摩天大楼的安全监测——访武汉大学测绘学院邹进贵、徐...

我国在超高层建筑领域总体上已达到国际先进水平，已成为全球超高层建筑发展的中心,这也引起了全世界的瞩目。近几年，我国连续有一些项目(CCTV新台址、深圳平安金融大厦、上海中心大厦等)被CTBUH（世界高层建筑与都市人居学会）评为世界最佳高层建筑也说明了这一点。

与此同时，我国已经形成了比较完善的高层建筑结构设计、施工的规范和标准体系，对保证工程质量起到了巨大的作用。但我们也要认识到，高层建筑及超高层建筑在给我们的生活带来便利的同时，也有潜藏着的风险.

《中国测绘》记者特邀武汉大学测绘学院副院长、博士生导师邹进贵教授与博士生导师徐进军教授就超高层建筑安全监测的背景、特点和相关技术应用、发展等方面的问题，结合他们本人数十年在精密测量领域的研究经历，给我们带来分析和见解。

记者：请介绍一下，目前我国超高层建筑安全监测的行业背景以及监测要求。

邹进贵：摩天大楼通常是一个城市经济发展的象征，也是一个城市的标志性景观和地标，是展示城市形象的亮丽名片，因此中国多地曾一度掀起“摩天大楼热”。统计数据显示，截至2020年4月，超过100米的中国摩天大楼建筑数量为1938座，远超美国的436座。根据英国高层建筑与城市居住区委员会的排名，全世界最高的20座建筑物有11座位于中国。

超高层建筑不仅可以集中显示一个城市的经济实力、提高知名度，也能带动资源集聚，形成新的热门商圈。同时，对于土地资源紧缺、寸土寸金的大城市和超大城市，建筑在向空中发展时有效增加土地的使用面积。但与此同时，超高建筑也带来了一系列问题，比如超高层建筑的建设成本高，运营与维护成本大，尤其面临着消防安全等不可预知的特殊情况的挑战；多数摩天大楼采用的全玻璃幕墙，容易折射日照，加剧城市热岛效应；超高层建筑给周边建筑物带来巨大压抑感，影响城市居民的居住体验感等。

2020年4月，住房和城乡建设部、国家发展与改革委员会联合发布的《关于进一步加强城市与建筑风貌管理的通知》，该《通知》明确严格限制新建超高层建筑一般不得在500米以上，且各地新建100米以上建筑应充分论证、集中布局，严格执行超限高层建筑工程抗震设防审批制度，与城市规模、空间尺度相适宜，与消防救援能力相匹配。中小城市要严格控制新建超高层建筑，县城住宅要以多层为主。这从一个方面遏制了超高层建筑的盲目建设。

另一方面，由于超高层建筑的结构和材料非常复杂，随着使用时间的增加，因为偶尔的超常荷载（如强台风、小地震等）、随时间产生的材料老化以及构件缺陷等因素的影响，结构会产生损伤并且会不断地累积，从而使得结构的承载力变低，导致结构变得难以应对自然灾害。

我国不少超高层建筑已经服役差不多一二十年了，因此及时对超高层建筑进行实时结构健康监测，尽早得知结构损伤，并对可能产生的灾害进行警示，无论从人员安全还是财产安全方面来看都非常重要。但如何对现有高层建筑进行有效的结构安全健康监测，及时发现隐患是摆在我们面前的一个重要问题。

记者：超高层建筑与一般建筑相比有哪些显著特点，从前期勘测、后期维护和变形监测等方面来说，超高层建筑的结构安全监测必要性和技术难点主要体现在哪里？

徐进军：超高层建筑耗资多，占地面积和体积较大，服役时间长，对耐久性要求较高。超高层建筑结构的使用期限有几十年乃至上百年，遇到地震、台风等自然灾害时，极有可能遭到特别严重的损坏。超高层建筑通常为人口密集场所，一旦发生严重的破环，会造成极为严重的后果，不仅仅会危及人们的生命以及财产安全，也容易引起社会大范围内的恐慌，导致社会的不稳定以及影响经济的发展。所以，对其进行安全监测是非常必要的。

要搞清楚超高层建筑结构的健康状态，就需要大量各类传感器对其进行全面监测、分析和评价。这里涉及到三个主要技术难点：

一是传感器的布设位置。高层建筑监测需要全面的数据支撑，理论上，布设的传感器越多得到的信息就越多越全，但管理和维护成本又会变大。所以我们需要考虑将有限的传感器布设在合适的位置，以确保监测数据高效且可靠，特别是对那些运营时间已经较长的高层建筑。

二是提高传感器的性能。传感器要有较长的使用寿命来保证数据的连续性，同时传感器还要能有效抑制噪声干扰，从源头保障数据质量。

三是海量数据的信息挖掘与融合分析。高层建筑物上安装的大量传感器时时刻刻都在高频采集数据，首先我们要做到的就是从海量数据中挖掘出有价值的信息；其次是进行多源数据的融合处理，即把各种有价值的信息进行融合分析，实现科学诊断，得出有依据可实践的结果。

与传统的土木建筑相比，超高层建筑结构和形状更加多样，受到更多的荷载影响，如发生安全事故造成的影响巨大，因此需要更多更先进的监测内容和技术手段，而目前已经成熟地应用于传统建筑监测的理论和监测方法在超高层建筑上不一定适用，需要根据超高层建筑物本身的特点进行改进。

记者：从测量专业角度看，超高层建筑安全监测主要包含哪些内容？目前有哪些可用的技术手段？


邹进贵：目前高层建筑结构安全隐患产生的主要原因是风载、地震以及材料老化等，而且它们对建筑安全的影响机理非常复杂。为了能明确因果关系，就需要全面的监测数据，除了顶部位移、偏摆、沉降、倾斜、裂缝、扭曲、应力、应变、振动等响应监测外，还要风速、风向、风压、温度、地震等因素监测。需要将各种监测传感器构成一个物联网，实现数据的自动采集、传输、处理等。通过前期对桥梁健康监测的大量实验和研究表明，现有的数据采集、传输、处理等相关技术手段基本上是成熟可用的。

尽管如此，上述的各个环节依然还有很大的研究实践空间和不确定性。目前已形成的大部分损伤识别研究理论与方法，都是基于实验模型等在可控试验条件下发展起来的，而真正在摩天大厦结构安全监测中的实践非常有限，所以并不能确保目前的方法就一定可行。

具体有如下的原因：

结构安全监测中所使用的传感器性能还不够理想，长期用其进行数据采集，数据量和质量都不太能满足监测要求。

目前已经安装了结构安全监测系统的建筑结构总体营运时间不长，还不足以产生明显的材料退化和损伤，导致无法从监测结果来判定结构安全监测系统的有效性和可靠性。

系统容易忽视目标结构初期出现的微小损伤，对其缺乏有效的识别理论与方法。因此，现有的关于结构安全监测系统的成果和应用不能算很成熟，其无法预料在真正的实际监测中这些不确定性因素将带来什么样的影响。总结来看，理论研究和真正规模化实践应用之间还存在不小的差距，需要在实践中经受时间的考验。

记者：以你们实践的超高层建筑变形监测项目为例，请谈谈如何实现对目标建筑的有效安全监测？

徐进军：我们此前有对厦门、深圳、广州、武汉等地的一些超高层建筑进行过监测，通过监测的实践结果来看，要进行有效的结构安全监测，需要满足以下四个方面的条件：

●领导足够重视。安全无小事，事关人民生命财产安全和社会经济建设，需要认真对待，从顶层设计加大结构安全监测设备的投入。

●要有行业规范要求，使相关的结构安全监测工作做到有法可依，违法必究。

●有完善的技术手段保障，通过技术攻关和应用，保障高层建筑结构监测能满足多种技术手段采集的数据全面、传输及时、处理分析准确，危险预警科学。

●高层建筑和超高层建筑的结构安全监测是涉及到多学科多专业的综合技术工作，需要所有参与人员的通力合作，多学科技术手段和理念的融合，能给到更好的技术实践方案。

记者：随着新一代信息技术的发展，我们是否能更好地实时感知、识别、诊断、评估建筑结构的损伤与安全状态，防患于未然？

邹进贵：事实上，结构健康监测（structural health monitoring，SHM)就是信息技术发展的产物，SHM的功能与目的是结构损伤识别与状态评估，在桥梁工程领域SHM的系统应用已发展了近30年，取得了很多成果。

近十年来，上海环球金融中心、广州电视塔、广州国际金融中心、深圳帝王大厦、深圳平安金融中心等超高层建筑开始建立超高层的结构健康监测系统，取得了不少有价值的阶段性研究成果。但总体而言，实际工程中应用效果还不理想。

当超高层建筑安装了众多的各类传感器后，快速的数据采集、长期的数据积累以及这些数据含有的大量噪声，再加入文本、图片等非结构化数据，使超高层建筑的这些多源异构数据具备了大数据特征。

因此，通过5G技术提升数据传输的速度和可靠性，通过大数据、云计算实现数据预处理、数据融合、特征工程、模式识别、数据可视化等信息挖掘，通过人工智能对多源异构信息进行综合分析评价，认知结构状态并识别可能的损伤做出安全评估和智能决策，能更好地实时感知、识别、诊断、评估建筑结构的损伤与安全状态，防患于未然。

尽管将新一代信息技术应用于超高层结构健康监测中还处于初步的探索阶段，还存在很多问题，但随着技术快速发展应用以及各类结构监测数据的不断丰富，5G、大数据、云计算、人工智能等新一代信息技术必将在结构健康监测，也包括超高层结构健康监测中发挥重大作用。

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