2026-09-16
本发明针对现有高层建筑结构健康监测存在效率低、无法实时监控的问题，提出一种基于无线传感器网络的监测系统。通过部署多类型传感器，结合Zigbee无线传输与数据智能分析技术，实现对风载、温湿度、地震等环境参数及结构变形、应力等关键指标的长期实时监测，可精准定位损伤位置并预警，显著提升监测效率与安全性，降低维护成本。
目前高层建筑数量越来越多，建筑物变形会导致突发性的灾难，例如倒塌等。因此对高层建筑进行结构的健康监测变得更加重要。然而目前的结构健康监测一般采用人工监测或者采用有线传感器进行监测，这些方法效率低下、不能长时间实时监控并且浪费人力物力。
为解决上述问题，本发明提供一种检测结果准确、成本低、能长时间实时监测的高层建筑健康监测系统和监控方法，具体技术方案为：
高层建筑健康监测系统，包括传感器系统、数据采集系统、数据存储和管理系统和建筑健康分析和预警管理系统，所述传感器系统与数据采集系统连接，所述数据采集系统通过有线或无线网与数据存储和管理系统连接，所述数据存储和管理系统与建筑健康分析和预警管理系统连接；所述传感器系统用于高层建筑的环境监测和荷载监测；所述数据采集系统对传感器系统发出采集信号、接受传感器系统的检测信号并传输给数据存储和管理系统；所述数据存储和管理系统接受数据采集系统的数据并进行分类存储，实时显示数据；所述建筑健康分析和预警管理系统根据数据存储和管理系统的数据进行实时分析及加工处理，判断损伤的发生位置和程度，进行表格和图形化显示，向工作人员显示建筑结构的整体和局部状态性能，并分析未来的走势同时进行图形趋势显示，评估结构的可靠性，对安全隐患进行预警。
优选的，所述环境监测包括风载荷、环境温湿度和地震；所述荷载监测包括内外筒竖向不均匀变形、结构顶层水平变形和基础沉降、层间位移、关键构件和节点应力和结构振动。
优选的，所述传感器系统包括三向超声风速仪、螺旋桨式风速仪、温湿度计、强震仪、静力水准仪、梁式倾斜仪、振弦式应变计和加速度传感器。
优选的，所述三向超声风速仪、螺旋桨式风速仪和温湿度计均安装在高层建筑的结构顶层；所述强震仪安装在高层建筑的基础层；所述静力水准仪安装在高层建筑的结构顶部和中部楼层；所述梁式倾斜仪和加速度传感器均安装高层建筑的在机电层；所述振弦式应变计安装在高层建筑的底部及中部楼层。
优选的，所述数据采集系统根据传感器系统的安装要求设有多个，所述数据采集系统包括均与单片机模块连接的a/d转换模块和传输模块，所述传输模块包括无线线。
s1传感器安装位置的规划，根据高层建筑的结构特点对传感器安装位置进行规划，所述三向超声风速仪、螺旋桨式风速仪和温湿度计均安装在高层建筑的结构顶层；所述强震仪安装在高层建筑的基础层；所述静力水准仪安装在高层建筑的结构顶部和中部楼层；所述梁式倾斜仪和加速度传感器均安装高层建筑的在机电层；所述振弦式应变计安装在高层建筑的底部及中部楼层。
s2通信方式的选择，采用zigbee无线网将数据采集系统与数据存储和管理系统连接；
s3数据的采集，数据采集系统设有多个，数据采集系统与相邻的传感器连接，数据采集系统对传感器发出检测指令，传感器进行检测并将检测的数据传输给数据采集系统，数据采集系统将检测的信号通过zigbee，采用tcp/ip协议传输给数据存储和管理系统；
s4数据的存储和显示，数据存储和管理系统对数据采集系统传输过来的信息进行分类存储，即根据不同的地址信息将相关的检测数据分类存储，同时实时显示数据；
s5建筑健康的分析和预警管，建筑健康分析和预警管理系统根据数据存储和管理系统的数据进行实时分析及加工处理，判断损伤的发生位置和程度，进行表格和图形化显示，向工作人员显示建筑结构的整体和局部状态性能，并分析未来的走势同时进行图形趋势显示，评估结构的可靠性，对安全隐患进行预警。
对环境的监控，则主要包括对风速、风向、环境温度和地震负荷等进行综合检测。其中对风向、风速的检测，主要的目的是获取高层建筑不同部位的风向和风速，从而针对不同的风速做出不同的振动响应；对环境的监测则主要是为高层建筑的钢结构的耐久性的使用提供评价依据；地震负载分析则是对高层建筑工程所能够承受的振动进行分析，从而对震后的健康状态做出分析和评估。
风对高层结构的破坏主要为在风作用下出现裂缝或残余变形，建筑外部装修部分如玻璃幕墙、装饰的破坏，在风振作用下产生摆动，引起人体不适和长期风荷载作用下的疲劳破坏等。
高层建筑由于竖向荷载很大，内外筒的结构体系、荷载大小和分布的差异较大，而且内外筒施工时间也有先后差别，这就导致内外筒沉降和变形不均匀，进而可能引起结构内力重分布和应力集中现象等安全隐患。
高层在风荷载作用下，顶层水平变形较大，会使结构因p-△效应产生附加应力和倾覆弯矩，对结构安全和正常使用有较大影响，此外，高层竖向荷载很大，在建筑正常使用期间的很长一段时间内会存在基础沉降。
结构的内力和变形是衡量结构外部荷载作用效应的重要参数，其中内力是反映结构受力情况最直接的参数，因此对结构关键构件和节点以及应力集中部位的应力、应变情况进行监测，实时把握结构的应力状态，确保结构的安全性。应力监测须考虑温度补偿，检测对象包括钢管混凝土柱、梁、支撑和钢板剪力墙。
结构振动主要为加速度信号，主要用于确定结构的动力特性，监测结构在风荷载作用下的风致振动响应，是结构舒适度评价的重要参数，结构模态参数的变化反映了结构整体状态的改变，包括性能退化、广度变化和支撑边界条件的改变等。考虑到结构复杂性，结构振动监测要包含水平双向的振动和结构的扭转效应。
通过无线网络采集数据进行处理和分析，及时得到结构的变化情况，发现结构发生损伤的位置和程度，从而对该结构做出及时的处理方法，如对建筑物进行修补、变形超限预警等，同时较传统方法可以节省成本。
本发明提供的高层建筑健康监测系统和监测方法应用无线网络对高层建筑的安全状况进行监测，首先降低了功耗，节约了成本，其次可根据监测对象的不同，更加灵活地布置传感器节点，提高了对建筑结构与环境的监测能力，可通过分析软件对高层建筑的多个安全影响因素进行精确、实时、直观的监测，从而提供高层建筑结构的安全预警，并可为结构的安全评估提供科学的依据。
高层建筑健康监测系统，包括传感器系统、数据采集系统、数据存储和管理系统和建筑健康分析和预警管理系统，所述传感器系统与数据采集系统连接，所述数据采集系统通过无线网与数据存储和管理系统连接，所述数据存储和管理系统与建筑健康分析和预警管理系统连接。
传感器系统用于高层建筑的环境监测和荷载监测；所述环境监测包括风载荷、环境温湿度和地震；所述荷载监测包括内外筒竖向不均匀变形、结构顶层水平变形和基础沉降、层间位移、关键构件和节点应力和结构振动。所述传感器系统包括三向超声风速仪、螺旋桨式风速仪、温湿度计、强震仪、静力水准仪、梁式倾斜仪、振弦式应变计和加速度传感器。所述三向超声风速仪、螺旋桨式风速仪和温湿度计均安装在高层建筑的结构顶层；所述强震仪安装在高层建筑的基础层；所述静力水准仪安装在高层建筑的结构顶部和中部楼层；所述梁式倾斜仪和加速度传感器均安装高层建筑的在机电层；所述振弦式应变计安装在高层建筑的底部及中部楼层。
数据采集系统对传感器系统发出采集信号、接受传感器系统的检测信号并传输给数据存储和管理系统；所述数据采集系统根据传感器系统的安装要求设有多个，所述数据采集系统包括均与单片机模块连接的a/d转换模块和传输模块，所述传输模块包括无线模块。所述单片机模块包括stm32f103单片机。所述无线模块为zigbee模块。
数据存储和管理系统包括计算机和管理分析软件。数据存储和管理系统接受数据采集系统的数据并进行分类存储，实时显示数据。
建筑健康分析和预警管理系统根据数据存储和管理系统的数据进行实时分析及加工处理，判断损伤的发生位置和程度，进行表格和图形化显示，向工作人员显示建筑结构的整体和局部状态性能，并分析未来的走势同时进行图形趋势显示，PG电子模拟器评估结构的可靠性，对安全隐患进行预警。同时也能进行历史数据的查询。
s1传感器安装位置的规划，根据高层建筑的结构特点对传感器安装位置进行规划，所述三向超声风速仪、螺旋桨式风速仪和温湿度计均安装在高层建筑的结构顶层；所述强震仪安装在高层建筑的基础层；所述静力水准仪安装在高层建筑的结构顶部和中部楼层；所述梁式倾斜仪和加速度传感器均安装高层建筑的在机电层；所述振弦式应变计安装在高层建筑的底部及中部楼层。
s2通信方式的选择，采用zigbee无线网将数据采集系统与数据存储和管理系统连接；
s3数据的采集，数据采集系统设有多个，数据采集系统与相邻的传感器连接，数据采集系统对传感器发出检测指令，传感器进行检测并将检测的数据传输给数据采集系统，数据采集系统将检测的信号通过zigbee，采用tcp/ip协议传输给数据存储和管理系统；
s4数据的存储和显示，数据存储和管理系统对数据采集系统传输过来的信息进行分类存储，即根据不同的地址信息将相关的检测数据分类存储，同时实时显示数据；
s5建筑健康的分析和预警管，建筑健康分析和预警管理系统根据数据存储和管理系统的数据进行实时分析及加工处理，判断损伤的发生位置和程度，进行表格和图形化显示，向工作人员显示建筑结构的整体和局部状态性能，并分析未来的走势同时进行图形趋势显示，评估结构的可靠性，对安全隐患进行预警。
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