分享自2021中国国际智能建筑展主题论坛演讲

演讲主题：《复杂结构施工过程仿真计算及监测技术》

演讲嘉宾：林金地

- 中建工程产业技术研究院有限公司数字建造中心工程测控研究所副所长

- 博士、教授、博士生导师

<以下内容根据嘉宾演讲整理而成>

建筑结构作为工程项目的主体，安全至关重要。从这个角度出发，本文主要分享复杂结构施工过程仿真计算及监测技术，包括相关理论、方法和实践工作。

一、复杂结构建筑

每个建筑师心里都住了一位狂野的艺术家。前段时间，有几个建筑被评为“全球五大违背力学的建筑”：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。

对于建筑结构工程师而言，这些建筑有一个共同的名字：复杂结构。

什么是复杂结构？对于高层建筑而言，分为两类：

1、平面不规则，包括扭转不规则、偏心布置、凹凸不规则、平面组合、楼板不连续

2、竖向不规则，包括刚度突变、尺寸突变、构件间断、承载突变、局部不规则

根据以上组合的频次不同，复杂结构分为不规则结构（1项及以上）、特别不规则结构（3项及以上）、严重不规则结构（多项或单项远超规定值）。

国家规范条文明确规定，严重不规则结构是严禁采用的，特别不规则结构，要在项目上组织专人，做仿真计算，邀请专家进行论证，最后再结合施工过程做工程测控。《建筑与桥梁结构监测技术规范》明确指出，对于跨度较大、施工期间受力状态与一次成型的整体结构的成型加载分析结果存在显著差异的时候，就要做施工期间的监测。

复杂结构的施工过程有其特点：结构施工过程中结构的受力体系与设计阶段不同，具体表现在受力体系、边界约束条件发生了变化，受到的荷载及作用也不一样。正因有这些差异，因此复杂结构施工容易引发2类问题：

（一）极限承载能力问题（安全问题）

传力体系不清晰引发安全问题；

（二）施工过程的安装问题（施工问题）

变形过大，引起正常使用功能；

对于复杂结构，尤其针对超限结构、新型受力体系结构、未知影响因素较多的结构等工程，施工过程中需对其进行相应的施工测控。现代监测是一个系统性的工程，需要海量数据的管理与分析、异常监测数据的预处理、数据同步、提高仪器设备监测精度和频率，它是一个综合的测控平台，能够基于多源数据做出智慧决策。

二、仿真计算

仿真计算是在施工监测之前，用计算机技术对未来结构施工过程可能出现的安全薄弱环节进行预先判断。目前仿真计算主要采用有限元法。

有限元方法的基本思想：先化整为零、再积零为整，也就是把一个连续体人为的分割成有限个单元，即把一个结构看成由若干通过结点项链的单元组成的整体，先进行单元分析，然后再把这些单元组合起来代表原来的结构进行整体分析。

有限元方法的实质，是将复杂的连续体划分为有限多个简单的单元体，化无限自由度问题为有限自由度问题，将连续场函数的（偏）微分方程的求解问题转化成有限个参数的代数方程组的求解问题。

土木工程常用有限元软件有ANSYS（通用）、Adina（动力、非线性）、MIDAS（桥梁、混凝土）、SAP2000（常规结构）、MARC（岩土）等。有限元软件每一个参数的设置都有它独特的内涵，需要应用的一些前提条件，所以对于计算结果的准确性，需要一个专业判断。下面归纳了几点，用于做定量和定性的判断：

三、监测技术

实际监测中，对于传输方式的选择，第一种是“有线”连接方式，传感器、采集器、监测终端全部采用有线的连接方式，这是一种传统的监测方式。

第二种是“有线+无线”的连接方式，传感器和采集器采用有线连接，而终端是无线的通讯方式，这是目前大部分工程监测采用的一种方式。

第三种是“无线”连接方式，每一个传感器，它本身集成了一个采集模块和通讯模块，随着监测元器件的发展，成本的降低，这将是以后监测的主要方式。

监测仪器的选择，主要考虑的是量程、最小刻度、灵敏度、绝对误差、精确度、复现性、稳定性、可靠性。采集器的选择，主要考虑以下方面：

从采集仪通道数来选择

传统的监测方式对应力/应变的监测方式有应变片法、振弦式应力应变法、光纤光栅应力应变法，都是大家比较熟悉的。

对变形监测，传统有百分表/千分表、精密水准仪

对温度监测，比较常用的温度传感器主要是热电偶温度传感器、热敏电阻温度传感器和光纤光栅传感器。

对沉降监测，静力水准仪依据连通管原理的方法，用静力水准仪传感器，测量每个测点容器内液面的相对变化，再通过计算求得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手段：

光纤智能材料

光纤测温、光纤光栅智能索等

雷达遥测技术

雷达卫星系统获取的图像能够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

搭载高清摄像摄影系统，按规划的路径进行区域性采集信息

三维激光扫描技术

快速、完整全方位采集监测对象表面，获得结构表面点云，可用于地铁隧道断面收敛变形监测、管片的裂缝和渗水等。

基于测量机器人的3D变形监测技术

融合了测绘学、计算机、自动化、通信、信号处理等专业技术，自主研发的软件系统+全站仪，解决自动、高效、高精度地监测目标物在空间3维度变形的问题。

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，解决了大区域范围内自动、高效、连续监测目标物3维度变形的问题。

基于图像技术的非接触高精度变形监测技术

该系统自主开发，有工业相机、计算机及配套专业软件组成。通过相机连续采集的图像，运用相关数字图像处理算法解析得到被测目标点位的变形数据，解决传统变形测量方式监测点之间测量数据不同步、测点工装安装工作量大等问题。

大体积混凝土浇筑及养护过程中温度场实时无线监测系统

温度监测精度±