基于爬墻機器人搭載高頻雷達外墻保溫裝飾連接構造成像技術研究

王萬金，袁玉，閆海鵬

（中國建筑科學研究院，建筑安全與環境國家重點實驗室，北京 100013）

1 引言

建筑外墻圍護系統是建筑的重要組成部分，一般由結構墻體、粘結或錨固組件、保溫層、裝飾層組成，不僅承擔建筑防護、保溫隔熱、裝飾等建筑功能，還需抵御來自外部自然環境的不利影響，因此在長期的服役下，外墻的保溫層和裝飾層開裂、松動、脫落時有發生，已經成為城鎮建筑的安全隱患重要風險源。特別是外墻外保溫層的脫落，石材幕墻的墜落，已經造成了大量的生命和財產損失。但是對建筑外墻的安全隱患檢測手段有限，近年來，采用旋翼無人機搭載可見光成像和紅外成像可有效對高層和超高層建筑外墻的裂縫、滲漏、脫落進行有效檢測，取得良好的效果。由于外墻結構體系多樣，影響外墻外保溫和裝飾層牢固度的主要因素是與墻體的粘結或連接性能，對于保溫板體系來說，保溫板與墻體的粘結面情況直接決定其牢固程度，對于石材幕墻來說，其背后的龍骨及錨固狀況影響其穩固性，但是如何對這些隱蔽構造探測仍是難題之一。

目前，對高層或超高層建筑外墻隱蔽構造探測的難點在如何爬上去定位和精確探測問題[1]，采用爬墻機器人作為搭載平臺，搭載雷達探測儀是有效的解決方案。爬墻機器人能夠精確爬升定位到指定檢測部位，效率高、安全可靠、成本低。采用高頻雷達掃描儀，可大幅度提高探測精度[2]，利用外墻外圍護體系中各種構造材料介電常數的差異性，實現對電磁波發射和反射接收的差異性，通過電磁波信號的去噪、濾波、數字化轉換，實現對探測物空間、形態的成像顯示，提供對隱蔽構造的定性和定量化的探測識別，是一種高效非接觸式的無損檢測手段[3-4]，具有快速、高效、高精度的特點，在外墻保溫材料粘結面積測定、幕墻龍骨檢測和安全性能評估具有廣闊的應用前景。

2 爬墻機器人搭載高頻雷達掃描儀構成及工作原理

2.1 高頻雷達探測爬墻機器人的基本結構及功能

高頻雷達探測爬墻機器人（見圖1）是由中國建筑科學研究院設計并制造的一款建筑爬墻探測機器人，能夠在垂直墻面或傾斜表面上上下和左右自行運動的機器人。由執行機構、驅動裝置、檢測裝置和控制系統等組成，主要包含爬升動力倉、反推動力風扇、供電倉、探測設備搭載倉、信息采集儲存傳輸模塊、軟件系統、手持遙控器及懸掛系統。其高頻雷達中心頻率6 ～8 GHz，爬墻速度0 ～10 m/s，爬升定位精度為±1.0 mm。其電測波穿透深度大于50 cm，能夠對外墻構造進行探測，實現對保溫板與墻體的粘結、石材幕墻龍骨、層狀缺陷進行掃描成像。對粘結面積、空鼓面積、龍骨與錨固點進行定性和定量化探測。

圖1 高頻雷達探測爬墻機器人

2.2 高頻雷達探測爬墻機器人工作原理

高頻雷達探測爬墻機器人工作時，通過懸掛系統懸吊在待測外墻上，開啟爬墻機器人和反推動力風扇，將雷達探測儀貼緊墻面，爬墻機器人搭載探測雷達沿吊掛鋼絲繩間歇式上升，每上升5 cm，高頻雷達掃描儀橫向掃描一行，再爬升一格，再掃描一行，形成往復的掃描采集過程，直到得到指令結束掃描。采集的雷達掃描數據通過存儲傳輸模塊下載，通過專用軟件系統對掃描數據進行去噪、濾波、增益、數字化處理后，形成可視化透射成像，人們可直觀看到外墻面板連接的構造成像圖。

3 外墻外保溫黏結構造成像測試驗證

3.1 外墻外保溫實體模型制備

在實際砌筑墻體上，采用EPS 保溫板、粘結砂漿、網格布、抹面砂漿等材料，按照JGJ 144—2019《外墻外保溫工程技術標準》標準方法制作薄抹灰外墻外保溫系統，粘結形式為點粘法、點框法、條粘法和滿粘法，所制作的試驗墻如圖2 所示。

圖2 薄抹灰系統外墻外保溫測試墻

3.2 外墻外保溫粘結構造成像測試與分析

把高頻雷達探測爬墻機器人采用懸架系統吊裝在測試墻面上，按照裝備的操作規程開啟爬行掃描探測作業，分別對試驗墻進行了掃描，見圖3，掃描數據處理后形成的可視化成像見圖4，可見對保溫板背后的灰餅、灰條成像清晰，通過將預設的粘結灰餅布局和實際掃描成像疊加對比可以得知，掃描成像與實際分布的位置、大小吻合，通過對粘結灰餅的面積計算，可以得到粘結面積率。說明該高頻雷達探測爬墻機器人的爬升定位精度、掃描成像精度可達到95%以上，可實現對保溫板粘結面積的定性和定量化測定，可作為外墻隱蔽構造的探測成像檢測手段。

圖3 高頻雷達探測爬墻機器人測試

圖4 高頻雷達成像圖與墻體實際圖對比

4 高頻雷達探測爬墻機器人在實際工程中的應用

4.1 高頻雷達探測爬墻機器人在外墻外保溫粘結面積比的測定

常熟市某小區4#樓地上18 層，鋼筋混凝土結構，以EPS保溫板薄抹灰保溫系統，外飾面1 ～3 層為瓷磚，4 層及以上為涂料裝飾層。表觀已經有多條裂縫，采用高頻雷達探測爬墻機器人對西側山墻抽樣選取了4 個區域進行了保溫板粘結面積的成像掃描，高頻雷達成像圖見圖5，粘結面積率分別為37%、24%、12%、22%，均未達到40%以上的設計要求，可見其對保溫板的變形約束力弱，是墻面開裂的主要原因之一，且脫落的風險隱患較大。

圖5 4#樓保溫板粘結面積率檢測

杭州某住宅26#樓地上22 層，鋼筋混凝土結構，外墻采用30 mm 無機輕集料保溫砂漿、抗裂砂漿及耐堿玻璃纖維網格布組成的隔熱層，1 ～2 層為外貼大理石飾面，3 ～22 層為真石漆飾面層。墻體表觀完好。采用高頻雷達探測爬墻機器人對東側山墻抽樣選取了2 個區域進行了保溫層粘結面積的成像掃描件，高頻雷達成像圖見圖6，粘結面積率分別為82%、85%，保溫層與基層墻體的實際粘結率很高，墻面空鼓的風險較小。

圖6 26#樓輕質砂漿保溫層粘結面積率檢測

4.2 高頻雷達探測爬墻機器人探測石材幕墻龍骨錨固構造成像測定

常州某建筑外圍護為幕墻裝飾構造，玻璃幕墻和干掛石材幕墻組合。采用高頻雷達探測爬墻機器人對石材幕墻區域進行了龍骨和錨栓進行了探測，高頻雷達成像圖見圖7，從雷達成像透視圖可以看到，龍骨和錨固點可清晰呈現出來，龍骨整齊，錨固點完整。該項工程實際掃描測試，可以為石材幕墻類構造的隱蔽結構的無損探測提供新的探測思路和手段，為判斷評估幕墻安全健康狀況提供基礎數據。

圖7 高頻雷達探測爬墻機器人對石材幕墻龍骨錨固成像掃描

5 結語

針對高層和超高層建筑的外墻保溫裝飾層的粘結錨固構造的檢測難點問題，采用爬墻機器人搭載高頻雷達探測成像技術是可行的，高頻雷達探測爬墻機器人可實現高層和超高層建筑墻面上實現可控上下攀爬和準確定位，為高層及超高外墻的無損檢測提供了高效快捷的工具。

通過建立典型的外墻薄抹灰保溫體系構造試驗墻，采用高頻雷達探測爬墻機器人進行探測驗證，表明高頻雷達探測可實現對保溫板粘結構造層的成像探測，可精準地探測出粘結面積率，為建筑外墻外保溫隱蔽的粘結面積率測定提供了精準的檢測方法。

通過對選取的建筑薄抹灰保溫系統、保溫砂漿保溫系統和石材幕墻系統工程建筑進行了實際檢測應用，表明爬墻機器人可安全、方便、準確地爬升到指定位置進行探測。實現了對保溫板粘結面積率的準確成像和測定，也可有效測定抹灰輕質保溫漿料和墻體的粘結情況，為保溫層與墻體的實際粘貼質量和安全健康評估提供了有效數據。

高頻雷達探測爬墻機器人可清晰實現對石材幕墻的龍骨與錨固構造點的成像探測，為石材幕墻的無損監測提供了新的手段。