保障結構質量與安全的數據需求：基于工程大數據的思考（下）

◆李唐振昊 尤建新 / 文

（接上期）

2.2 非結構特性數據

非結構特性數據是與結構本身屬性特征無關的數據維度，主要反映外部因素的作用效應。時間、環境、荷載數據、土體條件、偶然事件和施工質量等均可看作外部條件對工程結構的作用，其并不能反映結構自身的特性，因此將此類維度作為非結構特性數據的二級指標。

2.2.1 時間

時間維度不僅體現在傳統意義上結構的時變性[50]，還包括時間維度上采用規范、施工技術水平和施工標準的差異。

以混凝土結構為例。結構的長期性能指標是一個隨時間變化的復雜變量，是結構在服役期間長期的荷載與環境耦合作用下，結構表現出的具有時變性的功能或特性，一般包括混凝土的收縮徐變、鋼筋的蠕變、疲勞累積損傷、耐久性劣化、持續下撓、裂縫發展等[51]，圖3為混凝土再生混凝土隨時間推移的失效概率[52]。此外，我國在不同時期采用的規范也有所差別。以混凝土結構設計規范為例，該規范在我國大致經歷了四個階段，分別為采用原蘇聯規范的階段、自主修訂規范的起步階段、跨越式發展階段、實施全面與國際研究接軌階段。不同階段設計的房屋標準不同，房屋的抗力不同，房屋的質量也有所差別[53]。

圖3 再生混凝土隨時間推移的失效概率

圖4 隧道坍塌后導致上部結構發生沉降

2.2.2 環境

環境維度包括溫度、濕度以及環境中離子成分含量等數據。

環境溫度的變化會使結構產生內力變化，常見的結構熱脹冷縮就是由于內力變化引起應變導致的。如果溫度應力不能得到很好的釋放，帶來的危害是巨大的，結構會在巨大的溫度應力之下發生破壞[54]。此外，非結構部位的溫度變化也會對結構本身產生危害，例如青藏鐵路修建時解決的“凍土問題”[55]，以及2003年上海四號線修建時的隧道坍塌事故。隧道坍塌事故是由于制冷機失效導致的局部土壤冷凍失效、溫度升高引起的坍塌[56]，圖4為隧道坍塌后導致上部結構發生沉降[57]。濕度同樣會對結構的安全與質量構成影響，例如，較為濕潤的空氣更易造就鋼構件的銹蝕[58]。此外，濕潤的環境與較大的溫差易造成反復凍融現象，將嚴重影響結構的耐久性[59]。自然環境中的離子含量，也會影響結構的耐久性。例如，海邊的結構壽命較短，主要原因是氯離子濃度較高，從而加快鋼構件和部件的銹蝕，破壞結構的耐久性[60]。較高濃度的氫離子和氫氧根離子也會加速結構的腐蝕，破環結構的安全性[61]。

2.2.3 土體條件

土與結構的關系密切，其主要作用是承載上部結構的荷載[62]。

土是由固相、液相、氣相構成的三相分散系，其力學性質較為復雜。不同土體結構的力學屬性可以相差懸殊，這也就造成了其對結構的影響差異性[63]。不僅如此，在受到外界擾動時，不同土體的穩定性也有較大差異，例如砂土液化現象。該現象是砂土在外力或內力作用下，顆粒間喪失了接觸壓力以及摩擦力，不能有效抵抗剪應力而產生的。砂土液化在地震時可大規模地發生，并對結構造成嚴重危害[64]。此外，土與結構的相互作用也會對結構造成不同程度的影響[65]。例如在地震作用下，結構樁間土的力學性質必定受到樁的動態擾動影響而發生變化，但是在現行規范中，此類作用并沒有得到良好的反映與體現，而這樣的相互作用必定會對上部結構的力學響應產生影響，從而影響到結構的安全性[66]。進一步分析，不僅單一結構會產生土與結構的相互作用，建筑群作為整體發生的土與結構相互作用也必然與單一結構有所差異[67]，因此對相應數據的分析也將有利于結構質量與安全的保障。

2.2.4 荷載

荷載是指能夠使結構產生效應的各種原因的總稱[68]。因為工程結構需要具備抵御外部效應的能力，因此明確作用在結構上的荷載，對于保障結構的質量與安全十分重要。

圖5 基于物體檢測神經網絡模型的識別結果

在工程結構中將荷載分為三類：永久荷載、可變荷載和偶然荷載[69]。永久荷載是指結構在使用期間，其值不隨時間的變化，或其變化與平均值相比可以忽略不計的恒載。根據定義，結構的自重、土壓力、預應力等均可看作是永久荷載。可變荷載是指在結構使用期間，其值隨時間變化，且其變化與平均值相比不可以忽略不計的荷載。根據定義，樓面活荷載、雪荷載、風荷載、吊車荷載等均可看作是可變荷載。偶然荷載是指不一定出現，但是一旦出現其值很大且持續時間較短的荷載。根據定義，爆炸、撞擊、地震作用等產生的荷載均可看作為偶然荷載。利用對荷載數據的收集和處理，可以在設計時期有效保障結構的質量與安全；在使用時期的荷載數據分析，也可以有效給予相應的結構加固策略，有效保障結構使用期間的質量。在現行階段，民用建筑樓面活載基本按照均布活載處理，分為標準值及其組合值、頻遇值和準永久值[70]。這些數值基本上是利用傳統的統計學方法得到的。從設計角度講，能夠粗略確保結構質量。而利用大數據手段，確定更為精確的活載分布[71]，可以更好地確定活載計入方式，在設計時期提升結構的質量與安全。圖5為基于物體檢測神經網絡模型的識別結果[71]。

表1 GB/T 50476-2019關于環境類別和名稱、腐蝕機理的劃分

2.2.5 偶然事件

偶然事件包括極端天氣、地震、泥石流、山體滑坡、爆炸、火災和外部沖擊等事件。這些偶然事件帶來的可能不僅是偶然荷載，還有可能是對結構的二次損害。

以地震為例。地震帶來的不僅是地震力對于結構的直接破壞，還可能引起土壤液化、山體滑坡、土質疏松等現象，從而帶來次生災害[72]。以美國“911”事件為例，飛機沖撞產生的荷載并不會造成結構的倒塌，結構最終倒塌的根因在于飛機燃油燃燒，使得撞擊樓層的鋼構件強度降低、失穩，上部樓層因此而垮塌并形成較大的沖擊荷載，引發下部樓層的連鎖反應，最終導致大樓整體垮塌[73]。圖6為飛機撞擊世貿大廈后起火照片[74]。此外，偶然事件的次生災害可能也存在人為因素。以冬季暴雪為例，暴雪引起的雪荷載可能會造成結構的意外破壞，同時也會導致道路結冰積雪。而道路結冰積雪的處理方案中，經常會采用撒工業鹽的方式降低水的凝固點，使冰雪在低溫下也能夠融化。但此類工業鹽中含有較多的氯離子，氯離子對于結構破壞主要體現在加速鋼制構件的銹蝕，從而降低結構質量，構成安全隱患[75]。表1為我國《混凝土結構耐久性設計標準》GB/T 50476-2019 中將結構所處的環境按其對鋼筋和混凝土材料腐蝕作用機理的不同所進行的分類，其中描述了在除冰鹽環境下，氯離子引起的鋼筋銹蝕現象[76]。

圖7 保障結構質量與安全的數據需求全景圖

2.2.6 施工質量

結構施工時的質量對于結構的耐久性和質量有著至關重要的影響。能否按照設計要求和施工質量管理要求完成相應的工作，將直接影響結構的安全使用。

以建筑結構施工為例。基礎部分的施工質量是結構最基本的保障，影響整個結構的承載力。主體結構是整個工程的核心，其施工質量對結構的安全使用至關重要。而非主體結構的施工質量同樣重要，例如鋼結構施工中，若外部防水和裝飾的施工質量較差，就會造成雨水滲透，而滲透的雨水又影響鋼部件的防銹蝕表現，從而帶來極大的安全隱患[77]。影響施工質量的因素是多方面的，施工者是其中最主要的因素之一，其專業技術水準將直接對施工質量產生影響；機械設備的正常運行是施工質量的根本保障；施工組織管理也是重要因素，合理的施工順序與調配能夠確保施工進度在工期內有序推進，從而保障結構質量以及其使用期間的安全性[78]。

3 結論與展望

通過梳理與分析，本文初步搭建起如圖7所示的保障結構質量與安全的數據需求框架，以結構特性數據和非結構特性數據為一級指標，空間、結構形式、結構阻尼、結構剛度、結構質量、結構響應、材料屬性、時間、環境、土體條件、荷載、偶然事件和施工質量十三個維度為二級指標，確定了數據需求并分析了每個維度對于結構質量與安全的影響。

依照傳統結構設計理論，結構的抗力需要大于外部的效應才能保證結構的質量與安全。現行的規范能夠解決結構質量具有“共性”的問題，但是很難逾越“共性”到“個性”的鴻溝。解決結構質量的“個性”問題，可以利用大數據手段，了解每一個結構個體的全維度數據后進行分析。而滿足“個性”需求也是人類進步與社會經濟發展的必然趨勢。因此，工程大數據需求的確立，將有助于確定工程大數據的行業標準，為工程領域梳理數據明確方向，為今后工程大數據應用的頂層設計提供一定的理論依據。

誠然，提出數據需求僅僅是一個開端，如何獲取相應的數據并將獲取數據結構化、標準化，將成為未來研究的重要課題。在數據的獲取層面，可以利用現有的視覺識別技術，得到有效結構的幾何尺寸；利用傳感器技術，可以獲取結構的力學響應數據。但是如何保障獲取數據的準確度、確保獲取數據的質量是急需解決的問題。此外，傳統分析中使用的工程數據多數可視為結構化數據，但仍然存在大量的非結構化數據，如工人的技術水平、管理者的管理能力、工程機械設備的運行狀態等。如何將工程非結構化數據合理結構化，也是未來較為棘手的問題。從長遠的研究來看，充分利用工程大數據的價值、營造工程大數據生態以及研發工程大數據產品，進一步保障結構的質量與安全，將是研究的重要方向。 （全文續完）