自20世纪末提出结构健康监测概念以来，世界各国学者在不同领域对结构健康监测的诸多研究方向进行深入系统的研究，取得了丰富的研究成果。李惠等 ^[1]通过结构测试仪器的选择比较，采用焊接式光纤光栅应变传感器对国家游泳中心钢结构施工卸载过程及运营期间进行应力监测;钱嫁茹等 ^[2]利用BGK4000型振弦传感器对北京大学体育馆钢屋盖进行应力和变形等多项监测;彭明祥等 ^[3]对CCTV大楼施工过程中的关键构件进行应力监测，并将监测结果与数值模拟进行对比分析。但国际和国内大多数已实现的健康监测系统是对结构关键构件或最不利位置进行的直接监测，缺乏智能化和可视化。

　　 本文利用健康监测系统对会展中心施工阶段的应变和位移等进行长期监测，为保障会展中心安全建造提供了技术支撑。此外，在无线监测和有限元分析的基础上，通过软件开发，实现复杂钢结构施工的智能控制与可视化。

　　 平台开发总体逻辑思路为:首先在BIM软件Revit中建立不同阶段的钢结构模型及传感器模型，并根据传感器实地布置情况，将传感器模型加载至钢结构模型中，形成整体模型。然后使用有限元软件建立结构模型，进行各工况下钢结构力学分析，并将结构分析软件的信息导入平台中作为安全值。同时，将现场监测的应变、位移数据传递至平台中，形成实时监测曲线。最后通过监测数据、结构计算数据的对比，判定安全状态，实现自动预警，达到指导施工的目的。在此基础上，通过空间位置坐标实测值与设计值的偏差对桁架进行质量评价。根据要实现的功能需求，将平台划分为项目预览、工况管理、传感器设定、模块设置、阶段设置、观测点设置、数据导入导出、方案三维模拟演示及状态评估 ^[4]等模块。平台架构如图1所示。

　　 红岛国际会展中心登录大厅钢结构包括屋面管桁架及外圈箱形悬挑梁，结构东西向长168m、南北宽153m。屋面钢结构采用销轴支座与下部钢骨柱焊接，上部共8榀主桁架，每榀间距18m。主桁架下弦大跨为单曲弯管，上弦为直管，上、下弦连系腹杆为直杆，每榀主桁架重约410t。登录大厅坐落于标高27.150m 4层框架顶部，屋顶高度为39m，中间大空间跨度为94.5m，两侧悬挑长度为26.5m，为大跨度桁架结构。桁架跨中设计起拱值为189mm，采用深化预起拱形式，桁架结构概况如图2所示。

　　 1) 在登录大厅南侧38.7m东西方向布置28组高空拼装胎架，在南北方向布置12组滑移胎架，滑靴上设置张拉索具，张拉装置可抵消主桁架卸载下挠产生的支座外推力。

　　 2) 采用机器人爬行器顶推滑靴进行每榀桁架滑移，每次滑移18m一榀档距后，进行下榀桁架的吊装组拼，首榀桁架进行单独滑移时未形成稳定结构体系，在桁架支座南北两侧滑移轨道上各布置2个临时滑靴支撑、滑靴和主结构支撑杆以稳固主结构。

　　 3) 后续桁架滑移前可与上榀桁架连接成稳定体系，直接进行顶推滑移作业。此后重复此过程直至所有桁架滑移到位。

　　 试验采用弦式应变计和静力水准仪进行监测 ^[5]，其中弦式应变计测量杆件内力，静力水准仪用于测量桁架内部节点竖向位移，此外，无线监测系统还包括密封机箱、无线传输模块、自动采集箱、主线和分线等，共同组成红岛国际会展中心登录大厅桁架结构的无线健康监测系统。

　　 本工程采用YH03-B系列表面应变计进行钢结构关键部位的应变监测，该系列应变计是根据张力弦原理制造，安装于构筑物表面，监测各种构筑物的应变变化。内置温度传感器可同时监测环境温度，并对其温度影响进行自动补偿修正。

　　 采用YH02-E系列静力水准仪进行结构竖向位移监测。利用连通液原理，通过静力水准仪传感器的读数了解各测点差异变形情况。桁架上应变计与位移传感器现场布置如图3所示，自动采集箱如图4所示。

　　 监测杆件布置主要参照2个原则:重力荷载情况下和最不利工况荷载下的最大内力杆件，主要集中分布在跨中和支座附近。分别在支座处、1/4跨、跨中及3/4跨处布置静力水准仪，以观察桁架位移。由于2榀桁架形成整体后结构趋于稳定，故本次试验主要针对第1榀桁架进行监测。测点布置如图5所示。

　　 利用有限元分析软件ANSYS模拟分析各施工过程中结构变化情况。索采用link10单元模拟，其余钢桁架构件采用beam188单元模拟，预应力张拉过程模拟采用等效降温法。桁架卸载过程 ^[6]是使屋盖网架缓慢协同空间受力的过程，桁架结构发生较大的内力重分布，并逐渐过渡至设计状态，因此，桁架卸载工作至关重要，必须针对不同结构和支承情况，确定合理的卸载顺序和卸载措施，以确保桁架安全卸载。根据工程实际情况，本工程张拉卸载总计分4步进行，每步根据现场施工需求又可划分为几个子步进行。总体步骤为先卸载屋盖悬挑部分胎架，随即拉索张拉与跨中胎架卸载循序进行。总体卸载顺序如图6所示。

　　 1) 第1步卸载分为2个子步。第1子步卸载编号为1, 37, 5, 26, 38, 22胎架，第2子步卸载编号为2, 3, 4, 23, 24, 25胎架，屋盖东西两侧均对称同步卸载。

　　 2) 第2步卸载分2个子步。第1子步先对拉索施加1 000kN预拉力，再卸载编号为8, 9, 10, 11, 16, 17, 18, 19胎架，东西两侧对称同步卸载。第2子步卸载胎架编号6, 7, 20, 21。

　　 3) 第3步对拉索进行二次张拉，拉索预拉力为1 500kN，此过程不涉及胎架拆除。

　　 4) 第4步卸载胎架编号为12, 13, 14, 15。

　　 利用有限元模型对施工卸载进行计算分析，由于篇幅有限，本文只给出单榀卸载张拉完成的有限元模拟结果 (见图7) ，张拉卸载后实测跨中最大挠度20mm，与有限元计算值17mm较吻合，说明设计采用的计算模型精确，假定与实际情况接近。

　　 为保证钢结构施工卸载的顺利实施，需对每步卸载过程进行有限元计算值与现场监测数据的对比。卸载全过程测点应变的监测数据与有限元计算数据对比如图8所示。

　　 由图8a, 8b可知，结构在卸载张拉过程中，部分杆件应变>500με，且部分杆件受力状态发生明显改变，因此，设计时要充分考虑。此外，监测结果与有限元计算结果大致吻合，总体误差较小，对称布置的测点应变基本吻合，说明结构受力均匀。应变最大点出现在支座附近，应力比为0.31，满足要求。

　　 由图8c, 8d可知，竖向位移有限元计算值与实测值吻合很好，实际卸载过程也证实了有限元计算具有较高的准确性。图8c, 8d显示钢结构构件在张拉完成后，桁架会产生反拱，从而使总位移减小。另外，由于桁架是对称结构，在1/4跨与3/4跨处的位移吻合也较好，表明结构整体位移稳定。

　　 将本文提出的复杂钢结构施工智能控制平台在红岛国际会展中心大跨度钢结构工程中进行应用，以验证所提出方法和程序的可行性。

　　 首页默认模型显示当前工况的施工状态，可手动切换至其他工况，点击某工况下对应的传感器，可显示该传感器实时监测曲线，同时在模型中显示传感器布置位置。监测曲线实时显示通过数据库软件和自动上传程序实现。

　　 另外，首页显示钢结构安全与质量状态的评价。安全状态评价显示3种:安全、警示、危险。质量状态评价为阶段性的，评价结论只有合格、不合格2类。

　　 结构安全状态评估主要实现自动预警功能。根据首页监测曲线了解监测状态的同时，该功能能对监测值超过规定值的情况提供报警方式:弹窗提醒并自动定位至模型中的相应传感器图元，可快速找到数据异常的测点，并给相关技术人员短信提醒，了解其监测情况做出相应决策。

　　 自动预警的实现过程如图9所示。通过有限元分析并结合规范确定每个测点的上限值和下限值，记录至数据库。监测开始后，程序每读取1个数据，会将该数据与对应测点的极限值比较。如发现某个测点的监测值超出极限值，则进行自动化预警。

　　 具体操作流程:首先将带有传感器的BIM整体模型进行轻量化处理，然后在Unity中进行功能代码编写，实现网页交互，最终通过Unity进行打包将模型嵌入至网页中，显示在平台首页。

　　 针对不同工程需设定对应工况，包括工况名称，工况开始与结束时间，工况序号及在该工况安装的应变、位移传感器等，工况开始与结束时间均按现场实际确定。如红岛国际会展中心登录大厅钢结构滑移可分为6个工况: (1) 工况1钢结构开始施工至高空对接完成; (2) 工况2边张拉、边卸载，从胎架拆卸开始至胎架拆卸完成; (3) 工况3单榀桁架滑移到指定位置; (4) 工况4第2榀桁架拼装卸载完成，2榀桁架间次结构完成，形成一体; (5) 工况5累积整体滑移完成; (6) 工况6卸载完成，支座固定就位。

　　 不同工况需设置不同阈值，与监测值进行比较。阈值的确定均根据有限元模拟与规范要求，分为安全值与临界值，安全值以下属于安全状态，安全值与临界值之间属于警示状态，超过临界值属于危险状态。

　　 红岛国际会展中心登录大厅钢结构施工过程中，当出现超过有限元模拟值的监测值时，会根据传感器所在位置，分别从材料、焊接质量、空间位形等方面进行原因分析，如不影响结构安全，则继续施工。但整个过程并未出现超过规范值的测点，说明施工方案安全可靠。

　　 由于大跨度钢桁架结构施工会出现安装偏差，导致误差累积，对桁架不利，考虑本桁架结构刚度较低，施工偏差会导致结构存在初始应力，所以考虑施工位置偏差对桁架结构进行质量评价。

　　 质量评价是通过对不同时期的空间位置坐标进行测量并与设计值进行比较，测量分为单模块 (单榀) ，整体模块 (整体钢屋盖) 。其中，单模块又分为2个状态:高空拼接完成及卸载与张拉完成;整体模块则分为累积整体滑移完成及整体卸载与就位完成。为便于区分，现场实际观测点的位置也在BIM模型中显示。

　　 红岛国际会展中心登录大厅钢结构共分为8榀，由于每榀观测点都在同一位置，故需单独设置模块进行区分。观测点设置页面提供偏差值计算功能，首先通过现场实测值拟合方程，然后导入设计值并根据方程得出推测值，再根据推测值与设计值的比较进行质量评价，通过此方法可推算所有节点坐标。

　　 质量评价结果表明，该桁架结构的施工偏差均在±2cm，可靠性高。质量状态评价部分页面如图10所示。

　　 此外，平台会对监测到的应变、位移数据进行整合，还可完成数据的导入与导出、数据查询等工作。为使不熟悉项目的人员能尽快对施工流程有大致了解，设置三维施工模拟演示模块，此模块不与进度计划相连，只按施工先后顺序进行演示，即用代码模拟控制施工进度，和网页进行交互。数据存储页面如图11所示。

　　 通过应力监测可以看出，由于施工和卸载过程都存在一些不可预见的因素，卸载过程不仅要有数值模拟，还应布置相应的监测措施，通过监测，能全面把握卸载过程中结构受力状态及关键杆件应力变化，对于保证结构安全及卸载安全有序进行具有重要意义。此外，计算结果与现场监测结果吻合较好，表明有限元分析的正确性。

　　 通过复杂钢结构施工智能控制平台的开发，将功能划分9个模块，对各模块的界面和功能进行设计和实现，并通过会展中心钢结构的监测试验对平台部分功能进行完善。试验结果表明，本文开发的平台在可视化水平、交互性和操作体验等方面具有很好的表现，可用于结构健康监测，同时也验证了本文所提出方法和程序的有效性和实用性。