建筑工程结构健康监测与预警系统研究

摘要： 本文聚焦建筑工程领域，深入探讨结构健康监测与预警系统的关键要素。详细阐述系统架构，涵盖传感器、数据传输、数据处理与分析、预警决策等模块；剖析所涉核心技术，如传感器技术、无线通信技术、大数据分析技术；阐述系统在建筑全生命周期管理中的重要意义，包括保障结构安全、优化维护策略、延长建筑寿命，针对现存挑战提出发展策略，旨在推动该系统广泛、高效应用，提升建筑工程质量与安全管控水平。

一、引言

在现代建筑工程中，随着建筑规模日益庞大、结构形式愈发复杂，以及人们对建筑安全性、耐久性要求的不断提高，建筑结构健康监测与预警系统应运而生。它犹如建筑的 “体检医生”，实时、精准地感知结构状态，提前发现潜在病害，为及时采取维护措施提供依据，是保障建筑全生命周期安全稳定运行的关键技术支撑，对降低灾害风险、节约运维成本、推动建筑行业可持续发展意义重大。

二、建筑工程结构健康监测与预警系统架构

（一）传感器模块

传感器是系统的 “触角”，负责采集建筑结构的各类物理参数。应变传感器精准测量构件受力变形，如钢筋混凝土梁受荷时的应变分布，反映结构内力变化；位移传感器监测结构关键部位位移，像高层建筑物在风荷载、地震作用下的侧向位移；加速度传感器捕捉结构振动特性，用于分析结构动力响应，识别异常振动模式，不同类型传感器相互协同，全方位感知结构 “健康状态”。

（二）数据传输模块

采集的数据需快速、稳定传输至处理中心。有线传输方式，如以太网、光纤，具有传输速率高、抗干扰强优势，适用于大型复杂建筑、对数据实时性要求极高场景；无线传输近年蓬勃发展，Wi-Fi、蓝牙、ZigBee、4G/5G 等各显神通，以其便捷性、灵活性，在中小建筑或不便布线区域广泛应用，4G/5G 更是凭借广域覆盖、高速率，满足远程监测、海量数据传输需求，多传输方式融合保障数据 “一路畅通”。

（三）数据处理与分析模块

海量原始数据涌入，需 “去粗取精”。数据预处理环节，剔除异常值、降噪滤波，还原真实数据面貌；特征提取挖掘关键信息，如从振动数据提取频率、幅值特征，关联结构状态；基于大数据分析、人工智能算法构建结构健康评估模型，对比历史数据、同类结构数据，精准判断结构健康等级，实现从数据到知识的转化。

（四）预警决策模块

依据评估结果，当结构状态逼近或超出预设阈值，预警系统立即启动。按风险程度分级预警，轻微异常发提示信息，供日常巡检参考；中度风险推送详细报告至运维团队，安排专项检查；重度危急则拉响警报，联动应急响应机制，为抢险救灾 “争分夺秒”。

三、建筑工程结构健康监测与预警系统核心技术

（一）传感器技术

新型传感器不断涌现，光纤光栅传感器以其高精度、抗电磁干扰、可分布式测量优势，在大型桥梁、超高层建筑监测崭露头角；微机电系统（MEMS）传感器微型化、低功耗，便于集成组网，实现对结构局部细节 “敏锐洞察”；智能传感器自带数据处理、自诊断功能，提升监测可靠性与智能化水平，为精准感知结构状态筑牢根基。

（二）无线通信技术

除传统无线通信手段优化升级，低功耗广域网（LPWAN）技术兴起，如 LoRa、NB-IoT，专为低速率、远距离、低功耗监测场景定制，单个基站覆盖千米范围，传感器电池续航数年，降低部署成本与运维难度，在分布式建筑群落、偏远基础设施监测大放异彩，拓展监测 “边界”。

（三）大数据分析技术

大数据时代，海量结构监测数据蕴含宝藏。数据挖掘技术挖掘参数关联、潜在病害模式，如挖掘温度与结构变形关联，提前预警温度裂缝；机器学习算法构建结构退化预测模型，依历史数据 “学习” 结构老化规律，预测剩余寿命；云计算平台提供强大算力，支撑复杂模型运算、数据实时处理，让数据 “活” 起来赋能结构健康管理。

四、建筑工程结构健康监测与预警系统的重要意义

（一）保障建筑结构安全

实时监测为建筑结构安全保驾护航，及时发现因施工质量缺陷、材料劣化、超载、自然灾害侵袭引发的结构损伤。如地震后，系统第一时间反馈结构受损部位、程度，辅助救援决策，避免二次灾害。

（二）优化建筑维护策略

传统建筑维护多定期巡检、事后维修，盲目性大、成本高。监测系统依结构实时状态，精准定位薄弱环节，按需定制维护计划，对轻微病害精准修复，延缓大修周期，避免过度维修。

（三）助力建筑可持续发展

从全生命周期考量，系统降低建筑灾害损失、运维成本，提升资源利用率。一方面减少因结构失效导致的重建资源浪费；另一方面精准维护减少材料消耗、能源使用，契合绿色低碳发展潮流，促进建筑产业升级转型，实现建筑与环境和谐共生。

五、建筑工程结构健康监测与预警系统现存挑战

（一）技术标准不统一

当前不同厂商传感器、通信设备、软件系统兼容性差，数据格式、接口协议各异，导致系统集成困难，如混合使用多品牌传感器，数据汇聚混乱、无法协同分析，制约系统规模化、规范化发展，亟需统一 “度量衡”。

（二）初期投资成本高

系统涵盖硬件购置、软件开发、安装调试、人员培训等多项开支，大型建筑监测动辄百万甚至上千万元，中小建筑业主望而却步；且短期内难见直观经济效益回报，资金投入积极性受挫，限制普及应用。

（三）专业人才匮乏

系统运行需跨学科人才，既要懂建筑结构力学、材料学，熟悉监测技术、数据分析算法，又能操作运维系统。但目前高校专业培养滞后，在职人员继续教育不足，复合型人才 “一才难求”，影响系统落地实施与持续优化。

六、建筑工程结构健康监测与预警系统发展策略

（一）统一技术标准制定

政府主管部门、行业协会牵头，联合科研院校、企业力量，加快制定涵盖传感器、通信、数据处理全链条统一标准，规范术语、数据格式、接口规范，确保设备互联互通、系统集成高效，为行业发展铺就 “标准轨道”。

（二）成本分担与激励机制

政府出台补贴、税收优惠政策，对应用监测系统公共建筑、民生工程给予资金扶持；鼓励金融机构创新金融产品，如监测系统融资租赁、专项贷款，缓解业主资金压力；探索基于监测数据的保险新模式，依据结构健康风险厘定保费，转移业主风险，激发应用动力。

（三）人才培养体系完善

高校调整优化专业课程，增设跨学科监测技术课程，强化实践教学；建筑企业与高校、职业院校深度合作，开展订单式人才培养、在职人员继续教育；行业协会组织技能培训、认证考试，打造人才梯队，为系统发展注入 “智慧源泉”。

七、结论

建筑工程结构健康监测与预警系统是建筑安全保障、可持续发展的核心利器。虽现下面临标准不一、成本高昂、人才短缺困境，但通过各方协同发力，统一标准、优化成本、培育人才，必将在建筑领域广泛扎根，开启建筑全生命周期精细化管理新篇章，推动建筑行业迈向高质量发展新征程。

参考文献

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