一、前言

　　中國建筑幕墻從1983年開始起步，歷經(jīng)二十多年，到2004年底我國建成各式建筑幕墻（包括屋面）工程占世界總量的一半還多。從首都北京到新疆庫爾勒，從上海東部沿海大中城市到西部新興城市，從海拔5000m西藏的拉薩到基本風(fēng)壓為1.3kPa的東海嵊泗，從東北的哈爾濱到海南島三亞，隨處可見新型建筑幕墻、屋頂裝點著秀麗的城市大街。

　　建筑幕墻、屋頂已經(jīng)成為現(xiàn)代建筑文化、建筑個性化、建筑藝術(shù)、建筑新科學(xué)的重要標(biāo)志。中國已成為世界第一幕墻、屋頂生產(chǎn)大國和使用大國，正在發(fā)展成為幕墻、屋頂?shù)氖澜鐝妵��?/p>

　　很多幕墻、屋頂工程已使用幾十年，環(huán)境侵蝕，材料老化和荷載的長期效應(yīng)、疲勞效應(yīng)與突變效應(yīng)等因素的耦合作用將不可避免地導(dǎo)致結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的損傷累積和抗力衰減，從而抵抗自然災(zāi)害、甚至正常環(huán)境作用下降，極端情況將引發(fā)災(zāi)害性突發(fā)事故，因此為了保障結(jié)構(gòu)的安全性、完整性、適用性和耐久性，除了對已建成的工程除了進行健康普查加固之外，對重大工程急需采用有效地手段監(jiān)測和評定其安全狀況、修復(fù)和控制損傷。新建的重大工程也要在建設(shè)同時，總結(jié)以往經(jīng)念和教訓(xùn)，增設(shè)健康監(jiān)測系統(tǒng)和損傷控制系統(tǒng)，以監(jiān)測結(jié)構(gòu)的服役安全狀況，為預(yù)防突發(fā)性的災(zāi)害事故提供科學(xué)而經(jīng)濟的手段和方法。

　　幕墻屋頂工程結(jié)構(gòu)的智能健康監(jiān)測系統(tǒng)至少包括如圖1所示的四個功能模塊。長期性、實時性和自動監(jiān)測是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的三個基本特征。

　　二、已有的健康監(jiān)測的兩個案例

　　1、拉索幕墻結(jié)構(gòu)的預(yù)拉力監(jiān)控及報警

　　深圳堅朗公司針對拉索結(jié)構(gòu)的預(yù)拉力監(jiān)控及報警這個技術(shù)難題，公司成立了技術(shù)攻關(guān)小組，最終在2005年元旦前將該系統(tǒng)設(shè)計、安裝、調(diào)試完畢。該系統(tǒng)是在單層索網(wǎng)幕墻的基礎(chǔ)上，通過對拉索錨固端節(jié)點的細(xì)化設(shè)計，安裝了智能弦式傳感器，然后配備了專用的數(shù)據(jù)線、采集設(shè)備、控制計算機等共同組成。此系統(tǒng)具備了預(yù)拉力及溫度實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)自動采集保存、及自動報警等功能，可完成長期無人值守的索內(nèi)力監(jiān)控。另外，此系統(tǒng)還具有高靈敏度、高自動化、高穩(wěn)定性、高可靠性等特點。在玻璃幕墻中，應(yīng)用拉索結(jié)構(gòu)作為幕墻的主支承結(jié)構(gòu)已經(jīng)越來越廣泛。但拉索結(jié)構(gòu)是典型的柔性結(jié)構(gòu)，預(yù)拉力是拉索結(jié)構(gòu)的靈魂，只有結(jié)構(gòu)具有一個比較準(zhǔn)確的預(yù)拉力，幕墻才能正常工作，結(jié)構(gòu)才會安全。但是，拉索的預(yù)拉力又受結(jié)構(gòu)變形、溫度變化、材料蠕變等影響比較大。要想保證拉索結(jié)構(gòu)的預(yù)拉力在長期內(nèi)（《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GB50068）規(guī)定幕墻的設(shè)計年限不低于25年）始終保證在一個準(zhǔn)確的范圍內(nèi)是比較困難的。最好的途徑是能夠?qū)崟r進行預(yù)應(yīng)力監(jiān)控及報警，在拉索結(jié)構(gòu)預(yù)拉力超出或低于設(shè)定的預(yù)拉力范圍時，報警提醒管理人員采取應(yīng)對措施。

　　A：監(jiān)控系統(tǒng)工作原理圖

　　B：監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備

　�。�1）采樣器

　�。�2）采集模塊

　�。�3）顯示控制設(shè)備

　　C：監(jiān)控系統(tǒng)布置

　　監(jiān)控系統(tǒng)布置主要考慮的是采樣器的合理布置，對于主受力索，理論上應(yīng)該在每根拉索均設(shè)置采樣器。對于次受力索，可以在保證安全的前提下，有選擇地布置采樣器。

　　2、大跨度屋頂結(jié)構(gòu)

　　深圳市民中心大廈的屋頂為長486m、寬156m的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，跨中樹狀衍架支撐在塔上。該結(jié)構(gòu)屋頂部分安裝了一套健康監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由傳感器子系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)分析子系統(tǒng)組成，其中傳感器子系統(tǒng)測量屋頂部分的風(fēng)壓和反應(yīng)，結(jié)構(gòu)分析子系統(tǒng)計算結(jié)構(gòu)的反應(yīng)并進行安全評定。傳感器子系統(tǒng)包括光纖傳感器、應(yīng)變片、風(fēng)速儀、風(fēng)壓計和加速度傳感器，其中光纖傳感器和應(yīng)變片測量結(jié)構(gòu)的應(yīng)變反應(yīng)，加速度傳感器測量結(jié)構(gòu)的位移和加速度反應(yīng)，風(fēng)速儀和風(fēng)壓計測量屋頂?shù)镍P壓分布。結(jié)構(gòu)分析子系統(tǒng)在監(jiān)測得到的結(jié)構(gòu)反應(yīng)的基礎(chǔ)上，可以進行屋頂結(jié)構(gòu)的損傷識別、模型修正和安全評定。

　　3、波士頓漢考克大廈

　　1971年建成的60層高的波士頓漢考克大廈，是由貝聿銘事務(wù)所設(shè)計的玻璃的幕墻，共劃分成1.4×3.5米的玻璃10344塊。1968年開工，至1971年建成后就陸續(xù)有玻璃破裂。1973年一次風(fēng)暴中吹壞了數(shù)十塊，破玻璃落下來又砸壞了一些玻璃。至1975年已有兩千多塊玻璃因破裂由木板代替，美麗的漢考克變得千瘡百孔。為此，業(yè)主對貝聿銘事務(wù)所及有關(guān)的五個公司提出控告。據(jù)調(diào)查認(rèn)為原因是結(jié)構(gòu)剛度太差和玻璃強度不足（相對其厚度與面積而言）。決定采取加強中央豎井以增加結(jié)構(gòu)剛度，將玻璃改為鋼化玻璃，這些措施共花施工、材料、設(shè)計費達數(shù)百萬美元，約占建筑總投資的數(shù)十分之一。坎布里奇中級法院最后判決，按照6個單位在事故中的責(zé)任大小來分?jǐn)傔@筆費用，貝聿銘事務(wù)所占4/19，兩個玻璃制造廠商均占6/19.至此，漢考克大廈又恢復(fù)了閃閃光的從優(yōu)雅的儀容。但是，這樁公案仍未了結(jié)，在修復(fù)后的五年中，又已破裂了55塊。開始，為了預(yù)測即將破裂的玻璃，專門委派了一小隊看守人員分散在大街上，拿著望運鏡仔細(xì)觀察每一塊玻璃的顏色變化，因而成為波士頓街道生活中的一件新鮮事�，F(xiàn)在，這種工作已由電子傳感器健康監(jiān)測系統(tǒng)代替。這是一種大約有50美分錢幣那樣大小的薄片，每塊玻璃上都貼有一片，這10344片傳感器隨時將玻璃的內(nèi)部狀態(tài)傳至中央控制室，一旦有玻璃即將破裂，中央控制室即會發(fā)出指令，并指出其位置，管理人員可迅速將其換掉。

　　三、幕墻屋頂結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測展望

　　1、光纖光柵傳感技術(shù)

　　就應(yīng)力測試而言：傳統(tǒng)的電阻應(yīng)變片傳感元件的性能也在不斷的提高，作為鋼結(jié)構(gòu)的短期應(yīng)變測量，還是能滿足工程要求的；但其受環(huán)境影響較大，長期應(yīng)變測試的結(jié)果會嚴(yán)重失真。長期應(yīng)變測試，通過國內(nèi)外同行的大量實踐，已將應(yīng)變傳感器鎖定在光纖傳感器上。光纖光柵傳感技術(shù)的確是一門新興的監(jiān)測技術(shù)，而且可以看作是一種智能化的健康監(jiān)測技術(shù)。光纖可以歸為智能材料一類，它通過把結(jié)構(gòu)受力、變形的信息轉(zhuǎn)換為光信息，例如光強大小的改變、光柵的反射波長等光參數(shù)來實現(xiàn)力信息和光信息的互換，最后通過解調(diào)設(shè)備來進行質(zhì)詢和解調(diào)，從而得到結(jié)構(gòu)應(yīng)變、應(yīng)力與光強變化或者光柵波長變化之間的對應(yīng)關(guān)系，精度很高。

　　光纖傳感技術(shù)特別是光纖光柵傳感技術(shù)將是未來重要幕墻屋頂工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的首選技術(shù)，有很大的應(yīng)用和發(fā)展前景。光纖光柵傳感技術(shù)是比較適合應(yīng)用于結(jié)構(gòu)長期健康監(jiān)測，目前FBG傳感器也有很多實際應(yīng)用實例，的確目前有一個要認(rèn)真解決的問題是解調(diào)儀的穩(wěn)定性和精度，雖然國內(nèi)廠家已經(jīng)做了不少工作（如上海紫柵、北京品傲、武漢光科等），也有部分具有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，但在實際工程監(jiān)測中還是有很多工作要繼續(xù)深入研究。

　　2、智能拉索哈爾濱工業(yè)大學(xué)開發(fā)了一種采用光纖光柵傳感器監(jiān)測拉索應(yīng)力的新技求，并在實際拱橋吊桿和大型斜拉橋斜拉索的生產(chǎn)過程中對光纖光柵的布設(shè)工藝、超張拉時的應(yīng)力傳感特性和長期監(jiān)測時的溫度補償技術(shù)進行了研究。此外，針對光纖光柵智能拉索的工程應(yīng)用問題與困難進行了深入探討。與目前己有的索力監(jiān)測技術(shù)相比較，智能拉索技術(shù)是一種監(jiān)測索力的可靠手段，具有精度高、絕對測量、分布式監(jiān)測、耐久性好、抗電磁干擾、操作簡單、成本低等優(yōu)點，在索結(jié)構(gòu)點支幕墻，張弦梁及索結(jié)構(gòu)屋頂具有廣泛的應(yīng)用前景。

　　3、壓電薄膜裂紋萌生和擴展的監(jiān)測是健康監(jiān)測領(lǐng)域的重要研究課題。壓電薄膜是監(jiān)測結(jié)構(gòu)的裂紋蔭生與擴展是結(jié)構(gòu)損傷定位和安全評定的最直接、有效的方法，作為一種感知聚合物材料，壓電薄膜（PVDF）具有大變形能力、與基體良好的相容性、面監(jiān)測、自適應(yīng)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形狀、靈敏度高、響應(yīng)快等優(yōu)點。試驗結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)的應(yīng)變變化將導(dǎo)致PVDF的電壓線性變化，PVDF可以用作應(yīng)變傳感器，其靈敏系數(shù)可達1mV／μs；此外，PVDF覆蓋的面裂紋蔭生將使PVDF產(chǎn)生脈沖電壓，由此信號可以判斷結(jié)構(gòu)的烈紋萌生。由于壓電材料具有的正、逆壓電效應(yīng)，使得它既可以做驅(qū)動器，也可以做傳感器�，F(xiàn)在壓電薄膜可用于幕墻和屋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與損傷識別方面的技術(shù)有三個方面，壓電應(yīng)變傳感技術(shù)；壓電阻抗技術(shù)和壓電波檢測法。

　　4、形狀記憶合金（SMA）

　　形狀記憶合金（SMA）是一種全新的功能性材料，目前，主要的幾種記憶合金為Ni-Ti合金、Cu基合金和Fe基合金等。具有獨特的形狀記憶效應(yīng)和相變超彈性性能，因此可廣泛應(yīng)用于當(dāng)前迅速發(fā)展的智能結(jié)構(gòu)中，使智能結(jié)構(gòu)具有高度自適應(yīng)能力，能夠自動適應(yīng)結(jié)構(gòu)的一些特殊要求。例如把SMA材料處理后復(fù)合于幕墻屋頂?shù)拿姘宀牧现�中或加工成智能元件安裝在立柱結(jié)構(gòu)的某些部位，就可利用其特殊的力學(xué)行為和物理性能，使之成為具有損傷監(jiān)控、被動或主動控制結(jié)構(gòu)變形和地震反應(yīng)，以便對建筑結(jié)構(gòu)的裂縫、變形及振動進行準(zhǔn)確而有效的控制。

　　5、疲勞壽命絲（箔）傳感器疲勞效應(yīng)是影響重大工程結(jié)構(gòu)健康的主要因素之一。至今，承受變幅交變荷載的結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測仍是有待解決的難題。雖然一些理論，如結(jié)構(gòu)累積損傷理論已經(jīng)有一些比較成熟的方法用于疲勞壽命估計，但因缺乏可以信賴的實測數(shù)據(jù)（如疲勞載荷譜等）而難以用到實際結(jié)構(gòu)中。

　　美國20世紀(jì)70年代提出了用類似于電阻應(yīng)變片的簡單元件來測試疲勞損傷的概念和方法。國內(nèi)從1984年開始，南京航空航天大學(xué)、第629研究所、上海有色金屬研究所、第702研究所等單位大力合作，經(jīng)過8年的努力，研制出了疲勞壽命計。隨后，南京航空航天大學(xué)的對疲勞壽命計的性能進行了深人的研究，得到了最大電阻變化率6.3％、1800μs下疲勞壽命大于106次、電阻變化率大于0.5％、離散度小于5％等的高性能疲勞壽命計，并研制了旨在提高疲勞敏感性的應(yīng)變倍增器，為疲勞壽命計的實用化研究打下了基礎(chǔ)。建筑幕墻在風(fēng)荷載作用下的疲勞壽命研究目前還是空白，在建筑幕墻和屋頂建立一套疲勞損傷監(jiān)測與評定系統(tǒng)，將促進建筑幕墻和屋頂結(jié)構(gòu)的疲勞損傷監(jiān)測。

　　四、結(jié)束語

　　工程結(jié)構(gòu)的智能監(jiān)測系統(tǒng)在幕墻和屋頂工程還很少，工程結(jié)構(gòu)的智能監(jiān)測系統(tǒng)如何在幕墻和屋頂工程應(yīng)用還有很多開發(fā)性的工作，需要多學(xué)科研究人員和幕墻和屋頂工程技術(shù)人員的緊密合作。我國正處于幕墻屋頂工程與基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的高峰時期，因此，我國已經(jīng)、正在和計劃建造的重大工程結(jié)構(gòu)的安全需求，為健康監(jiān)測系統(tǒng)的研究、發(fā)展與實施提供了廣闊的空間和美好的前景。

　　本文淺要介紹和初淺展望，僅為拋磚引玉的參考，不妥之處，誠請指正。