“结构地震安全监测系统”在我国始于1962年，工程力学研究所在新丰江大坝建立了首个结构强震观测站，此后在北京、广州、武汉和上海等地开展重要建筑监测和区域性特色结构强震台网建设，并获得了实测结构地震反应数据。目前，湖北省武汉市针对上百栋160米以上超高层建筑开展长期结构强震观测，形成了我国最大的结构地震安全监测台网。
2023年，中国地震局开始在全国开展城市地震灾害风险感知和评估的试点工作，首批试点城市包括了新疆、四川、甘肃和云南等4个多震的省份。2024年，中国地震局明确湖北局作为项目牵头单位，进一步在湖北、江苏、陕西、福建、青海、陕西、河北等省份进行示范应用，旨在通过轻量化结构项目的试点发挥种子效应，更好地推动城市地震灾害风险感知和评估工作。
超高层建筑安全需求迫切
超高层建筑抗震设防等级高，破坏性地震作用下一般不会造成建筑直接倒塌。但大楼内外附属物垮塌导致的人员伤亡、大楼结构损坏导致的电梯困人、燃气泄漏等次生灾害影响依然不可忽视。同时，周边及远方大震与超高层建筑产生的共振影响，也极易让高层住户产生恐慌。
超高层建筑结构长时间服役安全需求也尤其突出。2021年5月18日，深圳市福田区华强北的赛格广场发生一起楼体摇晃事件。据报道，该次应急抢险工程引起了约5500万元的经营损失。
我国地震监测台网大多布设于城市周边和偏远地区，城市内的台网密度相对较低，地震后城市的真实地震反应观测台阵不足，无法为超高层建筑震后的应急救援决策提供充沛的第一手资料。
“结构地震安全监测系统”的实时预警及报警功能可以帮助人员及时了解震害影响，并进行有效紧急处置，减少人员伤亡，实现“小震安心、大震减灾”。
为了有效解决这些安全隐患，2023年，湖北省地震局研发团队承担了中国地震局现代化建设专项“结构地震安全监测系统”的设计实施和示范应用。
提升用户感知度 促进减灾实效
“结构地震安全监测系统”构想之初，国内已有一些超高层建筑的结构健康监测案例，但大多数案例都以科学研究为主要目的，主要采用灾后人工数据分析的方式判断结构的受损影响。
这些案例产生的科学价值较高，却无法得到大楼用户的高度感知，导致减灾效果的体现程度也较低。
“我们的研发思路是在震害发生时，通过多技术手段融合实现‘三报’预（报）警信息自动快速推送，产出结果直接服务于大楼业主，发挥减灾实效。”杨江说。
项目团队通过“云边”融合计算实现震害精细化产出，并以微信公众号发布文字和报表形式的预警和报警信息，供大楼住户进行消息订阅。一二报信息分别在破坏性地震波到达建筑前和建筑时告知住户灾害信息、影响范围并提供处置建议，三报信息则给出更为专业的高层结构健康分析结果。
破坏性地震波对建筑结构影响足够大时，也会通过电梯地震开关控制电梯程控系统进行紧急处置，防止结构损坏导致的电梯困人事件发生。
同时，数字孪生可视化子系统接入大楼信息化大屏，展示结构实时动态响应，让业主能真实感受到科技带来的服务。
贯彻新理念 领跑防抗救新发展
研发团队紧盯打造标准化产品和技术系统的目标，服务于城市超高层建筑或轻量化结构防灾减灾的理念伴随始终。
系统的六项关键内容最终确定为低成本多参量监测台阵、高拓展性大数据业务支撑平台、精细化边缘计算系统、可视化数字孪生系统、多手段信息推送服务、高可靠紧急处置系统，相辅相成，缺一不可。
系统正式运行后，可为高层建筑提供服役期全生命周期监测，提供异常振动情况下的分析报告，提前发现潜在风险，减少直接经济损失。
“结构地震安全监测系统”以强震动监测为核心，多参量监测为辅助，融合多种技术手段，重点聚焦于利用科技创新发挥防震减灾实效，具有很好的推广应用价值。
“结构地震安全监测系统”的建设将在经济、社会和安全层面带来积极的效益，同时也会提升行业的影响力和地位，促进相关科技的进步与创新，提高全社会的抗震韧性和防灾减灾能力。
我国首个全套“听诊”高楼诞生
“结构地震安全监测系统”建成了，但要找到合适“试验”对象并不容易。愁眉不展之际，中南建筑设计院总工程师向杨江推荐了襄阳大厦。这是一座由地上58层的超高层塔楼和地上5层裙房组成的超高层综合体。
为何选中襄阳大厦？襄阳大厦即将投入使用，高263.6米，目前超高层建筑高度中多集中在200至300米，它的“身高”有代表性；采用框架－核心筒结构，也就是方正、异形兼备；大厦同时有高档写字楼和高端酒店两种功用；同时处在沙湖、长江之畔，是江城特色地貌气候中的公共建筑，更对狂风的监测影响具有典型性。这栋大楼的地震监测“使命”既巧合又天然。
2023年8月，杨江团队进入襄阳大厦开展结构监测台阵施工，选址、安装、调试……一切忙中有序、科学规范。无人机围绕大楼航拍实景，通过数字孪生技术模拟实景大厦模样，全新的视角让大厦的居民眼睛一亮。
“这些大大小小的匣子总造价在60多万元。”副总工程师范涛地说，布设在襄阳大厦不同部位的27台监测设备摆放到1.5平方米的办公桌面，刚刚能摆满。它们共同守护着大厦的结构安全。
“遭遇强震时，电梯地震开关一旦启动，不会往下掉，也不会停在中间，而是就近在某个楼层打开门，然后自动断电，电梯静止不动，这样就不会造成电梯事故和次生灾害。”在装有地震开关的电梯前，杨江讲述，破坏性地震波对建筑结构影响足够大时，也会通过电梯地震开关控制电梯程控系统进行紧急处置，防止结构损坏导致的电梯困人事件发生。
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一、什么叫“结构地震安全监测系统”（轻量化结构台阵技术系统）
“结构地震安全监测系统”也称为轻量化结构台阵技术系统，其是城市地震灾害风险感知和评估的重要内容手段，其通过安装在建筑、桥梁、水库大坝等结构上的传感器实时监测结构的振动信息，将振动数据传输到本地终端和中央计算机，通过本地终端（也称边缘计算服务器）和中央计算机上的软件实时分析结构的健康状态，产出实时评估报告，并发送结构的健康状态信息，当结构健康状态出现异常时，向业主或管理部门发送报警或预警信息。
二、“结构地震安全监测系统”的核心技术
项目的关键技术问题主要有：1.如何布设最优的测点方案；2.如何获取关键工程需求参数；3.如何确定最合适的关键工程需求参数的阈值；4.如何实现自动化快速诊断产出及信息推送。
三、“结构地震安全监测系统”的主要特点
1.低成本。采用稀疏台阵，通过核心处理算法实现高精度安全监测。依托省局业务分中心、全国大数据业务平台实现算法的不断优化迭代，实现单体结构相对较低的系统建设成本。
2.强产出。利用“云边协同”技术，实现单体结构精细化、个性化产出，核心产出指标明确。融合国家地震预警信息/灾害预警信息和本地监测报警，实现“预警”/“报警”一体化产出。
3.深服务。基于统一的省级消息服务平台，实现面向不同对象的多类型消息推送服务。
4.重感知。利用“三维动态”“数字孪生”等技术，实现智能化动态展示，提升监测的感知度。可根据需求配置紧急处置装备（如发布终端、电梯地震开关、燃气地震开关等），实现监测/控制全流程服务。
（通讯员王维维）
责任编辑：王哲
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