一种基于空间偏差性能映射与双路径诊断的既有建筑健康状态评估方法与流程

本发明涉及既有建筑数字化检测、评估与安全诊断，尤其是指一种基于空间偏差性能映射与双路径诊断的既有建筑健康状态评估方法。既有建筑包括但不限于历史建筑、古建筑以及老旧建筑，适用于建筑现状检测、建筑状态评估、结构安全分析、维修决策以及建筑健康状态持续跟踪。

背景技术：

1、随着城市更新以及历史建筑保护工作的推进，大量既有建筑需要开展持续性的状态检测、风险评估及维护管理。

2、既有建筑由于建设年代久远、使用环境变化以及长期荷载作用，其实际状态通常与建设初期状态存在差异，表现为建筑几何形态变化、材料性能退化、表面劣化以及结构损伤等问题。然而，部分既有建筑缺少完整设计资料，且现有评估方法通常难以同时考虑建筑实际空间状态、材料状态以及结构性能变化之间的关联关系。

3、目前，既有建筑评估主要包括以下几类方法：

4、一、基于人工检测的评估方法。

5、传统既有建筑检测主要依靠专业人员进行现场观察、测量以及经验判断，对裂缝、变形、材料劣化等情况进行分析。

6、该方法存在以下不足：

7、检测结果受人员经验影响较大，难以形成统一量化评价；

8、检测数据通常以独立报告形式保存，难以支持不同时间状态之间的连续比较；

9、对高处、隐蔽区域以及复杂空间环境中的检测效率有限。

10、二、基于bim/hbim模型的评估方法。

11、建筑信息模型（bim）及历史建筑信息模型（hbim）近年来被应用于既有建筑保护与管理领域。现有方法通常依据设计资料、历史图纸或人工测绘结果建立建筑模型，并基于模型进行信息管理、空间分析或结构计算。

12、然而，既有建筑经过长期使用后，其实际几何尺寸、构件状态以及材料性能可能已经发生变化，基于原始状态建立的模型难以完全反映建筑当前真实状态。

13、三、基于三维扫描与模型比对的评估方法。

14、随着三维激光扫描、摄影测量等技术的发展，部分方法利用点云数据与bim/hbim模型进行空间比对，以获取建筑现状与模型之间的几何差异。但是，现有模型比对方法主要关注几何偏差，例如构件位移、倾斜程度以及形态变化等，并通常将检测获得的偏差直接作为变形结果处理。

15、对于由环境侵蚀、材料老化、表面风化等因素导致的表观变化和材料性能变化，现有方法通常仍依赖人工判断，缺少根据偏差对建筑性能影响进行分类处理的方法。此外，现有方法中空间检测结果与结构分析模型之间通常缺少有效转换机制，难以将实际检测获得的几何偏差直接用于结构计算模型修正。

16、四、基于有限元分析的结构评估方法。

17、有限元分析方法能够用于建筑结构在地震、风荷载以及其他作用下的响应分析。然而，现有有限元模型通常依据设计尺寸及理想材料参数建立，与实际建筑存在一定差异。

18、对于既有建筑中存在的构件变形、截面变化以及材料性能退化等情况，现有方法通常需要人工调整模型参数，缺少基于检测数据自动修正结构分析模型的方法。

19、因此，现有技术仍存在以下问题：

20、缺少一种能够基于建筑现状数据与健康状态模型之间差异进行系统识别的方法；

21、缺少根据空间偏差对应的建筑性能影响类型，将不同偏差分别导入建筑老化分析路径和结构风险分析路径的方法；

22、缺少将空间检测结果转换为结构分析模型实际损伤参数的方法，使结构评估结果难以充分反映既有建筑真实状态。

技术实现思路

1、为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中既有建筑评估方法中建筑现状数据与基准模型之间缺少系统差异识别机制，以及不同类型空间偏差难以对应至不同性能评估路径的问题，提供一种基于空间偏差性能映射与双路径诊断的既有建筑健康状态评估方法。通过融合建筑几何数据、表面纹理数据及材料信息数据，建立能够反映建筑实际状态的现状三维模型，并与健康状态基准模型进行构件级差异分析；建立空间偏差特征向建筑性能影响类型的映射机制，将几何、表观及材料偏差转换为对应的性能评价参数，并依据映射结果自动选择建筑老化诊断路径或结构风险诊断路径，实现建筑表观退化问题与结构安全问题的区分分析；建立空间几何偏差与结构分析参数之间的转换关系，将实际检测获得的建筑状态差异转换为结构分析模型中的初始缺陷参数或等效力学参数，提高结构风险评估与建筑实际状态的一致性。

2、为解决上述技术问题，本发明提供一种基于空间偏差性能映射与双路径诊断的既有建筑健康状态评估方法，包括：

3、获取既有建筑现状的多源空间数据，所述既有建筑包括历史建筑、古建筑及老旧建筑，所述多源空间数据包括三维几何数据、表面纹理数据以及材质信息数据，将多源空间数据进行空间配准与融合，生成包含几何信息、纹理信息及材质信息的现状三维模型；

4、基于所述既有建筑的原始设计资料、历史图纸、现场实测数据中的一种或多种，构建健康状态基准模型，所述健康状态基准模型包含建筑构件的几何信息、结构信息、材质信息以及表观信息；

5、将所述现状三维模型与所述健康状态基准模型进行逐构件对应，并进行差异分析，以获取各建筑构件的几何偏差数据、表观偏差数据及材质变化数据，并生成偏差分析结果；

6、根据所述偏差分析结果构建构件偏差特征向量，基于所述偏差特征向量与建筑性能影响类型之间的映射关系，确定各建筑构件对应的性能影响类别，基于所述性能影响类别，将偏差特征向量在结构风险诊断路径或建筑老化诊断路径中进行诊断；其中，所述偏差特征向量包括几何偏差特征、表观偏差特征、材料状态变化特征以及结构敏感特征；

7、在所述建筑老化诊断路径中，基于表观偏差数据及材质变化数据，对建筑老化类型进行识别与老化分级，并根据老化分级结果生成建筑维护或修复建议；

8、在所述结构风险诊断路径中，将几何偏差数据转换为有限元分析模型中的初始缺陷参数或等效力学参数，构建包含实际损伤状态的结构分析模型，基于所述结构分析模型进行结构响应分析，确定结构风险等级，并生成结构干预建议；

9、将所述建筑老化诊断路径和所述结构风险诊断路径的诊断结果关联至对应建筑构件，生成既有建筑风险分布结果及分级干预建议。

10、在本发明的一种实施方式中，获取既有建筑现状的多源空间数据，包括：

11、通过三维激光扫描、手持式三维扫描或摄影测量中的一种或多种方式获取三维几何数据；

12、通过数码相机或无人机摄影测量系统获取表面纹理数据；

13、将多源空间数据进行空间配准与融合，包括：

14、将三维扫描获得的点云数据与摄影测量获得的影像数据进行空间坐标配准，并将纹理信息映射至三维几何数据表面，生成现状三维模型。

15、在本发明的一种实施方式中，将所述现状三维模型与所述健康状态基准模型进行逐构件对应，包括：

16、以健康状态基准模型中的构件id为索引，在现状三维模型中查找对应构件；

17、对于规则构件，通过构件空间位置、尺寸范围进行自动匹配；

18、对于不规则构件或难以自动匹配的构件，采用人工辅助方式完成对应；

19、匹配完成后，将健康状态基准模型中每个构件的id扩展关联至现状三维模型中对应的网格数据。

20、在本发明的一种实施方式中，所述几何偏差数据的获取方法包括：

21、以所述健康状态基准模型中的构件表面作为参考面，计算所述现状三维模型中对应构件的网格表面上的各采样点至所述参考面的有符号距离，其中，所述有符号距离的正负号用于表征偏差方向，正值表示所述现状三维模型中的构件表面相对于所述参考面向外凸出，负值表示所述现状三维模型中的构件表面相对于所述参考面向内凹陷；

22、基于各构件表面上各采样点对应的所述有符号距离，确定各构件的平均偏差、最大偏差以及偏差标准差；

23、对于竖向构件，计算所述竖向构件的轴线相对于所述健康状态基准模型中对应基准位置的偏移量以及倾斜角度，所述竖向构件包括柱、墙中的至少一种；

24、对于水平构件，计算所述水平构件相对于所述健康状态基准模型的挠度以及端部转角变化量，所述水平构件包括梁、板中的至少一种；

25、所述表观偏差数据的获取方法包括：

26、从所述现状三维模型中提取各构件表面的纹理图像以及颜色信息，并从所述健康状态基准模型中提取对应构件的基准颜色值以及基准纹理特征；

27、根据所述颜色信息与所述基准颜色值计算现状颜色与基准颜色之间的色差δe，并在所述色差δe大于预设色差阈值时，判定对应构件存在表观偏差；其中，所述预设色差阈值根据对应构件的建筑材料类型以及环境暴露条件确定，室外暴露构件对应的预设色差阈值大于室内构件或处于保护状态的构件对应的预设色差阈值；

28、所述材质变化数据的获取方法包括：

29、将所述现状三维模型中各构件表面的现状纹理特征与所述健康状态基准模型中对应构件的基准纹理特征进行对比，以识别对应构件表面是否存在风化、剥落、起鼓中的至少一种材质变化迹象；

30、根据激光扫描获得的反射强度信息和/或颜色信息，判断对应构件的材料类型相对于所述健康状态基准模型是否发生变化；

31、在获取对应构件的材料性能检测数据时，将所述材料性能检测数据作为材质变化的辅助判断依据，所述材料性能检测数据包括回弹值、含水率中的至少一种；

32、将基于所述现状纹理特征、所述反射强度信息、所述颜色信息以及所述材料性能检测数据得到的材质变化判定结果记录为疑似变化，以供后续诊断路径进行进一步确认。

33、在本发明的一种实施方式中，根据所述偏差分析结果构建构件偏差特征向量，基于所述偏差特征向量与建筑性能影响类型之间的映射关系，确定各建筑构件对应的性能影响类别，基于所述性能影响类别，将偏差特征向量输入结构风险诊断路径或建筑老化诊断路径，包括：

34、按照下式构建构件偏差特征向量：；

35、其中，表示第个建筑构件的构件偏差特征向量，

g

i表示几何变化程度，

t

i表示表观变化程度，

m

i表示材料状态变化程度，

s

i表示结构敏感程度。

36、根据所述偏差分析结果，构建包括几何变化程度

g

i、表观变化程度

t

i、材料状态变化程度

m

i和结构敏感程度

s

i的构件偏差特征；

37、将所述几何变化程度

g

i、表观变化程度

t

i、材料状态变化程度

m

i和结构敏感程度

s

i分别与预设的几何偏差阈值

t

g、表观偏差阈值

t

t、材料状态变化阈值

t

m和结构敏感度阈值

t

s进行比较；

38、当

t

i

≥t

t或

m

i

≥t

m时，确定所述构件具有建筑老化影响，并进入建筑老化评估路径；

39、当

g

i

≥t

g或

s

i

≥t

s时，确定所述构件具有结构性能影响，并进入结构风险诊断路径；

40、当所述构件同时满足建筑老化影响条件和结构性能影响条件时，优先进入结构风险诊断路径。

41、在本发明的一种实施方式中，基于表观偏差数据及材质变化数据，对建筑老化类型进行识别与老化分级，并根据老化分级结果生成建筑维护或修复建议，包括：

42、所述老化类型包括表面风化、潮湿导致的起鼓或泛碱、暴晒导致的褪色或开裂、生物侵蚀、表面涂层老化及脱落；

43、根据偏差深度、影响面积比例、色差值δe、材质变化程度及材料有效性能变化中的一种或多种指标对老化程度进行量化分级，并根据老化类型及等级生成表面清洗、防水处理、局部修复、基层处理、构件加固或构件替换中的一种或多种维护或修复建议。

44、在本发明的一种实施方式中，将几何偏差数据转换为有限元分析模型中的初始缺陷参数或等效力学参数，包括：

45、根据所述几何偏差数据确定构件的实际截面几何参数，并计算实际截面面积、截面惯性矩、截面模量和/或扭转参数相对于设计截面参数的变化；

46、根据所述实际截面几何参数变化以及材料性能参数变化，修正有限元分析模型中对应构件的轴向刚度参数、抗弯刚度参数、抗剪刚度参数和/或扭转刚度参数；

47、其中，对于轴向受力参数，根据实际截面面积与设计截面面积的比值修正轴向刚度相关参数；

48、对于受弯参数，根据实际截面惯性矩与设计截面惯性矩的比值修正抗弯刚度相关参数；

49、当检测到材料劣化时，根据实际材料弹性模量和/或剪切模量修正对应力学参数。

50、根据空间偏差检测结果重建构件实际截面形态，并将实际截面形态转换为有限元分析模型所需的截面力学参数。

51、对于以轴向受力为主的构件，可采用实际截面面积

a

actual与设计截面面积

a

original的比值，对轴向刚度相关参数

ea进行修正。

52、对于以受弯为主的构件，可采用实际截面惯性矩

i

actual与设计截面惯性矩

i

original的比值，对抗弯刚度相关参数

ei进行修正。

53、当构件存在材料老化、腐蚀、劣化或缺损时，还可根据检测或评估得到的实际弹性模量

e

actual、实际剪切模量

g

actual等材料性能参数，对有限元分析模型中的相应力学参数进行修正。

54、在本发明的一种实施方式中，构建包含实际损伤状态的结构分析模型，施加预设灾害工况荷载进行结构响应分析，确定结构薄弱部位及结构风险等级，并生成结构干预建议，包括：

55、以所述健康状态基准模型作为结构分析的基础模型；

56、根据偏差分析结果，对受偏差影响的构件参数进行修改，所述构件参数包括截面尺寸、材料属性、节点约束条件中的至少一种，以使修改后的构件参数表征对应构件的实际状态；

57、对于非结构构件，根据结构分析需求确定是否在所述结构分析模型中保留对应的非结构构件，所述非结构构件包括填充墙、装饰构件中的至少一种；

58、对修改后的结构分析模型进行质量检查，以确定各构件参数输入是否正确以及所述结构分析模型是否存在几何冲突或约束错误；

59、建立所述结构分析模型中各构件参数的修改信息与对应检测偏差数据之间的关联关系，并记录各构件参数修改的数据来源和修改依据，以使所述结构分析模型中的参数调整能够追溯至对应的检测偏差数据；

60、在包含实际损伤状态的所述结构分析模型上施加至少一种预设灾害工况，所述预设灾害工况包括地震工况、风荷载工况、地基沉降工况、改造新增荷载工况以及特殊荷载工况；

61、根据所述预设灾害工况采用弹性分析方法或弹塑性分析方法对所述结构分析模型进行逐步加载，并根据建筑实际可能遭遇的最不利工况确定荷载施加顺序以及荷载组合方式，获得结构在加载过程中的结构响应分析结果；

62、根据所述结构响应分析结果中的应力比、应变、位移响应以及稳定性评价结果确定结构风险等级；

63、其中，当应力比小于0.6、位移响应满足对应规范限值且不存在失稳迹象时，确定所述结构风险等级为1级：低风险，无需干预；

64、当0.6≤应力比＜0.85且位移响应与对应规范限值偏差在预设范围内时，确定所述结构风险等级为2级：中等风险，持续监测；

65、当应力比≥0.85、位移响应超过对应规范限值或存在失稳风险中的至少一种情况时，确定所述结构风险等级为3级：高风险，采取加固措施。

66、在本发明的一种实施方式中，生成既有建筑风险分布结果及分级干预建议，包括：

67、按照结构风险等级、建筑老化等级及紧急程度进行排序，生成紧急干预、计划干预、监测维护或持续观察的干预优先级。

68、在本发明的一种实施方式中，还包括：

69、将现状三维模型、健康状态基准模型、偏差分析结果、建筑老化诊断结果、结构风险诊断结果以及分级干预建议进行关联存储，形成既有建筑健康状态评估档案；

70、所述健康状态评估档案包括所述健康状态基准模型、现状三维模型、偏差分析结果、建筑老化诊断结果、结构风险诊断结果以及分级干预建议；

71、当获取新的现状三维模型或检测数据时，将新获取的现状三维模型或检测数据与所述健康状态评估档案中的历史评估数据进行关联比较，并根据关联比较结果更新既有建筑健康状态评估结果，其中，所述关联比较包括：

72、在统一空间基准下，对不同时间获取的现状三维模型进行构件级几何变化分析、表观变化分析以及材质变化分析，获得各构件的多时相变化结果；

73、根据所述多时相变化结果确定既有建筑各构件的状态变化情况，并根据所述状态变化情况更新既有建筑的风险等级以及干预优先级。

74、本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

75、本发明通过构建现状三维模型并与健康状态基准模型进行构件级差异识别，实现了既有建筑状态变化的量化分析，降低传统人工检测过程中主观判断造成的不确定性。

76、本发明通过建立空间偏差特征向建筑性能影响类型的映射机制，实现了由几何检测结果向建筑性能状态评价结果的转换，并根据转换结果分别进入建筑老化诊断路径和结构风险诊断路径，实现了建筑表面退化问题与结构安全风险问题的区分评估。

77、本发明通过建立空间几何偏差与结构分析参数之间的转换机制，将实际检测获得的建筑状态变化转换为结构模型中的初始缺陷参数或等效力学参数，使结构分析模型能够反映既有建筑真实状态。

78、本发明通过关联存储建筑状态模型、差异分析结果以及诊断结果，实现建筑健康状态的持续更新，为既有建筑长期维护和风险管理提供数据基础。