移和竖向位移实施快速、自动监测。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种火灾中建筑结构位移的自动监测方法，包括如下步骤：
(S1)对待监测建筑预先建立3D数字模型，形成建筑的数字镜像；
(S2)对实际建筑进行数值模拟分析，获得不同火灾场景下的建筑结构倒塌模式，揭示易受火灾影响的建筑结构薄弱部位，建立建筑受火倒塌数据库；
(S3)根据上述模拟分析的结果，在建筑内部安装接触式温度传感器，在建筑外部安装多个信标；
(S4)火灾发生时，在地面布置一个位置固定的地面位移遥测装置，在地面遥测装置的正上方高空通过无人机搭载布置另一个高空位移遥测装置；
(S5)地面遥测装置和高空遥测装置实时测量相互之间的距离，并分别实时监测各自距信标监测点位的距离；
(S6)监测终端获取各监测点位的位移和温度信息，通过三角变换解算各监测点位的水平与垂直位移，并用于与建筑受火倒塌数据库中的火灾场景进行匹配；
(S7)将获取到的位移信息与前述匹配到的火灾场景所对应的数据库位移阈值进行比对，若远小于倒塌阈值，则数字镜像上的各点都呈绿色，若接近阈值则变为黄色，若达到或者超过阈值则变为红色，监测终端发出声光报警。
进一步地，在本发明中，在步骤(S2)中，所述建筑结构薄弱部位包括钢结构梁、柱以及梁柱节点部位。
进一步地，在本发明中，所述建筑受火倒塌数据库包括建筑倒塌的火灾场景及各场景下结构薄弱部位的位移和温度阈值。
进一步地，在本发明中，所述信标采用所述信标采用抗背景信号干扰且耐高温的金属信标。
进一步地，在本发明中，所述地面遥测装置和高空遥测装置采用毫米波干涉雷达。
进一步地，在本发明中，所述温度传感器监测信息及地面遥测装置和高空遥测装置所测位移信息通过低延时通信装置传输至监测终端。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明预先建立建筑的受火倒塌模式数据库，能够为传感器的布置提科学的指导依据，显著提升结构位移监测的科学性和准确性，并采用内外结合的方式，监测建筑关键部位的形变位移，在监测手段上更可靠，抗火灾及高温干扰；通过低时延传输装置传输信息，能够显著降低延时，提升实际建筑与镜像之间的态势同步准确性。
(2)本发明通过部署两部高精度位移遥测装置进行相互测距，并同时对目标点位测距，可通过三角变换自动获得目标点位的水平位移和垂直位移。
(3)本发明采用无人机搭载高精度位移遥测装置，部署更灵活，不受地形限制；且从高空俯视，更容易获得关键部位的垂直位移信息。
(4)本发明通过与数据库中的倒塌模式和阈值进行比对，预警结果更为可靠；通过数字镜像实时显示不同部位的信息，更为直观。
附图说明
图1为本发明流程的结构示意图。
图2为本发明-实施例雷达信标布置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。
实施例
如图1、2所示，本发明公开的一种火灾中建筑结构位移的自动监测方法，包括如下步骤：
首先对待监测筑预先建立3D数字模型，模型中主要包括梁、柱等承重结构，形成建筑的数字镜像；
然后对实际建筑进行数值模拟分析，获得不同火灾场景下的建筑结构位移倒塌模式，揭示易受火灾影响的建筑结构薄弱部位，如钢结构梁、柱，建立建筑受火倒塌数据库，包括主要信息为：最可能倒塌的火灾场景，以及各场景下结构薄弱环节的位移和温度阈值；并将其储存于监测终端。
再根据上述模拟分析的结果，在建筑内部安装接触式温度传感器，并对其进行防火保护，发生火灾时可实时监测薄弱部位的位移，并通过5G等低延时技术将信息实时传输至终端；在建筑外部(如柱顶等位置)安装雷达信标，并对雷达信标进行编号；火灾时通过毫米波雷达获取布设信标处的位移信息(主要是垂直位移)，防止室内传感器受火烧损情况下，仍能获取建筑整体的位移形变信息。雷达信标采用金属、无源信标，无需供电，耐高温。雷达所测位移信息同样通过5G传输至终端。
在火灾发生时，在地面布置一个位置固定的高精度地面位移遥测装置，在地面遥测装置的正上方高空通过无人机搭载布置另一个高精度高空位移遥测装置；在本实施例中，所述高精度地面位移遥测装置及高空位移遥测装置均采用毫米波干涉雷达，无人机搭载的雷达可以从高空俯视的方式可同时观测多个信标的位移变化。所用无人机配备专业级云台，具有极高的稳定性，确保监测精度达到毫米级。
最后，监测终端获取各监测点位的位移和温度信息，并用于与建筑受火倒塌数据库中的火灾场景进行匹配；将获取到的位移信息与前述匹配到的火灾场景所对应的数据库位移阈值进行比对，若远小于倒塌阈值，则数字镜像上的各点都呈绿色，若接近阈值则变为黄色，若达到或者超过阈值则变为红色，监测终端发出声光报警。
例如，假设建筑上的一个雷达信标点位为C，固定雷达观测点位分别为距离建筑一定距离的地面观测点A，无人机搭载布置一个雷达位于A正上方的观测点B，A与B组成形变监测系统，且在监测过程中固定不动。
A与B可独自监测到C点的距离，且A与B之间的距离也能自动测量获得，进而通过余弦定理可获得三角形ABC的夹角。
当建筑受火发生形变时，目标点位从原来的C点偏移至C1，观测点A和B继续监测各自到C1点的距离，同样通过余弦定理可获得新的三角形ABC1的夹角信息。
通过上述连续测量，C点偏移至C1点后产生的竖向位移ΔH＝BC1×cos∠C1BA－BC×cos∠CBA，水平位移为ΔL＝BC1×sin∠C1BA－BC×sin∠CBA。
当多个目标点位(不仅是C)位于A、B的监测视野时，则监测系统能够对多个目标同时进行位移形变监测。
通过上述设计，本发明利用预先建立建筑的受火倒塌模式数据库，能够为传感器的布置提科学的指导依据，显著提升结构位移监测的科学性和准确性，并采用内外结合的方式，监测建筑关键部位的形变位移，在监测手段上更可靠，抗火灾及高温干扰；通过5G传输信息，能够显著降低延时，提升实际建筑与镜像之间的态势同步准确性。采用无人机搭载雷达，部署更灵活，不受地形限制；且从高空俯视，更容易获得关键部位的垂直位移信息。
上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种火灾中建筑结构位移的自动监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
(S1)对待监测建筑预先建立3D数字模型，形成建筑的数字镜像；
(S2)对实际建筑进行数值模拟分析，获得不同火灾场景下的建筑结构倒塌模式，揭示易受火灾影响的建筑结构薄弱部位，建立建筑受火倒塌数据库；
(S3)根据上述模拟分析的结果，在建筑内部安装接触式温度传感器，在建筑外部安装多个信标；
(S4)火灾发生时，在地面布置一个位置固定的地面位移遥测装置，在地面遥测装置的正上方高空通过无人机搭载布置另一个高空位移遥测装置；
(S5)地面遥测装置和高空遥测装置实时测量相互之间的距离，并分别实时监测各自距信标监测点位的距离；
(S6)监测终端获取各监测点位的位移和温度信息，通过三角变换解算各监测点位的水平与垂直位移，并用于与建筑受火倒塌数据库中的火灾场景进行匹配；
(S7)将获取到的位移信息与前述匹配到的火灾场景所对应的数据库位移阈值进行比对，若远小于倒塌阈值，则数字镜像上的各点都呈绿色，若接近阈值则变为黄色，若达到或者超过阈值则变为红色，监测终端发出声光报警。
2.根据权利要求1所述的一种火灾中建筑结构位移的自动监测方法，其特征在于，在步骤(S2)中，所述建筑结构薄弱部位包括钢结构梁、柱以及梁柱节点部位。
3.根据权利要求2所述的一种火灾中建筑结构位移的自动监测方法，其特征在于，在步骤(S2)中，所述建筑受火倒塌数据库包括建筑倒塌的火灾场景及各场景下结构薄弱部位的位移和温度阈值。
4.根据权利要求3所述的一种火灾中建筑结构位移的自动监测方法，其特征在于，所述信标采用抗背景信号干扰且耐高温的金属信标。
5.根据权利要求4所述的一种火灾中建筑结构位移的自动监测方法，其特征在于，所述地面遥测装置和高空遥测装置采用毫米波干涉雷达。
6.根据权利要求5所述的一种火灾中建筑结构位移的自动监测方法，其特征在于，所述温度传感器监测信息及地面遥测装置和高空遥测装置所测位移信息通过低延时通信装置传输至监测终端。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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