CN114232847A - 一种智能自感知玻璃幕墙系统 - Google Patents

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李红豫
欧孝夺
江杰
李结全
肇云亮
曾健
姜子石
白露
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Abstract

本发明提供一种智能自感知玻璃幕墙系统，属于玻璃幕墙技术领域，包括若干个自感知玻璃幕墙体系和数据监测系统，若干个自感知玻璃幕墙体系均与数据监测系统连接，数据监测系统用于实时检测每个自感知玻璃幕墙体系的数据，对自感知玻璃幕墙体系进行损伤状态实时监控和定位，且根据所采集的信号进行危险性评价，根据运营状态进行损伤预测。本发明将价格低廉且具有一定可靠性的压电陶瓷片以阵列的形式置于优化的支撑结构及结构胶中，通过设计使其具有主被动监测能力，实现损伤识别、定位及量化，通过玻璃本身内置了传感器的监测情况和及时反馈，可以提早得知玻璃的损坏情况，遏制其他范围的玻璃被破碎和影响，同时尽早做出有效的修补方案和措施。

Description

一种智能自感知玻璃幕墙系统
技术领域
本发明涉及玻璃幕墙技术领域，尤其涉及一种智能自感知玻璃幕墙系统。
背景技术
大多数高层建筑均采用玻璃幕墙作为外墙装饰，其优势在于良好的透光性、防水防潮和隔音效果，且兼具美观的特点，使其在高层建筑和大型公共建筑中广泛使用。但是享受玻璃幕墙带来的优越性能的同时，玻璃的特殊材料属性决定其具有不可避免及无法预测的损伤破坏问题，加之高层结构所承受的风荷载、内外部振动及温度影响等均直接作用于幕墙，导致受力状态复杂，直接影响其安全性。于此同时，玻璃幕墙体系有着一个非常普遍的缺点就是在于安装工序及后期维护复杂，都会直接的导致工程成本的提高。现有的玻璃幕墙安全检测和维护手段远远跟不上产品发展的进程，因此玻璃幕墙的安全性和质量保障极大程度上是依赖于制造方在出厂时的质量控制体系，尽管通常幕墙制造商会有严格的产品测试流程以保证幕墙在风荷载、有害振动的条件下的安全工作，但是由于安装后的工况更加复杂，仅仅通过出厂检测并不能完全保障其安全性，更多的是需要后续定期维护和检测。而目前幕墙的现场检测面临着很多无法解决的困难和挑战：每次全面检测时都要涉及关闭整栋建筑，同时需要安装动臂式升降机或悬挂式脚手架，这些都涉及多方协调，耗费大量的人力和物力，成本极高且效率低下；同时所采用的检测手段方法也比较单一，主要是表观检测，对操作人员的要求极高且过于依赖主观判断，容易遗留安全隐患；因此针对玻璃幕墙安全性和后期的运营维护的问题，提出一种将多传感器技术与玻璃幕墙进行有机结合，开发一种自感知智能玻璃幕墙，使玻璃幕墙具有损伤和状态自监测、自识别和自评估的能力。
针对于玻璃幕墙损伤识别所存在的问题，包括(1)定期维护检测时需要关闭建筑物，间接造成经济损失；(2)常规检测时需要搭设外部脚手架等，会无形的增加检测人员的风险且成本较高；(3)目前常规针对玻璃幕墙损伤的检测方法主要是以表观检测为主，过于主观，无法实现定量分析；(4)无法进行全生命周期长期实时监测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种智能自感知玻璃幕墙系统，解决背景技术中提到的技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种智能自感知玻璃幕墙系统，包括若干个自感知玻璃幕墙体系和数据监测系统，若干个自感知玻璃幕墙体系均与数据监测系统连接，数据监测系统用于实时检测每个自感知玻璃幕墙体系的数据，对自感知玻璃幕墙体系进行损伤状态实时监控和定位，且根据所采集的信号进行危险性评价，根据运营状态进行损伤预测，然后判断自感知玻璃幕墙体系中的玻璃是否出现损伤，自感知玻璃幕墙体系包括玻璃幕墙功能单元和玻璃幕墙感知单元，所述玻璃幕墙感知单元嵌入在玻璃幕墙功能单元内，并与数据监测系统连接，玻璃幕墙感知单元用于支撑单块玻璃体，玻璃幕墙感知单元用于实时检测每个自感知玻璃幕墙体系中的玻璃是否出现损伤和损伤位置的数据，然后把检测数据传给数据监测系统。
进一步地，玻璃幕墙感知单元包括支撑体系、玻璃和结构胶，结构胶设置在支撑体系上，玻璃的侧边粘合在结构胶上，并固定在支撑体系上。
进一步地，玻璃幕墙感知单元包括压电陶瓷阵列和导线，压电陶瓷阵列设置在玻璃的四个侧边上，并内嵌在结构胶的内部，同时压电陶瓷阵列与玻璃的侧边相对设置，压电陶瓷阵列与导线连接，导线内嵌在结构胶的内部，并引出外部与数据监测系统连接。
进一步地，结构胶为耦合剂，耦合剂用于耦合压电陶瓷阵列。
进一步地，压电陶瓷阵列上的压电陶瓷片等间距设置，相对侧的压电陶瓷片相对设置，导线将采集的压电陶瓷片上的信号传给数据监测系统。
进一步地，玻璃幕墙感知单元在设置时，先设计压电陶瓷片的有限元模型，然后再确定设置压电陶瓷片的参数，参数包括压电陶瓷片的极化方向、排列方式、频率和尺寸大小，然后把有限元模型和参数输入到数据监测系统中，把采集的数据与相对应的有限元模型进行匹配运算，得到检测结果数据。
本发明由于采用了上述技术方案，具有以下有益效果：
本发明将价格低廉且具有一定可靠性的压电陶瓷片以阵列的形式置于优化的支撑结构及结构胶中，通过设计使其具有主被动监测能力，实现损伤识别、定位及量化，通过玻璃本身内置了传感器的监测情况和及时反馈，可以提早得知玻璃的损坏情况，遏制其他范围的玻璃被破碎和影响，同时尽早做出有效的修补方案和措施，具有实时检测，检测位置准确，精度高和价格便宜的优点。
附图说明
图1是本发明自感知玻璃幕墙体系结构示意图。
附图中，1-支撑体系，2-玻璃，3-结构胶，4-压电陶瓷阵列，5-导线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。
如图1所示，一种智能自感知玻璃幕墙系统，包括若干个自感知玻璃幕墙体系和数据监测系统，若干个自感知玻璃幕墙体系均与数据监测系统连接，数据监测系统用于实时检测每个自感知玻璃幕墙体系的数据，对自感知玻璃幕墙体系进行损伤状态实时监控和定位，且根据所采集的信号进行危险性评价，根据运营状态进行损伤预测，然后判断自感知玻璃幕墙体系中的玻璃是否出现损伤，自感知玻璃幕墙体系包括玻璃幕墙功能单元和玻璃幕墙感知单元，所述玻璃幕墙感知单元嵌入在玻璃幕墙功能单元内，并与数据监测系统连接，玻璃幕墙感知单元用于支撑单块玻璃体，玻璃幕墙感知单元用于实时检测每个自感知玻璃幕墙体系中的玻璃是否出现损伤和损伤位置的数据，然后把检测数据传给数据监测系统。
数据监测系统为数据处理系统，用于检测整栋楼的玻璃幕墙的数据，然后经过检测，并对每个自感知玻璃幕墙体系进行标号，实现对整栋楼的整体模型的生成，然后再对每个自感知玻璃幕墙体系进行设计有限元模型，实现对整栋楼的玻璃幕墙进行检测。
本发明实施例中，玻璃幕墙感知单元包括支撑体系1、玻璃2和结构胶3，结构胶3设置在支撑体系1上，玻璃2的侧边粘合在结构胶3上，并固定在支撑体系1上。
本发明实施例中，玻璃幕墙感知单元包括压电陶瓷阵列4和导线5，压电陶瓷阵列4设置在玻璃2的四个侧边上，并内嵌在结构胶3的内部，同时压电陶瓷阵列4与玻璃2的侧边相对设置，压电陶瓷阵列4与导线5连接，导线5内嵌在结构胶3的内部，并引出外部与数据监测系统连接结构胶3为耦合剂，耦合剂用于耦合压电陶瓷阵列4。
本发明实施例中，压电陶瓷阵列4上的压电陶瓷片等间距设置，相对侧的压电陶瓷片相对设置，导线5将采集的压电陶瓷片上的信号传给数据监测系统。玻璃幕墙感知单元在设置时，先设计压电陶瓷片的有限元模型，然后再确定设置压电陶瓷片的参数，参数包括压电陶瓷片的极化方向、排列方式、频率和尺寸大小，然后把有限元模型和参数输入到数据监测系统中，把采集的数据与相对应的有限元模型进行匹配运算，得到检测结果数据。
开发了自感知玻璃幕墙的设计与研发：将价格低廉且具有一定可靠性的压电陶瓷片以阵列的形式置于优化的支撑结构及结构胶中，通过设计使其具有主被动监测能力，实现损伤识别、定位及量化。
根据玻璃易破脆性的特点，玻璃因局部小范围的破坏损伤，导致大范围的更换和维修，不仅花费更大的人力物力，同时也会浪费大量不必要的资源。但若通过玻璃本身内置了传感器的监测情况和及时反馈，可以提早得知玻璃的损坏情况，遏制其他范围的玻璃被破碎和影响，同时尽早做出有效的修补方案和措施。
玻璃幕墙的玻璃面板和支撑结构的结合主要是结构胶的填充，而结构胶可以作为耦合剂，将压电陶瓷片以阵列的形式内置于结构胶中，变可以形成自感知玻璃幕墙的初步设计。
开展室内模型试验和数值模拟相结合，首先利用多物理场数值模拟，通过精确模拟玻璃幕墙结构与压电陶瓷片，从而实现自感知玻璃幕墙的设计，其中所研发的自感知玻璃幕墙体系可以分为功能单元和感知单元，其中功能单元主要是玻璃幕墙本身，这里指的是玻璃面板、结构胶与支撑结构的设计，不仅满足力学性能的需求同时也要满足使用性能，使用性能主要是“四性”的要求；而感知单元是通过内嵌压电陶瓷片阵列来完成设计，由于多物理场模型的引入，通过有限元技术也以实现精确模拟压电传感器，并与结构进行耦合，从而设计和选择压电陶瓷薄片尺寸、类型、极化方向等，基于压电陶瓷片的配置，结合设计结构胶及支撑结构，实现“支撑结构+结构胶+传感器+ 玻璃+节点”的优化组合既满足力学和构造要求，同时考虑将压电陶瓷片及其导线融合在结构胶中，同时在优化后的支撑结构中利用结构胶耦合压电传感器阵列(超声+声发射)形成自感知系统，形成系统后模拟实际工况，从而测试自感知幕墙的监测能力，如图1所示，通过调整传感器的设计，便可以根据监测的技术参数调整压电陶瓷本身和阵列布置，这些都可以利用数值技术完成，从而大幅降低研发成本；确定出几组最优方案后，利用室内模型试验，制造出原型自感知玻璃幕墙进行自感知玻璃幕墙原型的实验室性能测试，测试结果可以验证数值实验的正确性同时可以进一步调整数值模拟，而新的模拟结果又可以进一步改良试验原型，最终形成最合理的自感知玻璃幕墙的设计方案。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种智能自感知玻璃幕墙系统，其特征在于：包括若干个自感知玻璃幕墙体系和数据监测系统，若干个自感知玻璃幕墙体系均与数据监测系统连接，数据监测系统用于实时检测每个自感知玻璃幕墙体系的数据，对自感知玻璃幕墙体系进行损伤状态实时监控和定位，且根据所采集的信号进行危险性评价，根据运营状态进行损伤预测，然后判断自感知玻璃幕墙体系中的玻璃是否出现损伤，自感知玻璃幕墙体系包括玻璃幕墙功能单元和玻璃幕墙感知单元，所述玻璃幕墙感知单元嵌入在玻璃幕墙功能单元内，并与数据监测系统连接，玻璃幕墙感知单元用于支撑单块玻璃体，玻璃幕墙感知单元用于实时检测每个自感知玻璃幕墙体系中的玻璃是否出现损伤和损伤位置的数据，然后把检测数据传给数据监测系统。
2.根据权利要求1所述的一种智能自感知玻璃幕墙系统，其特征在于：玻璃幕墙感知单元包括支撑体系(1)、玻璃(2)和结构胶(3)，结构胶(3)设置在支撑体系(1)上，玻璃(2)的侧边粘合在结构胶(3)上，并固定在支撑体系(1)上。
3.根据权利要求2所述的一种智能自感知玻璃幕墙系统，其特征在于：玻璃幕墙感知单元包括压电陶瓷阵列(4)和导线(5)，压电陶瓷阵列(4)设置在玻璃(2)的四个侧边上，并内嵌在结构胶(3)的内部，同时压电陶瓷阵列(4)与玻璃(2)的侧边相对设置，压电陶瓷阵列(4)与导线(5)连接，导线(5)内嵌在结构胶(3)的内部，并引出外部与数据监测系统连接。
4.根据权利要求3所述的一种智能自感知玻璃幕墙系统，其特征在于：结构胶(3)为耦合剂，耦合剂用于耦合压电陶瓷阵列(4)。
5.根据权利要求4所述的一种智能自感知玻璃幕墙系统，其特征在于：压电陶瓷阵列(4)上的压电陶瓷片等间距设置，相对侧的压电陶瓷片相对设置，导线(5)将采集的压电陶瓷片上的信号传给数据监测系统。
6.根据权利要求5所述的一种智能自感知玻璃幕墙系统，其特征在于：玻璃幕墙感知单元在设置时，先设计压电陶瓷片的有限元模型，然后再确定设置压电陶瓷片的参数，参数包括压电陶瓷片的极化方向、排列方式、频率和尺寸大小，然后把有限元模型和参数输入到数据监测系统中，把采集的数据与相对应的有限元模型进行匹配运算，得到检测结果数据。
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