概述
大跨度空間結構是一個國家建筑業(yè)技術水平的重要衡量標準，它廣泛應用在各種大型體育場館、劇院、會議展覽中心、機場候機樓等重要標志性建筑， 是新材料、新技術、新工藝為綜合技術的現(xiàn)代文明的體現(xiàn)。
當前是我國基本建設的高潮時期，大跨度空間結構的數(shù)量和規(guī)模都是歷史上前所未有。例如：2008 年奧運工程國家體育場“鳥巢”、國家游泳中心“水立方”、國家大劇院、首都機場新航站樓、2010 年上海世博會場館以及廣州會展中心、哈爾濱會展中心等。總體建筑規(guī)模超過2 000萬m2 。
1 研究背景
大跨度空間結構工程屬于集設計、分析、制造技術于一體的重大設施，它外形獨特，體系復雜，建造技術高難度，通常也是人員聚集、大型活動的場所，其安全性尤為重要。大跨度空間結構大量采用鋼材、膜材、高強鋼束等新型材料。
環(huán)境的侵蝕、材料的老化、地基的不均勻沉降和復雜荷載、疲勞效應等因素的耦合作用，將不可避免地導致結構系統(tǒng)的損傷積累和抗力衰減，極端情況下引發(fā)災難性的突發(fā)事件。例如：1992 年9 月深圳國際展覽中心4 號展廳網架屋蓋使用3年后在暴雨中倒塌；2002 年4 月湖南耒陽電廠大型空間結構儲煤庫建成5 年后，由于使用和環(huán)境腐蝕等原因發(fā)生倒塌事故；韓國濟洲島一體育場在2003 年的一次強臺風中倒塌；2004 年5 月法國巴黎戴高樂機場剛建成的候機廳發(fā)生屋頂坍塌；2007 年1 月雨雪、大風及材料老化導致將用于舉辦2010 年冬奧會開幕式和閉幕式的溫哥華體育場穹頂坍塌等。
上述實例說明，雖然空間結構屬于超靜定結構，但空間受力比較復雜，當結構關鍵部位發(fā)生破壞，結構可能會很快整體破壞。由倒塌事故來看，空間結構會在幾分鐘，甚至幾秒鐘內倒塌。因此，在我國建立起大跨度空間結構作為重大工程設施的定期故障監(jiān)測制度，實施長期實時的健康監(jiān)測和故障預警措施顯得尤為重要。
大跨度空間結構與大型橋梁、大壩、海洋平臺、石油管道等一樣屬于國家大型土木工程設施。對于橋梁、大壩、海洋平臺等國家大型設施的故障預警與安全性評估技術研究，在世界范圍內開展得比較早。尤其在美國、日本等發(fā)達國家，很早就有相應的行業(yè)標準。國內許多高校與科研機構在大型橋梁、海洋平臺等重大設施安全性測評技術研究領域也開展了多年研究，取得了一系列科研成果與工程業(yè)績。大跨度空間結構由于起步較晚，故障預警與安全性評估技術才剛剛起步，而由于其自身大跨度、大面積分布以及鋼材為主的建筑特征，明顯區(qū)別于橋梁、大壩、石油管道等線性分布的混凝土結構類為主的建筑，現(xiàn)有的故障預警與安全性評估技術不能直接用于大跨度空間結構中來。
要建立針對大跨度空間結構的健康監(jiān)測與故障預警系統(tǒng)，需要開展兩大方面內容的研究： ①復雜環(huán)境下大跨度空間結構的破壞機理與安全性評價標準研究；②大跨度空間結構類型的監(jiān)測技術手段研究。
2 空間結構健康監(jiān)測內容
結構監(jiān)測的定義是指利用現(xiàn)場的無損傳感與結構系統(tǒng)特性分析（包括結構反應） ，探測結構的變化，揭示結構損傷與結構性能劣化。結構監(jiān)測不是一個新概念，對結構的應變、加速度、速度、位移、旋轉等參數(shù)的測量一直是結構工程監(jiān)測的基本方法。由于土木工程結構的特殊性，如結構形式多樣、服役周期長、影響結構性能的因素復雜多變等，對其進行監(jiān)測比一般的機械系統(tǒng)要復雜。理想的監(jiān)測系統(tǒng)應能在結構損傷出現(xiàn)的較早時期發(fā)現(xiàn)損傷，在傳感器允許的情況下，結合損傷識別技術確定損傷的位置，評估損傷程度，預測剩余的有效壽命并采取相應的加固措施。目前，結構健康監(jiān)測是世界土木工程界的難題，也是研究的熱點。
結構健康監(jiān)測技術是一個多領域跨學科的綜合性技術，包括土木土程、動力學、材料學、傳感技術、測試技術、信號處理、網絡通訊通信技術、計算機技術、模式識別等多方面的知識。
整個結構健康監(jiān)測領域的研究內容是一個非常龐大的技術體系，主要包括以下方面。
1） 監(jiān)測范圍
①結構重要部位監(jiān)測 對于中小型結構可以只對結構可能發(fā)生損傷破壞的部位進行監(jiān)測，以降低監(jiān)測成本。一般采用間歇式人工監(jiān)測，條件允許時也可采用小型監(jiān)測設備；
②結構全面監(jiān)測 對于大型的重要結構，既需要監(jiān)測那些對損傷敏感的部位或子結構，如局部的應力、應變、位移和加速度等，也需要及時監(jiān)測結構的整體健康狀況，如內力、撓度及振型和頻率的變化，一般需要配合大型全面的監(jiān)測設備和健康監(jiān)測系統(tǒng)。
2） 監(jiān)測方式
①人工監(jiān)測 利用簡單的儀器，定期人工監(jiān)測和檢測，成本較低且不需高新技術，但費時、費力，準確性不高；
②自動監(jiān)測 采用多種類的傳感器和監(jiān)測設備，利用系統(tǒng)平臺對結構進行實時在線監(jiān)測，一般適用于特大或重要的結構監(jiān)測，自動化程度高，是當前研究熱點和發(fā)展方向；
③聯(lián)合監(jiān)測 將上述兩個方法結合起來，用各種小型的自動化程度較高的儀器，配合人工監(jiān)測，比較適合一般結構，具有廣泛的應用前景。
3） 監(jiān)測狀態(tài)
①靜態(tài)監(jiān)測 對結構的靜態(tài)幾何和力學參數(shù)進行監(jiān)測，可較直觀地反映結構的工作狀態(tài)；
②動態(tài)監(jiān)測 在結構運營情況下，基于人為激勵或環(huán)境激勵，監(jiān)測結構的動態(tài)幾何和力學參數(shù)。
4） 監(jiān)測的結構參數(shù)
①位移 絕對位移和相對位移，靜位移和動位移；
②變形 靜（動） 撓度、靜（動） 應變等；
③內力 桿件和索拉力等；
④動力參數(shù) 速度、加速度等；
⑤外觀和完整 氣蝕、磨損、裂縫、剝落等；
⑥物理化學現(xiàn)象 混凝土堿集料反應、鋼材銹蝕等；
⑦環(huán)境 風速、溫度、地震、荷載等。
5） 監(jiān)測手段
①位移測試 位移計、傾斜儀、測量設備、GPS、數(shù)字成像機等；
②變形測試 位移傳感器、電阻應變儀、壓電式應變儀、振弦應變儀、分布式光纖應變計等；
③內力測試 壓力環(huán)、磁彈性張力計、油壓計、剪力銷等；
④動力參數(shù)測試 速度計、加速度計；
⑤外觀或完整率測試 刻度放大鏡、數(shù)字成像機、超聲探測儀等；
⑥環(huán)境測試 風速計、溫度計、地震儀等。
3 空間結構健康監(jiān)測及預警系統(tǒng)組成
大跨度空間結構故障監(jiān)測和預警由于以大規(guī)模、大面積空間布局、靜態(tài)應力和形變?yōu)橹鞯奶攸c，因此必須建立專業(yè)的大跨度空間結構健康監(jiān)測理論，包括不同體系、不同荷載、不同損傷的識別與安全評估理論；開發(fā)新型適用于空間衛(wèi)星式布局、性能可靠的硬件設備，確保精度和長期工作的穩(wěn)定性，降低產品成本；開發(fā)相應的智能故障預警軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)對空間結構長期、實時、在線的監(jiān)測與預警。
3.1 空間結構健康監(jiān)測理論
大跨度空間結構健康監(jiān)測理論主要包括大跨度空間結構的故障機理與安全性評估理論。研究內容主要指在基于空間結構本身的體系拓撲、計算分析、施工建造等研究的基礎上，進一步分析結構整體削弱、核心部件受損、外界因素突變等情況下的受影響機理以及結構模型修正后的內力重分布。
理論研究的空間結構體系包括：空間網架網殼結構、預應力拉索網格結構、索膜結構、張弦梁結構、弦支穹頂結構、空間多面體剛架結構、“鳥巢型”復雜結構等。
考慮的復雜環(huán)境因素主要包括：材料腐蝕、地震作用、臺風作用、溫度效應、超載、火災、爆炸沖擊、施工工藝等。典型故障因素包括：索松弛與破斷、結構撓度過大、結構振動異常、構件損傷、約束破壞等。在考慮以上因素的前提下，大跨度空間結構健康監(jiān)測理論的研究可歸納為基于影響機理的結構損傷識別問題與基于模型重建的結構安全性評估問題。
大跨度空間結構損傷識別技術是健康監(jiān)測研究范疇內的核心問題。一般的結構損傷在物理狀態(tài)空間表現(xiàn)為剛度降低、柔度增大；在模態(tài)空間表現(xiàn)為固有頻率降低。無論從研究角度還是從實用角度出發(fā)，結構損傷識別的內容均需判明損傷的部位及部位物理參數(shù)的變化以及結構整體性能的變化等方面。
完整的損傷識別技術按照流程可分4 個層次：
(1)斷結構和構件是否損傷及何時發(fā)生的損傷；
(2)判斷結構的損傷位置；
(3)判斷結構損傷類型及損傷程度；
(4)進行結構健康狀態(tài)評定和壽命預測。
前3個層次分別是結構具體損傷的定性和定時、定位和定量問題；層次是結構整體的定位和定量問題。
大跨度空間結構安全度評估技術是在損傷識別的基礎上，有針對性地對結構計算模型進行修正，包括材料物理特性和截面特性的偏差、荷載和邊界條件的偏差等綜合因素。修正后的結構模型能夠更精確地反映結構的響應，從而結合實測結果對結構進行準確的損傷診斷和安全評估。
3.2 空間結構健康監(jiān)測硬件開發(fā)
適用于大跨度空間結構的大規(guī)模、大面積空間布局特點的新型硬件設備開發(fā)是空間結構健康監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)的核心內容。目前具有代表性的是以光纖光柵傳感器為主流的有線傳感設備和新興的發(fā)展迅猛的無線傳感設備。
3.2.1 光纖光柵傳感設備
光纖光柵傳感設備是當前國內外測試手段的主流，具有體積小、質量輕、插入損耗低、穩(wěn)定性好等特點，特別適合在易燃、易爆和強電磁等惡劣環(huán)境下使用。
1） 國際上對光纖傳感器研究的時間雖然不長，進展卻非常迅速。目前，已有70 多種光纖傳感器用于各種物理量的測量。從美國的Morey（1989 年） 等人首次對光纖光柵的應變與溫度傳感研究以來，世界各國都對其十分關注并開展了廣泛的應用研究，取得豐碩成果。在短短的10 多年時間里，光纖光柵已成為傳感領域發(fā)展快的技術。美國、加拿大、日本、英國、澳大利亞等國都先后投入了大量人力、物力進行該領域研究和開發(fā)。1998 年，美國加州大學Wanser Keith H。 等人采用多模光纖光柵作傳感頭， 用光時域反射計對振動與應變做了實時監(jiān)測試驗，并分別獲得美國和歐洲專利。10 年來，國外學者基于光纖光柵對應變、應力和溫度等物理量的傳感特性進行了多方面的研究，先后發(fā)展了直接檢測、干涉檢測、可調F2P 濾波器解調、匹配光纖光柵解調等多種波長解調技術，并在壓力、溫度、振動、溫度P壓力雙參量等光纖光柵傳感器件的試驗和研究方面取得了很大的進展和成果。
2） 我國雖然從20 世紀90 年代開始涉足光纖光柵傳感領域的研究，目前國內多家企業(yè)與高校開展這方面的研究，并且在用于土木工程結構監(jiān)測的研究與應用方面也取得了初步的成績，但總體水平和國外相比還存在著差距。光纖光柵傳感設備在各項通用的技術指標參數(shù)（如精度、穩(wěn)定、敏感性等方面） 仍有很大的改進空間。而以往適用于其它大型工程設施的光纖傳感設備，目前還無法直接用于大跨度空間結構，必須根據(jù)大跨度空間結構面積大、構件多、體系復雜、鋼構件不可埋入等特點進行針對性的開發(fā)。
3.2.2 無線傳感系統(tǒng)
無線傳感系統(tǒng)作為另一種新興的傳感技術，有著光纖光柵傳感產品無法比擬的優(yōu)點。雖然光纖光柵傳感技術因其抗干擾性、穩(wěn)定性、精確性等優(yōu)點普遍用于各類重大土木工程設施的安全預警系統(tǒng)中，并將在今后相當長一段時間內仍然作為監(jiān)測硬件的主流設備。但其有線采集、布線困難的弊病同樣明顯。橋梁、管道、大壩等結構由于線性特征，相對影響較小，大跨度空間結構的特點是面積大、空間寬，若使用有線監(jiān)測設備，在測點較多的情況下，用于布線的成本有可能超過監(jiān)測設備本身，同時大量復雜的布線對于結構的美觀、日后的維護、故障的檢修都存在著無法回避的問題。因此必須在改進傳統(tǒng)光纖光柵傳感技術的同時，開發(fā)目前國際上逐漸流行的無線傳感技術，并將其應用于大跨度空間結構的安全性測評領域中。其安裝方便、成本低廉、維護簡單、性能可靠等優(yōu)點，將逐漸取代傳統(tǒng)的監(jiān)測手段而成為主流。
1） 無線傳感系統(tǒng)在軍事、環(huán)境、健康、家庭和其他工商業(yè)領域早已應用，而美國率先將其引入土木工程的安全性監(jiān)測預警技術領域。1996 年，美國學者首次提出運用無線技術替代結構監(jiān)測有線系統(tǒng)的思想，開辟了無線傳感技術在結構監(jiān)測領域中的應用，并研制了一套實時的損傷識別結構健康監(jiān)測系統(tǒng)。由美國先進國防研究項目局所資助的、在加利福尼亞大學實施的“Smart dust”計劃，旨在建立一個無線傳感器開發(fā)的軟硬件平臺，進而開發(fā)出一系列低價格、小尺寸、高可靠性的無線傳感器及其網絡，進一步推動了無線傳感器的應用發(fā)展。該項目開發(fā)的產品目前已成為世界許多大學等研究機構使用的實驗室設備，并且以此衍生出一批較知名的專業(yè)無線傳感產品生產公司。國外開發(fā)的無線傳感類產品普遍存在價格高昂、無線傳輸距離短、技術保密、開放性差等弊病，不適合用于大型空間結構等建筑的安全性監(jiān)測領域。國內已有高校從設計的小型化、低功耗、低成本、高可靠性角度出發(fā)，采用模塊化設計方法，對無線傳感器的傳感處理模塊、中央處理模塊、無線收發(fā)模塊以及能源管理模塊進行設計、調試，進而集成了基于數(shù)字接口的無線加速度傳感器與應變傳感器樣品。
2） 無線傳感器 傳感單元采用先進的MEMS 技術
封裝，具有體積小、低功耗、可靠性高等特點，適合集成；無線傳感器具有智能處理單元，可以對采集信號進行預處理，對特征信號進行初步提取，數(shù)字輸出，不需要有線傳感系統(tǒng)的電荷采集箱部分，同時也分散了中央處理器處理數(shù)據(jù)的壓力；無線傳感器依據(jù)設定的通信協(xié)議，可以實現(xiàn)自組織網絡，形成一個高效實時的監(jiān)測系統(tǒng)，且網絡的大范圍覆蓋性與可拓展性可以保證同時監(jiān)測到大型結構各個部位的信息；無線傳感器節(jié)點具有節(jié)能的特點。
3） 目前，無線傳感技術已開始向土木工程結構監(jiān)測領域滲透并成為這方面研究的一個熱點。一定時期內，盡管有線傳感器在產品種類上的優(yōu)勢會使其在結構監(jiān)測領域占主導地位，但無線傳感器及其網絡所特有的優(yōu)勢已經凸現(xiàn)出來。隨著結構健康監(jiān)測無線傳感網絡方面的研究和在實際結構中的使用，無線傳感網絡將會逐步取代有線傳感網絡。
3.3 空間結構健康監(jiān)測軟件開發(fā)
智能、通用的監(jiān)測及預警軟件系統(tǒng)開發(fā)是空間結構健康監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)的重要內容，是對整個系統(tǒng)功能的融合。軟件系統(tǒng)運行于PC 機上，以一個圖形用戶界面為用戶提供直觀的功能模塊和數(shù)據(jù)顯示。應該實現(xiàn)對結構變形、位移、振動等物理參數(shù)的監(jiān)測，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理，從而實現(xiàn)對結構的初步評估與預警。軟件系統(tǒng)一般包含工程管理、結構建模與顯示、結構分析與計算、測點布置與組網、數(shù)據(jù)收發(fā)、數(shù)據(jù)處理、結構評估及文件存儲等模塊。
1） 工程管理模塊 用于建立及管理工程列表，其中包含工程簡介、工程圖表等相關信息。
2） 結構建模與顯示模塊 為了掌握被檢測對象的相關信息，需要顯示結構前處理模型。該功能模塊用于結構模型的建立以及旋轉、平移、縮放等圖形顯示功能。
3） 結構分析與計算模塊 用于結構理論分析，計算得出理論值，為與實測值的比較以及結構的安全評估提供判別依據(jù)。
4） 測點布置與組網模塊 用于監(jiān)測方案的設計以及測點布置、組網，并便于掌握各傳感器節(jié)點的運行狀態(tài)。合理的測點布置方案可以在保證有效獲取結構信息的前提下，做到大程度的經濟化與穩(wěn)定性。
5） 數(shù)據(jù)收發(fā)模塊 用于接收傳感器網絡中所有節(jié)點傳輸來的數(shù)據(jù)，同時將各種管理命令發(fā)布到指定的節(jié)點。網絡中的數(shù)據(jù)通過收發(fā)基站以串口傳輸?shù)接嬎銠C，對計算機串口進行監(jiān)聽，實時判別是否有數(shù)據(jù)輸入，輸入的數(shù)據(jù)根據(jù)預定義的數(shù)據(jù)幀進行數(shù)據(jù)解碼，進而完成數(shù)據(jù)的收發(fā)任務。數(shù)據(jù)收發(fā)模塊將各節(jié)點檢測的數(shù)據(jù)以實時曲線的形式顯示給用戶，此外用戶也可以根據(jù)需要，以表格形式查看當前數(shù)據(jù)的數(shù)值。
6） 數(shù)據(jù)處理模塊 數(shù)據(jù)處理模塊一方面是為了減少數(shù)據(jù)的存儲量，需要對接收入計算機的數(shù)據(jù)進行二次處理。另一方面，根據(jù)用戶不同的檢測或監(jiān)測需求，結合不同的算法，對各測點原始數(shù)據(jù)進行單獨處理和融合處理，以進一步提取有效信息。
7） 結構評估與預警模塊 通過結構分析與計算模塊、數(shù)據(jù)處理模塊的分析與處理，用戶比較計算結構理論值與實測值，結合結構本身特性及特定算法，來判別顯示被監(jiān)測結構的工作狀態(tài)，軟件對超限情況自動報警。
8） 文件存儲模塊 為了對數(shù)據(jù)進行管理，并為歷史查詢和計算分析服務，存儲可以采用二進制文件、文本文件及數(shù)據(jù)庫的形式。二進制存儲格式可以節(jié)約硬盤空間；普通文本存儲比較方便查詢；而為了對數(shù)據(jù)進行高效管理，可以采用大型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)進行存儲。同時，對于結構分析評估結論，可以以報告書的格式進行輸出。系統(tǒng)各個模塊雖然功能上相對獨立，但其集成于同一個圖形用戶界面（graphical user interface ，簡稱GUI）之中，相互關系緊密，不可分割。
4 結語
大跨度空間結構健康監(jiān)測及預警系統(tǒng)開發(fā)主要包括理論、硬件、軟件三方面，即大跨度空間結構在復雜荷載與復雜環(huán)境作用下的災變機理，及建立相應的大跨度結構體系安全性評價標準；適用于大跨度空間結構的新型傳感監(jiān)測設備開發(fā)；大跨度空間結構故障預警集成軟件系統(tǒng)的開發(fā)。研究內容具有明顯的多學科交叉特征，需要多學科研究人員和工程技術人員的緊密合作。
大跨度空間結構健康監(jiān)測系統(tǒng)需要進一步重點研究的課題有：
(1)傳感器的耐久性和可靠性研究；
(2)無線傳感網絡開發(fā)；
(3)監(jiān)測系統(tǒng)集成與工程應用；
(4)大跨度空間結構安全度評價標準及監(jiān)測規(guī)范。
我國正處于大跨度空間結構建設的高峰時期，本文研究內容將對相對薄弱的大跨度空間結構健康監(jiān)測領域提供一定的借鑒。
關于結構健康監(jiān)測
結構健康監(jiān)測是指對工程結構實施損傷檢測和識別。 我們這里所說的損傷包括材料特性改變或結構體系的幾何特性發(fā)生改變，以及邊界條件和體系的連續(xù)性，體系的整體連續(xù)性對結構的服役能力有至關重要的作用。 結構健康監(jiān)測涉及到通過分析定期采集的結構布置的傳感器陣列的動力響應數(shù)據(jù)來觀察體系隨時間推移產生的變化，損傷敏感特征值的提取并通過數(shù)據(jù)分析來確定結構的健康狀態(tài)。對于長期結構健康監(jiān)測，通過數(shù)據(jù)定期更新來估計結構老化和惡劣服役環(huán)境對工程結構是否有能力繼續(xù)實現(xiàn)設計功能。
關于聚華科技
杭州聚華光電科技有限公司（Cavono,Inc.）是一家基于物聯(lián)網光纖傳感器技術從事土木工程結構健康監(jiān)測與預警管理的高新技術企業(yè)，聚華是光纖光柵傳感器產品提供商和土木工程結構健康監(jiān)測一站式解決方案優(yōu)質合作伙伴。公司專注于橋梁、隧道、邊坡、基坑、地鐵、礦山、電力等土木工程領域的結構健康監(jiān)測相關產品的研發(fā)、生產、推廣與應用，以提供野外光纖傳感器自動化監(jiān)測產品、工程結構安全監(jiān)測一站式解決方案見長。主要以光纖光柵傳感器技術、分布式光纖測溫技術、工程安全自動化云計算軟件、工程化專業(yè)領域數(shù)據(jù)分析為技術核心。www.r786.cn
大跨度空間結構是一個國家建筑業(yè)技術水平的重要衡量標準，它廣泛應用在各種大型體育場館、劇院、會議展覽中心、機場候機樓等重要標志性建筑， 是新材料、新技術、新工藝為綜合技術的現(xiàn)代文明的體現(xiàn)。
當前是我國基本建設的高潮時期，大跨度空間結構的數(shù)量和規(guī)模都是歷史上前所未有。例如：2008 年奧運工程國家體育場“鳥巢”、國家游泳中心“水立方”、國家大劇院、首都機場新航站樓、2010 年上海世博會場館以及廣州會展中心、哈爾濱會展中心等。總體建筑規(guī)模超過2 000萬m2 。
1 研究背景
大跨度空間結構工程屬于集設計、分析、制造技術于一體的重大設施，它外形獨特，體系復雜，建造技術高難度，通常也是人員聚集、大型活動的場所，其安全性尤為重要。大跨度空間結構大量采用鋼材、膜材、高強鋼束等新型材料。
環(huán)境的侵蝕、材料的老化、地基的不均勻沉降和復雜荷載、疲勞效應等因素的耦合作用，將不可避免地導致結構系統(tǒng)的損傷積累和抗力衰減，極端情況下引發(fā)災難性的突發(fā)事件。例如：1992 年9 月深圳國際展覽中心4 號展廳網架屋蓋使用3年后在暴雨中倒塌；2002 年4 月湖南耒陽電廠大型空間結構儲煤庫建成5 年后，由于使用和環(huán)境腐蝕等原因發(fā)生倒塌事故；韓國濟洲島一體育場在2003 年的一次強臺風中倒塌；2004 年5 月法國巴黎戴高樂機場剛建成的候機廳發(fā)生屋頂坍塌；2007 年1 月雨雪、大風及材料老化導致將用于舉辦2010 年冬奧會開幕式和閉幕式的溫哥華體育場穹頂坍塌等。
上述實例說明，雖然空間結構屬于超靜定結構，但空間受力比較復雜，當結構關鍵部位發(fā)生破壞，結構可能會很快整體破壞。由倒塌事故來看，空間結構會在幾分鐘，甚至幾秒鐘內倒塌。因此，在我國建立起大跨度空間結構作為重大工程設施的定期故障監(jiān)測制度，實施長期實時的健康監(jiān)測和故障預警措施顯得尤為重要。
大跨度空間結構與大型橋梁、大壩、海洋平臺、石油管道等一樣屬于國家大型土木工程設施。對于橋梁、大壩、海洋平臺等國家大型設施的故障預警與安全性評估技術研究，在世界范圍內開展得比較早。尤其在美國、日本等發(fā)達國家，很早就有相應的行業(yè)標準。國內許多高校與科研機構在大型橋梁、海洋平臺等重大設施安全性測評技術研究領域也開展了多年研究，取得了一系列科研成果與工程業(yè)績。大跨度空間結構由于起步較晚，故障預警與安全性評估技術才剛剛起步，而由于其自身大跨度、大面積分布以及鋼材為主的建筑特征，明顯區(qū)別于橋梁、大壩、石油管道等線性分布的混凝土結構類為主的建筑，現(xiàn)有的故障預警與安全性評估技術不能直接用于大跨度空間結構中來。
要建立針對大跨度空間結構的健康監(jiān)測與故障預警系統(tǒng)，需要開展兩大方面內容的研究： ①復雜環(huán)境下大跨度空間結構的破壞機理與安全性評價標準研究；②大跨度空間結構類型的監(jiān)測技術手段研究。
2 空間結構健康監(jiān)測內容
結構監(jiān)測的定義是指利用現(xiàn)場的無損傳感與結構系統(tǒng)特性分析（包括結構反應） ，探測結構的變化，揭示結構損傷與結構性能劣化。結構監(jiān)測不是一個新概念，對結構的應變、加速度、速度、位移、旋轉等參數(shù)的測量一直是結構工程監(jiān)測的基本方法。由于土木工程結構的特殊性，如結構形式多樣、服役周期長、影響結構性能的因素復雜多變等，對其進行監(jiān)測比一般的機械系統(tǒng)要復雜。理想的監(jiān)測系統(tǒng)應能在結構損傷出現(xiàn)的較早時期發(fā)現(xiàn)損傷，在傳感器允許的情況下，結合損傷識別技術確定損傷的位置，評估損傷程度，預測剩余的有效壽命并采取相應的加固措施。目前，結構健康監(jiān)測是世界土木工程界的難題，也是研究的熱點。
結構健康監(jiān)測技術是一個多領域跨學科的綜合性技術，包括土木土程、動力學、材料學、傳感技術、測試技術、信號處理、網絡通訊通信技術、計算機技術、模式識別等多方面的知識。
整個結構健康監(jiān)測領域的研究內容是一個非常龐大的技術體系，主要包括以下方面。
1） 監(jiān)測范圍
①結構重要部位監(jiān)測 對于中小型結構可以只對結構可能發(fā)生損傷破壞的部位進行監(jiān)測，以降低監(jiān)測成本。一般采用間歇式人工監(jiān)測，條件允許時也可采用小型監(jiān)測設備；
②結構全面監(jiān)測 對于大型的重要結構，既需要監(jiān)測那些對損傷敏感的部位或子結構，如局部的應力、應變、位移和加速度等，也需要及時監(jiān)測結構的整體健康狀況，如內力、撓度及振型和頻率的變化，一般需要配合大型全面的監(jiān)測設備和健康監(jiān)測系統(tǒng)。
2） 監(jiān)測方式
①人工監(jiān)測 利用簡單的儀器，定期人工監(jiān)測和檢測，成本較低且不需高新技術，但費時、費力，準確性不高；
②自動監(jiān)測 采用多種類的傳感器和監(jiān)測設備，利用系統(tǒng)平臺對結構進行實時在線監(jiān)測，一般適用于特大或重要的結構監(jiān)測，自動化程度高，是當前研究熱點和發(fā)展方向；
③聯(lián)合監(jiān)測 將上述兩個方法結合起來，用各種小型的自動化程度較高的儀器，配合人工監(jiān)測，比較適合一般結構，具有廣泛的應用前景。
3） 監(jiān)測狀態(tài)
①靜態(tài)監(jiān)測 對結構的靜態(tài)幾何和力學參數(shù)進行監(jiān)測，可較直觀地反映結構的工作狀態(tài)；
②動態(tài)監(jiān)測 在結構運營情況下，基于人為激勵或環(huán)境激勵，監(jiān)測結構的動態(tài)幾何和力學參數(shù)。
4） 監(jiān)測的結構參數(shù)
①位移 絕對位移和相對位移，靜位移和動位移；
②變形 靜（動） 撓度、靜（動） 應變等；
③內力 桿件和索拉力等；
④動力參數(shù) 速度、加速度等；
⑤外觀和完整 氣蝕、磨損、裂縫、剝落等；
⑥物理化學現(xiàn)象 混凝土堿集料反應、鋼材銹蝕等；
⑦環(huán)境 風速、溫度、地震、荷載等。
5） 監(jiān)測手段
①位移測試 位移計、傾斜儀、測量設備、GPS、數(shù)字成像機等；
②變形測試 位移傳感器、電阻應變儀、壓電式應變儀、振弦應變儀、分布式光纖應變計等；
③內力測試 壓力環(huán)、磁彈性張力計、油壓計、剪力銷等；
④動力參數(shù)測試 速度計、加速度計；
⑤外觀或完整率測試 刻度放大鏡、數(shù)字成像機、超聲探測儀等；
⑥環(huán)境測試 風速計、溫度計、地震儀等。
3 空間結構健康監(jiān)測及預警系統(tǒng)組成
大跨度空間結構故障監(jiān)測和預警由于以大規(guī)模、大面積空間布局、靜態(tài)應力和形變?yōu)橹鞯奶攸c，因此必須建立專業(yè)的大跨度空間結構健康監(jiān)測理論，包括不同體系、不同荷載、不同損傷的識別與安全評估理論；開發(fā)新型適用于空間衛(wèi)星式布局、性能可靠的硬件設備，確保精度和長期工作的穩(wěn)定性，降低產品成本；開發(fā)相應的智能故障預警軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)對空間結構長期、實時、在線的監(jiān)測與預警。
3.1 空間結構健康監(jiān)測理論
大跨度空間結構健康監(jiān)測理論主要包括大跨度空間結構的故障機理與安全性評估理論。研究內容主要指在基于空間結構本身的體系拓撲、計算分析、施工建造等研究的基礎上，進一步分析結構整體削弱、核心部件受損、外界因素突變等情況下的受影響機理以及結構模型修正后的內力重分布。
理論研究的空間結構體系包括：空間網架網殼結構、預應力拉索網格結構、索膜結構、張弦梁結構、弦支穹頂結構、空間多面體剛架結構、“鳥巢型”復雜結構等。
考慮的復雜環(huán)境因素主要包括：材料腐蝕、地震作用、臺風作用、溫度效應、超載、火災、爆炸沖擊、施工工藝等。典型故障因素包括：索松弛與破斷、結構撓度過大、結構振動異常、構件損傷、約束破壞等。在考慮以上因素的前提下，大跨度空間結構健康監(jiān)測理論的研究可歸納為基于影響機理的結構損傷識別問題與基于模型重建的結構安全性評估問題。
大跨度空間結構損傷識別技術是健康監(jiān)測研究范疇內的核心問題。一般的結構損傷在物理狀態(tài)空間表現(xiàn)為剛度降低、柔度增大；在模態(tài)空間表現(xiàn)為固有頻率降低。無論從研究角度還是從實用角度出發(fā)，結構損傷識別的內容均需判明損傷的部位及部位物理參數(shù)的變化以及結構整體性能的變化等方面。
完整的損傷識別技術按照流程可分4 個層次：
(1)斷結構和構件是否損傷及何時發(fā)生的損傷；
(2)判斷結構的損傷位置；
(3)判斷結構損傷類型及損傷程度；
(4)進行結構健康狀態(tài)評定和壽命預測。
前3個層次分別是結構具體損傷的定性和定時、定位和定量問題；層次是結構整體的定位和定量問題。
大跨度空間結構安全度評估技術是在損傷識別的基礎上，有針對性地對結構計算模型進行修正，包括材料物理特性和截面特性的偏差、荷載和邊界條件的偏差等綜合因素。修正后的結構模型能夠更精確地反映結構的響應，從而結合實測結果對結構進行準確的損傷診斷和安全評估。
3.2 空間結構健康監(jiān)測硬件開發(fā)
適用于大跨度空間結構的大規(guī)模、大面積空間布局特點的新型硬件設備開發(fā)是空間結構健康監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)的核心內容。目前具有代表性的是以光纖光柵傳感器為主流的有線傳感設備和新興的發(fā)展迅猛的無線傳感設備。
3.2.1 光纖光柵傳感設備
光纖光柵傳感設備是當前國內外測試手段的主流，具有體積小、質量輕、插入損耗低、穩(wěn)定性好等特點，特別適合在易燃、易爆和強電磁等惡劣環(huán)境下使用。
1） 國際上對光纖傳感器研究的時間雖然不長，進展卻非常迅速。目前，已有70 多種光纖傳感器用于各種物理量的測量。從美國的Morey（1989 年） 等人首次對光纖光柵的應變與溫度傳感研究以來，世界各國都對其十分關注并開展了廣泛的應用研究，取得豐碩成果。在短短的10 多年時間里，光纖光柵已成為傳感領域發(fā)展快的技術。美國、加拿大、日本、英國、澳大利亞等國都先后投入了大量人力、物力進行該領域研究和開發(fā)。1998 年，美國加州大學Wanser Keith H。 等人采用多模光纖光柵作傳感頭， 用光時域反射計對振動與應變做了實時監(jiān)測試驗，并分別獲得美國和歐洲專利。10 年來，國外學者基于光纖光柵對應變、應力和溫度等物理量的傳感特性進行了多方面的研究，先后發(fā)展了直接檢測、干涉檢測、可調F2P 濾波器解調、匹配光纖光柵解調等多種波長解調技術，并在壓力、溫度、振動、溫度P壓力雙參量等光纖光柵傳感器件的試驗和研究方面取得了很大的進展和成果。
2） 我國雖然從20 世紀90 年代開始涉足光纖光柵傳感領域的研究，目前國內多家企業(yè)與高校開展這方面的研究，并且在用于土木工程結構監(jiān)測的研究與應用方面也取得了初步的成績，但總體水平和國外相比還存在著差距。光纖光柵傳感設備在各項通用的技術指標參數(shù)（如精度、穩(wěn)定、敏感性等方面） 仍有很大的改進空間。而以往適用于其它大型工程設施的光纖傳感設備，目前還無法直接用于大跨度空間結構，必須根據(jù)大跨度空間結構面積大、構件多、體系復雜、鋼構件不可埋入等特點進行針對性的開發(fā)。
3.2.2 無線傳感系統(tǒng)
無線傳感系統(tǒng)作為另一種新興的傳感技術，有著光纖光柵傳感產品無法比擬的優(yōu)點。雖然光纖光柵傳感技術因其抗干擾性、穩(wěn)定性、精確性等優(yōu)點普遍用于各類重大土木工程設施的安全預警系統(tǒng)中，并將在今后相當長一段時間內仍然作為監(jiān)測硬件的主流設備。但其有線采集、布線困難的弊病同樣明顯。橋梁、管道、大壩等結構由于線性特征，相對影響較小，大跨度空間結構的特點是面積大、空間寬，若使用有線監(jiān)測設備，在測點較多的情況下，用于布線的成本有可能超過監(jiān)測設備本身，同時大量復雜的布線對于結構的美觀、日后的維護、故障的檢修都存在著無法回避的問題。因此必須在改進傳統(tǒng)光纖光柵傳感技術的同時，開發(fā)目前國際上逐漸流行的無線傳感技術，并將其應用于大跨度空間結構的安全性測評領域中。其安裝方便、成本低廉、維護簡單、性能可靠等優(yōu)點，將逐漸取代傳統(tǒng)的監(jiān)測手段而成為主流。
1） 無線傳感系統(tǒng)在軍事、環(huán)境、健康、家庭和其他工商業(yè)領域早已應用，而美國率先將其引入土木工程的安全性監(jiān)測預警技術領域。1996 年，美國學者首次提出運用無線技術替代結構監(jiān)測有線系統(tǒng)的思想，開辟了無線傳感技術在結構監(jiān)測領域中的應用，并研制了一套實時的損傷識別結構健康監(jiān)測系統(tǒng)。由美國先進國防研究項目局所資助的、在加利福尼亞大學實施的“Smart dust”計劃，旨在建立一個無線傳感器開發(fā)的軟硬件平臺，進而開發(fā)出一系列低價格、小尺寸、高可靠性的無線傳感器及其網絡，進一步推動了無線傳感器的應用發(fā)展。該項目開發(fā)的產品目前已成為世界許多大學等研究機構使用的實驗室設備，并且以此衍生出一批較知名的專業(yè)無線傳感產品生產公司。國外開發(fā)的無線傳感類產品普遍存在價格高昂、無線傳輸距離短、技術保密、開放性差等弊病，不適合用于大型空間結構等建筑的安全性監(jiān)測領域。國內已有高校從設計的小型化、低功耗、低成本、高可靠性角度出發(fā)，采用模塊化設計方法，對無線傳感器的傳感處理模塊、中央處理模塊、無線收發(fā)模塊以及能源管理模塊進行設計、調試，進而集成了基于數(shù)字接口的無線加速度傳感器與應變傳感器樣品。
2） 無線傳感器 傳感單元采用先進的MEMS 技術
封裝，具有體積小、低功耗、可靠性高等特點，適合集成；無線傳感器具有智能處理單元，可以對采集信號進行預處理，對特征信號進行初步提取，數(shù)字輸出，不需要有線傳感系統(tǒng)的電荷采集箱部分，同時也分散了中央處理器處理數(shù)據(jù)的壓力；無線傳感器依據(jù)設定的通信協(xié)議，可以實現(xiàn)自組織網絡，形成一個高效實時的監(jiān)測系統(tǒng)，且網絡的大范圍覆蓋性與可拓展性可以保證同時監(jiān)測到大型結構各個部位的信息；無線傳感器節(jié)點具有節(jié)能的特點。
3） 目前，無線傳感技術已開始向土木工程結構監(jiān)測領域滲透并成為這方面研究的一個熱點。一定時期內，盡管有線傳感器在產品種類上的優(yōu)勢會使其在結構監(jiān)測領域占主導地位，但無線傳感器及其網絡所特有的優(yōu)勢已經凸現(xiàn)出來。隨著結構健康監(jiān)測無線傳感網絡方面的研究和在實際結構中的使用，無線傳感網絡將會逐步取代有線傳感網絡。
3.3 空間結構健康監(jiān)測軟件開發(fā)
智能、通用的監(jiān)測及預警軟件系統(tǒng)開發(fā)是空間結構健康監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)的重要內容，是對整個系統(tǒng)功能的融合。軟件系統(tǒng)運行于PC 機上，以一個圖形用戶界面為用戶提供直觀的功能模塊和數(shù)據(jù)顯示。應該實現(xiàn)對結構變形、位移、振動等物理參數(shù)的監(jiān)測，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理，從而實現(xiàn)對結構的初步評估與預警。軟件系統(tǒng)一般包含工程管理、結構建模與顯示、結構分析與計算、測點布置與組網、數(shù)據(jù)收發(fā)、數(shù)據(jù)處理、結構評估及文件存儲等模塊。
1） 工程管理模塊 用于建立及管理工程列表，其中包含工程簡介、工程圖表等相關信息。
2） 結構建模與顯示模塊 為了掌握被檢測對象的相關信息，需要顯示結構前處理模型。該功能模塊用于結構模型的建立以及旋轉、平移、縮放等圖形顯示功能。
3） 結構分析與計算模塊 用于結構理論分析，計算得出理論值，為與實測值的比較以及結構的安全評估提供判別依據(jù)。
4） 測點布置與組網模塊 用于監(jiān)測方案的設計以及測點布置、組網，并便于掌握各傳感器節(jié)點的運行狀態(tài)。合理的測點布置方案可以在保證有效獲取結構信息的前提下，做到大程度的經濟化與穩(wěn)定性。
5） 數(shù)據(jù)收發(fā)模塊 用于接收傳感器網絡中所有節(jié)點傳輸來的數(shù)據(jù)，同時將各種管理命令發(fā)布到指定的節(jié)點。網絡中的數(shù)據(jù)通過收發(fā)基站以串口傳輸?shù)接嬎銠C，對計算機串口進行監(jiān)聽，實時判別是否有數(shù)據(jù)輸入，輸入的數(shù)據(jù)根據(jù)預定義的數(shù)據(jù)幀進行數(shù)據(jù)解碼，進而完成數(shù)據(jù)的收發(fā)任務。數(shù)據(jù)收發(fā)模塊將各節(jié)點檢測的數(shù)據(jù)以實時曲線的形式顯示給用戶，此外用戶也可以根據(jù)需要，以表格形式查看當前數(shù)據(jù)的數(shù)值。
6） 數(shù)據(jù)處理模塊 數(shù)據(jù)處理模塊一方面是為了減少數(shù)據(jù)的存儲量，需要對接收入計算機的數(shù)據(jù)進行二次處理。另一方面，根據(jù)用戶不同的檢測或監(jiān)測需求，結合不同的算法，對各測點原始數(shù)據(jù)進行單獨處理和融合處理，以進一步提取有效信息。
7） 結構評估與預警模塊 通過結構分析與計算模塊、數(shù)據(jù)處理模塊的分析與處理，用戶比較計算結構理論值與實測值，結合結構本身特性及特定算法，來判別顯示被監(jiān)測結構的工作狀態(tài)，軟件對超限情況自動報警。
8） 文件存儲模塊 為了對數(shù)據(jù)進行管理，并為歷史查詢和計算分析服務，存儲可以采用二進制文件、文本文件及數(shù)據(jù)庫的形式。二進制存儲格式可以節(jié)約硬盤空間；普通文本存儲比較方便查詢；而為了對數(shù)據(jù)進行高效管理，可以采用大型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)進行存儲。同時，對于結構分析評估結論，可以以報告書的格式進行輸出。系統(tǒng)各個模塊雖然功能上相對獨立，但其集成于同一個圖形用戶界面（graphical user interface ，簡稱GUI）之中，相互關系緊密，不可分割。
4 結語
大跨度空間結構健康監(jiān)測及預警系統(tǒng)開發(fā)主要包括理論、硬件、軟件三方面，即大跨度空間結構在復雜荷載與復雜環(huán)境作用下的災變機理，及建立相應的大跨度結構體系安全性評價標準；適用于大跨度空間結構的新型傳感監(jiān)測設備開發(fā)；大跨度空間結構故障預警集成軟件系統(tǒng)的開發(fā)。研究內容具有明顯的多學科交叉特征，需要多學科研究人員和工程技術人員的緊密合作。
大跨度空間結構健康監(jiān)測系統(tǒng)需要進一步重點研究的課題有：
(1)傳感器的耐久性和可靠性研究；
(2)無線傳感網絡開發(fā)；
(3)監(jiān)測系統(tǒng)集成與工程應用；
(4)大跨度空間結構安全度評價標準及監(jiān)測規(guī)范。
我國正處于大跨度空間結構建設的高峰時期，本文研究內容將對相對薄弱的大跨度空間結構健康監(jiān)測領域提供一定的借鑒。
關于結構健康監(jiān)測
結構健康監(jiān)測是指對工程結構實施損傷檢測和識別。 我們這里所說的損傷包括材料特性改變或結構體系的幾何特性發(fā)生改變，以及邊界條件和體系的連續(xù)性，體系的整體連續(xù)性對結構的服役能力有至關重要的作用。 結構健康監(jiān)測涉及到通過分析定期采集的結構布置的傳感器陣列的動力響應數(shù)據(jù)來觀察體系隨時間推移產生的變化，損傷敏感特征值的提取并通過數(shù)據(jù)分析來確定結構的健康狀態(tài)。對于長期結構健康監(jiān)測，通過數(shù)據(jù)定期更新來估計結構老化和惡劣服役環(huán)境對工程結構是否有能力繼續(xù)實現(xiàn)設計功能。
關于聚華科技
杭州聚華光電科技有限公司（Cavono,Inc.）是一家基于物聯(lián)網光纖傳感器技術從事土木工程結構健康監(jiān)測與預警管理的高新技術企業(yè)，聚華是光纖光柵傳感器產品提供商和土木工程結構健康監(jiān)測一站式解決方案優(yōu)質合作伙伴。公司專注于橋梁、隧道、邊坡、基坑、地鐵、礦山、電力等土木工程領域的結構健康監(jiān)測相關產品的研發(fā)、生產、推廣與應用，以提供野外光纖傳感器自動化監(jiān)測產品、工程結構安全監(jiān)測一站式解決方案見長。主要以光纖光柵傳感器技術、分布式光纖測溫技術、工程安全自動化云計算軟件、工程化專業(yè)領域數(shù)據(jù)分析為技術核心。www.r786.cn