一、前言

　　中國建筑幕墻從1983年開(kāi)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(jiàn)新型建筑幕墻、屋頂裝點(diǎn)著(zhù)秀麗的城市大街。

　　建筑幕墻、屋頂已經(jīng)成為現代建筑文化、建筑個(gè)性化、建筑藝術(shù)、建筑新科學(xué)的重要標志。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、屋頂的世界強國。

　　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(cháng)期效應、疲勞效應與突變效應等因素的耦合作用將不可避免地導致結構和系統的損傷累積和抗力衰減，從而抵抗自然災害、甚至正常環(huán)境作用下降，極端情況將引發(fā)災害性突發(fā)事故，因此為了保障結構的安全性、完整性、適用性和耐久性，除了對已建成的工程除了進(jìn)行健康普查加固之外，對重大工程急需采用有效地手段監測和評定其安全狀況、修復和控制損傷。新建的重大工程也要在建設同時(shí)，總結以往經(jīng)念和教訓，增設健康監測系統和損傷控制系統，以監測結構的服役安全狀況，為預防突發(fā)性的災害事故提供科學(xué)而經(jīng)濟的手段和方法。

　　幕墻屋頂工程結構的智能健康監測系統至少包括如圖1所示的四個(gè)功能模塊。長(cháng)期性、實(shí)時(shí)性和自動(dòng)監測是結構健康監測系統的三個(gè)基本特征。

　　二、已有的健康監測的兩個(gè)案例

　　1、拉索幕墻結構的預拉力監控及報警

　　深圳堅朗公司針對拉索結構的預拉力監控及報警這個(gè)技術(shù)難題，公司成立了技術(shù)攻關(guān)小組，最終在2005年元旦前將該系統設計、安裝、調試完畢。該系統是在單層索網(wǎng)幕墻的基礎上，通過(guò)對拉索錨固端節點(diǎn)的細化設計，安裝了智能弦式傳感器，然后配備了專(zhuān)用的數據線(xiàn)、采集設備、控制計算機等共同組成。此系統具備了預拉力及溫度實(shí)時(shí)監控、數據自動(dòng)采集保存、及自動(dòng)報警等功能，可完成長(cháng)期無(wú)人值守的索內力監控。另外，此系統還具有高靈敏度、高自動(dòng)化、高穩定性、高可靠性等特點(diǎn)。在玻璃幕墻中，應用拉索結構作為幕墻的主支承結構已經(jīng)越來(lái)越廣泛。但拉索結構是典型的柔性結構，預拉力是拉索結構的靈魂，只有結構具有一個(gè)比較準確的預拉力，幕墻才能正常工作，結構才會(huì )安全。但是，拉索的預拉力又受結構變形、溫度變化、材料蠕變等影響比較大。要想保證拉索結構的預拉力在長(cháng)期內（《建筑結構可靠度設計統一標準》（GB50068）規定幕墻的設計年限不低于25年）始終保證在一個(gè)準確的范圍內是比較困難的。最好的途徑是能夠實(shí)時(shí)進(jìn)行預應力監控及報警，在拉索結構預拉力超出或低于設定的預拉力范圍時(shí)，報警提醒管理人員采取應對措施。

　　A：監控系統工作原理圖

　　B：監控系統設備

　�。�1）采樣器

　�。�2）采集模塊

　�。�3）顯示控制設備

　　C：監控系統布置

　　監控系統布置主要考慮的是采樣器的合理布置，對于主受力索，理論上應該在每根拉索均設置采樣器。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、大跨度屋頂結構

　　深圳市民中心大廈的屋頂為長(cháng)486m、寬156m的網(wǎng)殼結構，跨中樹(shù)狀衍架支撐在塔上。該結構屋頂部分安裝了一套健康監測系統，該系統由傳感器子系統和結構分析子系統組成，其中傳感器子系統測量屋頂部分的風(fēng)壓和反應，結構分析子系統計算結構的反應并進(jìn)行安全評定。傳感器子系統包括光纖傳感器、應變片、風(fēng)速儀、風(fēng)壓計和加速度傳感器，其中光纖傳感器和應變片測量結構的應變反應，加速度傳感器測量結構的位移和加速度反應，風(fēng)速儀和風(fēng)壓計測量屋頂的鳳壓分布。結構分析子系統在監測得到的結構反應的基礎上，可以進(jìn)行屋頂結構的損傷識別、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)所設計的玻璃的幕墻，共劃分成1.4×3.5米的玻璃10344塊。1968年開(kāi)工，至1971年建成后就陸續有玻璃破裂。1973年一次風(fēng)暴中吹壞了數十塊，破玻璃落下來(lái)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(gè)公司提出控告。據調查認為原因是結構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構剛度，將玻璃改為鋼化玻璃，這些措施共花施工、材料、設計費達數百萬(wàn)美元，約占建筑總投資的數十分之一�？膊祭锲嬷屑壏ㄔ鹤詈笈袥Q，按照6個(gè)單位在事故中的責任大小來(lái)分攤這筆費用，貝聿銘事務(wù)所占4/19，兩個(gè)玻璃制造廠(chǎng)商均占6/19.至此，漢考克大廈又恢復了閃閃光的從優(yōu)雅的儀容。但是，這樁公案仍未了結，在修復后的五年中，又已破裂了55塊。開(kāi)始，為了預測即將破裂的玻璃，專(zhuān)門(mén)委派了一小隊看守人員分散在大街上，拿著(zhù)望運鏡仔細觀(guān)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在，這種工作已由電子傳感器健康監測系統代替。這是一種大約有50美分錢(qián)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(shí)將玻璃的內部狀態(tài)傳至中央控制室，一旦有玻璃即將破裂，中央控制室即會(huì )發(fā)出指令，并指出其位置，管理人員可迅速將其換掉。

　　三、幕墻屋頂結構健康監測展望

　　1、光纖光柵傳感技術(shù)

　　就應力測試而言：傳統的電阻應變片傳感元件的性能也在不斷的提高，作為鋼結構的短期應變測量，還是能滿(mǎn)足工程要求的；但其受環(huán)境影響較大，長(cháng)期應變測試的結果會(huì )嚴重失真。長(cháng)期應變測試，通過(guò)國內外同行的大量實(shí)踐，已將應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(mén)新興的監測技術(shù)，而且可以看作是一種智能化的健康監測技術(shù)。光纖可以歸為智能材料一類(lèi)，它通過(guò)把結構受力、變形的信息轉換為光信息，例如光強大小的改變、光柵的反射波長(cháng)等光參數來(lái)實(shí)現力信息和光信息的互換，最后通過(guò)解調設備來(lái)進(jìn)行質(zhì)詢(xún)和解調，從而得到結構應變、應力與光強變化或者光柵波長(cháng)變化之間的對應關(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(lái)重要幕墻屋頂工程結構健康監測的首選技術(shù)，有很大的應用和發(fā)展前景。光纖光柵傳感技術(shù)是比較適合應用于結構長(cháng)期健康監測，目前FBG傳感器也有很多實(shí)際應用實(shí)例，的確目前有一個(gè)要認真解決的問(wèn)題是解調儀的穩定性和精度，雖然國內廠(chǎng)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)權的產(chǎn)品，但在實(shí)際工程監測中還是有很多工作要繼續深入研究。

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

　　3、壓電薄膜裂紋萌生和擴展的監測是健康監測領(lǐng)域的重要研究課題。壓電薄膜是監測結構的裂紋蔭生與擴展是結構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、面監測、自適應復雜的結構形狀、靈敏度高、響應快等優(yōu)點(diǎn)。試驗結果表明，結構的應變變化將導致PVDF的電壓線(xiàn)性變化，PVDF可以用作應變傳感器，其靈敏系數可達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構的烈紋萌生。由于壓電材料具有的正、逆壓電效應，使得它既可以做驅動(dòng)器，也可以做傳感器�，F在壓電薄膜可用于幕墻和屋結構健康監測與損傷識別方面的技術(shù)有三個(gè)方面，壓電應變傳感技術(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和相變超彈性性能，因此可廣泛應用于當前迅速發(fā)展的智能結構中，使智能結構具有高度自適應能力，能夠自動(dòng)適應結構的一些特殊要求。例如把SMA材料處理后復合于幕墻屋頂的面板材料之中或加工成智能元件安裝在立柱結構的某些部位，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控、被動(dòng)或主動(dòng)控制結構變形和地震反應，以便對建筑結構的裂縫、變形及振動(dòng)進(jìn)行準確而有效的控制。

　　5、疲勞壽命絲（箔）傳感器疲勞效應是影響重大工程結構健康的主要因素之一。至今，承受變幅交變荷載的結構壽命預測仍是有待解決的難題。雖然一些理論，如結構累積損傷理論已經(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(lài)的實(shí)測數據（如疲勞載荷譜等）而難以用到實(shí)際結構中。

　　美國20世紀70年代提出了用類(lèi)似于電阻應變片的簡(jiǎn)單元件來(lái)測試疲勞損傷的概念和方法。國內從1984年開(kāi)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(guò)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(jìn)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變倍增器，為疲勞壽命計的實(shí)用化研究打下了基礎。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測與評定系統，將促進(jìn)建筑幕墻和屋頂結構的疲勞損傷監測。

　　四、結束語(yǔ)

　　工程結構的智能監測系統在幕墻和屋頂工程還很少，工程結構的智能監測系統如何在幕墻和屋頂工程應用還有很多開(kāi)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設施建設的高峰時(shí)期，因此，我國已經(jīng)、正在和計劃建造的重大工程結構的安全需求，為健康監測系統的研究、發(fā)展與實(shí)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。