建筑健康监测：确保现代世界的安全与效率

建筑健康监测 (BHM) 是一门关键学科，专注于评估和维护建筑物和基础设施的结构完整性和整体健康状况。 在基础设施老化、城市化进程加快以及对气候变化的担忧日益增加的时代，BHM 提供了必要的工具，以确保安全、优化性能并延长宝贵资产的使用寿命。 本综合指南从全球角度探讨了建筑健康监测的原则、技术、应用和未来趋势。

什么是建筑健康监测？

建筑健康监测涉及使用传感器、数据采集系统和分析技术来持续或定期监测建筑物或其他结构的状况。 目标是尽早检测损坏、劣化或异常行为，从而实现及时的干预并防止灾难性故障。 BHM 超越了简单的视觉检查，提供了可用于评估结构健康状况、预测未来性能并优化维护策略的定量数据。

为什么建筑健康监测很重要？

建筑健康监测的重要性源于几个关键因素：

• 安全：BHM 有助于防止可能导致人员受伤、死亡和重大财产损失的结构故障。
• 节省成本：及早发现问题可以进行有针对性的维修，避免代价高昂的大规模翻新或更换。 基于 BHM 数据的预测性维护策略优化了维护计划，减少了停机时间并延长了基础设施的使用寿命。
• 提高性能：监控可以识别建筑物系统（例如暖通空调或能源消耗）中的低效率，从而提高性能和资源利用率。
• 可持续性：通过延长现有结构的使用寿命并优化资源使用，BHM 有助于实现更可持续的基础设施管理。
• 法规遵从性：许多司法管辖区正在实施更严格的建筑安全和维护法规，这使得 BHM 成为合规性的重要工具。 例如，欧盟的建筑产品法规 (CPR) 强调了建筑材料的耐用性和性能的重要性，间接促进了 BHM 技术的使用。
• 风险管理：BHM 提供了有价值的数据，用于评估和管理与自然灾害（例如地震、洪水和极端天气事件）相关的风险。 这在容易发生此类事件的地区尤其重要。

建筑健康监测系统的关键组成部分

A typical BHM system consists of the following key components:

• 传感器：这些设备测量与建筑物结构健康相关的各种参数，例如应变、位移、加速度、温度、湿度和腐蚀。
• 数据采集系统 (DAQ)：DAQ 从传感器收集数据并将其转换为计算机可以处理的数字格式。
• 数据传输系统：此组件将数据从 DAQ 传输到中央服务器或基于云的平台，以进行存储和分析。 这可能涉及有线或无线通信技术。
• 数据分析和可视化软件：此软件处理数据、识别趋势，并在检测到异常情况时生成警报。 它还提供可视化，帮助工程师和设施经理了解建筑物的状况。
• 警报系统：在超过关键阈值时自动通知相关人员（例如，工程师、设施经理），从而可以及时干预。

建筑健康监测中使用的传感器类型

A wide variety of sensors are used in building health monitoring, each designed to measure specific parameters:

应变计

应变计用于测量材料在应力下的变形。 它们通常连接到关键结构元件上，以检测可能表明损坏或超载的应变变化。 例如，可以将应变计放置在桥梁上，以监测交通和环境因素引起的应力水平。

加速度计

加速度计测量加速度，可用于检测振动、地震活动以及作用于建筑物上的其他动态力。 它们特别适用于监测建筑物对地震或风荷载的响应。 在日本和智利等地震多发国家，加速度计被广泛用于在地震发生后评估结构完整性。

位移传感器

位移传感器测量结构元件的移动量或位移量。 它们可用于检测沉降、变形或开裂。 线性可变差动变压器 (LVDT) 是 BHM 中使用的一种常见的位移传感器。

温度和湿度传感器

温度和湿度传感器监测可能影响建筑物结构健康的外部环境条件。 温度变化会导致材料膨胀和收缩，而高湿度会加速腐蚀。 这些传感器通常与腐蚀传感器结合使用，以评估腐蚀损坏的风险。

腐蚀传感器

腐蚀传感器检测建筑物金属部件上腐蚀的存在和速率。 它们对于监测沿海环境或空气污染程度高的地区中的结构特别重要。 电化学传感器通常用于腐蚀监测。

光纤传感器

光纤传感器具有优于传统传感器的几个优点，包括高灵敏度、不受电磁干扰的影响以及能够沿单根光纤测量多个参数。 它们可用于测量应变、温度、压力和其他参数。 分布式光纤传感 (DFOS) 越来越多地用于长距离监测管道、隧道和大型结构。

声发射传感器

声发射 (AE) 传感器检测材料在承受应力或断裂时发出的高频声音。 它们可用于检测开裂或其他形式的损坏的开始。 AE 监测特别适用于检查桥梁、压力容器和其他关键结构。

建筑健康监测中的数据分析和机器学习

BHM 系统收集的数据通常庞大而复杂。 数据分析和机器学习技术对于从这些数据中提取有意义的信息以及就维护和维修做出明智的决策至关重要。

统计分析

统计分析技术可用于识别数据中的趋势、异常和相关性。 例如，可以使用统计过程控制 (SPC) 图表来监控传感器读数并检测与正常运行条件的偏差。

有限元分析 (FEA)

FEA 是一种数值方法，用于模拟结构在不同负载条件下的行为。 通过将 FEA 模拟的结果与传感器数据进行比较，工程师可以验证他们的模型并更好地了解结构行为。

机器学习算法

可以训练机器学习算法来识别数据中的模式并预测未来的性能。 例如，机器学习可用于根据传感器数据和历史维护记录预测桥梁的剩余使用寿命 (RUL)。 监督学习算法，例如支持向量机 (SVM) 和神经网络，通常用于 BHM 中的分类和回归任务。 无监督学习算法，例如聚类，可用于识别异常并将相似的数据点组合在一起。

数字孪生

数字孪生是物理资产（例如建筑物或桥梁）的虚拟表示。 它是通过集成传感器数据、FEA 模型和其他信息创建的。 数字孪生可用于模拟资产在不同条件下的行为、预测未来性能以及优化维护策略。 它们越来越多地用于 BHM，以提供对建筑物和基础设施结构健康的全面视图。

建筑健康监测的应用

建筑健康监测在各个领域都有广泛的应用：

桥梁

桥梁是关键的基础设施资产，需要定期监测以确保安全并防止灾难性故障。 BHM 系统可用于监测桥梁上的应变、位移、振动和腐蚀。 示例包括香港的青马大桥（配备了综合 BHM 系统，用于在交通繁忙和强风下监测其结构健康）和旧金山的金门大桥（使用传感器监测地震活动和风荷载）。

建筑物

BHM 可用于监测建筑物（尤其是高层建筑和历史建筑）的结构健康。 它可以检测沉降、变形和开裂，并提前发出潜在问题的警告。 例如，迪拜的哈利法塔拥有一个复杂的 BHM 系统，用于监测风荷载、温度变化和结构应变。

隧道

隧道是地下结构，受到各种环境压力的影响，包括地下水压力、土壤运动和地震活动。 BHM 系统可用于监测这些压力并检测任何损坏或不稳定的迹象。 连接英国和法国的海峡隧道使用光纤传感器来监测其全长的应变和温度。

大坝

大坝是关键的基础设施资产，需要持续监测以确保其安全并防止灾难性故障。 BHM 系统可用于监测水压、渗漏、变形和地震活动。 中国的三峡大坝配备了综合 BHM 系统，以监测其结构健康和稳定性。

历史古迹

历史古迹通常很脆弱，需要仔细监测以防止劣化和损坏。 BHM 系统可用于监测温度、湿度、振动和其他可能影响这些古迹结构完整性的因素。 意大利比萨斜塔几十年来一直在使用各种技术（包括倾斜仪和位移传感器）进行监测，以确保其稳定性。

风力涡轮机

风力涡轮机受到极端环境条件的影响，需要定期监测以确保其可靠运行。 BHM 系统可用于监测风力涡轮机叶片和塔架上的应变、振动和温度。 这使得可以及早发现疲劳裂纹和其他形式的损坏，从而防止代价高昂的故障并最大限度地提高能源生产。

实施建筑健康监测系统

实施 BHM 系统需要仔细的规划和执行。 通常涉及以下步骤：

• 定义目标：明确定义 BHM 系统的目标。 需要监测哪些参数？ 需要什么级别的精度？ 需要检测的关键阈值是什么？
• 选择传感器：根据要监测的参数、环境条件和预算选择合适的传感器。 考虑准确度、灵敏度、耐用性和成本等因素。
• 设计数据采集系统：设计一个可以从传感器收集数据并将其传输到中央服务器或基于云的平台的数据采集系统。 考虑采样率、数据分辨率和通信协议等因素。
• 开发数据分析算法：开发用于处理数据、识别趋势和生成警报的算法。 考虑使用统计分析、机器学习和 FEA 技术。
• 实施可视化平台：实施一个可视化平台，使工程师和设施经理可以轻松访问和解释数据。 考虑使用仪表板、图表和地图以清晰简洁的方式呈现信息。
• 验证和校准：验证和校准 BHM 系统，以确保其提供准确可靠的数据。 定期检查传感器和 DAQ，以确保它们正常运行。
• 维护和升级：计划对 BHM 系统进行持续维护和升级。 定期检查传感器和 DAQ，并根据需要更新软件和算法。

建筑健康监测面临的挑战和未来趋势

虽然 BHM 具有显着的优势，但也存在一些需要解决的挑战：

• 成本：实施和维护 BHM 系统可能很昂贵，尤其对于大型和复杂的结构而言。
• 数据管理：BHM 系统会生成大量数据，需要有效存储、处理和分析这些数据。
• 传感器可靠性：传感器可能容易受到损坏和故障的影响，尤其是在恶劣环境中。
• 数据解释：解释数据并识别潜在问题可能具有挑战性，需要专业的知识。
• 与现有系统的集成：将 BHM 系统与现有建筑管理系统集成可能很复杂。

尽管存在这些挑战，但 BHM 的未来一片光明。 几大趋势正在推动该领域的增长和发展：

• 物联网 (IoT) 的使用增加：物联网 (IoT) 正在实现低成本、无线传感器的开发，这些传感器可以轻松部署在建筑物和基础设施中。
• 数据分析的进步：数据分析和机器学习的进步正在推动开发更复杂的算法，用于处理和解释 BHM 数据。
• 云计算：云计算正在为存储和分析 BHM 数据提供可扩展且经济高效的平台。
• 数字孪生：数字孪生越来越受欢迎，用于模拟建筑物和基础设施的行为并优化维护策略。
• 新传感器的开发：正在开发新型传感器，这些传感器更准确、可靠且耐用。
• 关注可持续性：人们越来越关注使用 BHM 来优化资源使用并减少建筑物和基础设施对环境的影响。 使用能量收集传感器（由太阳能或振动等环境来源供电）越来越受欢迎。
• 与 BIM（建筑信息模型）的集成：将 BHM 数据与 BIM 模型集成可提供建筑生命周期的综合视图，从设计和施工到运营和维护。

建筑健康监测在全球的实际应用示例

建筑健康监测正在世界各国实施，证明了其全球相关性：

• 日本：日本在利用 BHM 减轻地震影响方面有着悠久的历史。 许多建筑物和桥梁都配备了加速度计和其他传感器，以监测地震活动并在地震后评估结构损坏。
• 中国：中国正在大力投资于 BHM，以用于其广泛的基础设施网络，包括桥梁、隧道和大坝。 港珠澳大桥是世界上最长的跨海大桥之一，配备了综合 BHM 系统。
• 美国：美国广泛使用 BHM 来监测桥梁和其他关键基础设施。 许多州都实施了 BHM 计划，以监测其桥梁的状况并确定维护和维修工作的优先级。
• 欧洲：一些欧洲国家正在使用 BHM 来监测历史古迹和其他具有文化意义的结构。 意大利比萨斜塔就是一个很好的例子。
• 澳大利亚：澳大利亚正在使用 BHM 来监测偏远地区的桥梁和其他基础设施，在这些地区，定期的视觉检查可能具有挑战性和成本高昂。

结论

建筑健康监测是确保建筑物和基础设施安全、效率和可持续性的重要工具。 通过使用传感器、数据采集系统和分析技术，BHM 可以尽早检测损坏、劣化或异常行为，从而实现及时的干预并防止灾难性故障。 随着技术的不断进步和成本的下降，BHM 有望在未来几年得到更广泛的采用，在全球维护和改善建筑环境方面发挥关键作用。 对 BHM 的投资不仅仅是保护资产； 而是关于保护生命并建设更具韧性和可持续的未来。