第二節 建設工程中計算機儀器和軟件的應用

一、計算機儀器的應用

1．建筑測量儀器

由于計算機在建設工程中的應用，一系列建筑儀器不斷改革、創新，給建筑業的發展帶來了巨大的便利。目前的計算機建筑工程測量儀器主要有智能全站儀、斷面儀、收斂儀、濕度儀、光學水準儀、光學經緯儀、電子經緯儀、電子測距儀、電子全站儀、電子水準儀、GPS密度計、地質超前預報等儀器。

以智能全站儀為例：

世界上最高精度的全站儀：測角精度（一測回方向標準偏差）0.5秒，測距精度0.5mm+1ppm。利用ATR（自動目標識別）功能，白天和黑夜（無需照明）都可以工作。全站儀已經達到令人不可置信的角度和距離測量精度，既可人工操作也可自動操作，既可遠距離遙控運行也可在機載應用程序控制下使用，可使用在精密工程測量、變形監測、幾乎是無容許限差的機械引導控制等應用領域。

1）計算機在全站儀中的技術應用

隨著計算機技術的不斷發展與應用以及用戶的特殊要求，全站儀進入了一個新的發展時期，出現了帶內存、防水型、防爆型、電腦型等類型的全站儀。

在自動化全站儀的基礎上，儀器安裝有自動目標識別與照準的新功能，因此在自動化的進程中，全站儀進一步克服了需要人工照準目標的重大缺陷，實現了全站儀的智能化。在相關軟件的控制下，智能型全站儀在無人干預的條件下可自動完成多個目標的識別、照準與測量。

（1）光學系統

光學系統使全站儀的望遠鏡實現了視準軸、測距光波的發射、接收光軸同軸化。在望遠鏡與調焦透鏡間設置分光棱鏡系統，通過該系統即可瞄準目標，進行角度測量；同時通過內、外光路調制光的相位差可以計算實測距離。同軸性使得望遠鏡一次瞄準即可實現同時測定水平角、垂直角和斜距等全部基本測量要素。

（2）自補償系統

雙軸傾斜自動補償系統，可對縱軸的傾斜進行監測，并在度盤讀數中對因縱軸傾斜造成的測角誤差自動加以改正，也可由微處理器自動按豎軸傾斜改正計算式計算，實現縱軸傾斜自動補償。當作業中全站儀器傾斜時，運算電路會實時計算出光強的差值，從而換算成傾斜的位移，將此信息傳達給控制系統進行自動補償，確保軸始終保證絕對水平。

（3）電子處理系統

電子處理系統包括微處理器、存儲器等。微處理器主要由寄存器、運算器和控制器組成。微處理器的主要功能是根據鍵盤指令啟動儀器進行測量工作，執行測量過程中的檢核和數據傳輸、處理、顯示、儲存等工作，保證整個測量工作協調有序地進行。全站儀存儲器的作用是將實時采集的測量數據存儲起來，再根據需要傳送到其他設備（如計算機、打印機等）中，供進一步地處理或利用。

（4）外設支援系統

外設支援系統的應用使全站儀可以通過操作鍵盤輸入操作指令、數據和設置參數。全站型儀器的鍵盤和顯示屏均為雙面式，便于正、倒鏡作業時操作。輸入輸出接口是與外部設備連接的裝置，輸入輸出設備使全站儀能與磁卡和微機等設備交互通信、傳輸數據，實現了全站儀與計算機間的雙向信息傳輸。

2）全站儀的主要特點

與傳統儀器相比，智能全站儀具有強大的軟件功能，全站儀是集光、電、磁、機的新技術，及測距、測角于一體的測繪儀器，操作方便快捷、測量精度更高、內存量更大，能夠實現水平距離換算、自動補償改正、加常數乘常數的改正等。全站儀具有角度測量、距離測量、三維坐標測量、交會定點測量等多種用途。

全站儀的主要特點如下。

（1）可以實現綜合測量

全站儀可以同時進行角度測量和距離測量，水平角左角和右角測量模式可以互換。全站儀可以實現綜合測量，提高了測繪工作的效率。

（2）程序模式功能強大

全站儀內存中儲存了各種程序模式，可以很便捷地進行三維坐標測量、導線測量、后方交會測量、對邊測量、面積測量等，提高了測量的自動化水平。

（3）測量精度高

全站儀內部采取了一些特殊的測量補償校正措施，確保了測量的精度。

3）智能全站儀在測繪中的應用

傳統的經緯儀與水準儀只能測量比較具體且小范圍的數據，而智能全站儀能全方位地定位目標，把人工光學測微讀數代之以自動記錄和顯示讀數，使測角操作簡單化，且可避免讀數誤差的產生。安置一次儀器就可完成該測站上全部測量工作。

（1）測站的建立

首先將全站儀在架站點上進行整置，然后測量出儀器上紅漆點至全站儀橫軸中心的高度，測量溫度、氣壓、棱鏡高，一并輸入到全站儀中，開始建站。如果測區中在一個架站點設站不能測量測區內的全部的碎部點時，就需要在多個點設站，這些點即為轉站點，這些點的平面坐標須已知。運用建站，輸入測站三維坐標、儀器高，再輸入后視坐標，然后定向，完成建站。

（2）距離測量

第一，設置棱鏡常數。測距前須將棱鏡常數輸入儀器中，儀器會自動對所測距離進行改正。

第二，設置大氣改正值或氣溫、氣壓值。實測時，可輸入溫度和氣壓值，全站儀會自動計算大氣改正值，并對測距結果進行改正。

第三，測量儀器高、棱鏡高并輸入全站儀。

第四，距離測量。瞄準目標棱鏡中心，按測距鍵，距離測量開始，測距完成時顯示斜距、平距、高差。

全站儀的測距模式有精測模式、跟蹤模式、粗測模式3種。在距離測量或坐標測量時，可按測距模式鍵選擇不同的測距模式。

（3）坐標測量

第一，設定測站點度盤讀數為其方位角。當設定后視點的坐標時，全站儀會自動計算后視方向的方位角，并設定后視方向的水平度盤讀數為其方位角。第二，設置棱鏡常數。第三，設置大氣改正值或氣溫、氣壓值。第四，量儀器高、棱鏡高并輸入全站儀。第五，瞄準目標棱鏡，按坐標測量鍵，全站儀開始測距并計算顯示測點的三維坐標。

全站儀已不僅應用于測繪工程、建筑工程、交通與水利工程、地籍與房地產測量中，而且在大型工業生產設備和構件的安裝調試、船體設計施工、大橋水壩的變形觀測、地質災害監測及體育競技等領域中都得到了廣泛應用。外業測繪是測繪工作的重點，采用全站儀進行數據測量與采集，可以更加快捷地完成測繪任務。

2．建筑檢測儀器

計算機在建筑檢測方面應用非常廣泛，從材料方面、安全方面、質量方面等涉及多個領域，具體包括智能建材放射性檢測儀、多功能室內環境檢測儀、甲醛氣體檢測儀、氨氣檢測儀、環境氡檢測儀、苯氣體檢測儀、鋼筋掃描儀、鋼筋定位儀、數字回彈儀、回彈數據處理器、混凝土超聲檢測分析儀、樓板測厚儀、混凝土厚度測試儀、鋼筋銹蝕儀、混凝土強度檢測儀、多功能強度檢測儀、鋼筋混凝土雷達探測儀、混凝土裂縫測寬儀、混凝土裂縫深度測試儀等儀器，為建筑業的健康發展提供了保障。

下面以鋼筋銹蝕儀為例。

1）鋼筋銹蝕儀簡介

鋼筋銹蝕儀用于無損測量混凝土結構中鋼筋的銹蝕程度。儀器主要利用電化學測定方法對混凝土中鋼筋的銹蝕程度進行無損測量，具有銹蝕測量、數據分析、結果存儲與輸出等功能，是一種便攜式、測量精確、使用方便的智能化鋼筋銹蝕測量儀。其組成部分主要包括主機、延長線、金屬電極、電位電極、連接桿等。

利用計算機技術，鋼筋銹蝕儀測試操作簡便，讀數快而準，結果以數字或圖形方式顯示；鋼筋銹蝕程度分多級灰度或色彩圖形顯示；測量數據可以選串口或USB口方式傳輸到PC機數據處理軟件進行分析；軟件界面簡潔，操作簡單，強大的分析處理功能，可直接生成檢測報告；永久性銅-硫酸銅參比電極，測試前后不必更換硫酸銅溶液。

主要功能：

①無損檢測混凝土中鋼筋的銹蝕程度；

②測量數據的存儲、查看、刪除功能；

③向機外數據處理軟件傳輸測量數據。

2）鋼筋銹蝕儀在鋼筋銹蝕檢測中的應用

（1）鋼筋銹蝕的主要原因分析

混凝土密封得不嚴實、裂縫的出現是造成鋼筋銹蝕的主要原因，由于工作人員在對鋼筋結構進行水泥澆筑時操作不規范或疏忽，往往會出現蜂窩、麻面、漏筋等現象，也正是這個原因使得鋼筋產生銹蝕。混凝土與二氧化碳的反應會使鋼筋結構附近的環境呈現酸性，這種酸性環境也是造成鋼筋銹蝕的誘因。

①化學銹蝕。

在混凝土鋼筋的銹蝕中，化學銹蝕是導致鋼筋銹蝕的主要原因。化學銹蝕，往往是由混凝土在水化過程中產生的堿性物質和氣體所引起的，這些堿性物質和氣體會與鋼筋的表面接觸，發生化學反應。起初，化學反應會在鋼筋表變形成一種氧化膜，雖然鋼筋表面的氧化膜可以阻止鋼筋的進一步氧化，但是由于混凝土受到水化過程或外界環境的影響，其鋼筋混凝土內部存留大量的熱量，這些熱量為鋼筋的化學反應提供了條件，鋼筋的化學反應會進一步加速，再加上混凝土與鋼筋間隙之間的干燥環境，往往會促進鋼筋的銹蝕作用的產生。

②電化學銹蝕。

電化學銹蝕是在水環境的作用下形成的，如果鋼筋處于一個潮濕的環境中，往往就會發生這種銹蝕，因為很多時候鋼筋的大部分都是發生了電化學反應才形成銹蝕的。當水環境中存在酸性分子或者活性比較高的陰離子的時候，其多為氯離子，這些離子會破壞鋼筋表面的氧化膜，并且使其開裂，進而直接與鋼筋本體發生化學反應，加上水和氧氣的存在，就會引起鋼筋的銹蝕。

（2）儀器對鋼筋檢測的方法

①物理學檢測。

這種檢測方法主要有四種形式：電阻探針法、電阻探頭法、光纖傳感技術、聲波發射法。

電阻探針的方法就是將與鋼筋相同材料的電阻探針埋進混凝土中，利用電橋原理來測量探針的電阻，從而達到測量鋼筋銹蝕程度的目的。

電阻探頭的方法是在進行建筑鋼筋混結構建筑時，就預先將探頭埋進鋼筋結構中，此方法適合均勻腐蝕的鋼結構，對于局部腐蝕的鋼結構不起作用。

光纖傳感技術是一種新型技術，但是光纖的造價過于高昂，由于光纖能抗電磁干擾，而且材質比較輕，并且能夠比較容易放進混凝土中，所以將多條光纖鋪設在鋼筋結構中，利用光的時域反射原理，就能夠實現大型鋼混結構建筑物的鋼筋銹蝕檢測。利用光纖敏感膜的腐蝕程度來對鋼筋結構腐蝕進行監測要比以前的檢測技術可靠得多，而且后期的維護成本相對低廉，也減少了時間的浪費，使得施工效率明顯提高。

聲波發射法原理是鋼筋結構在受到腐蝕的時候會產生一定內張力，這種力會使混凝土向外裂開，而且在這一過程中產生的能量會以一種聲波的方式迸發出去，聲波發射法就是利用了這一原理，但是，這種方法存在著一定的缺陷，那就是無法避免外界的聲波干擾。

②電化學方法（儀器主要運用此方法檢測）。

電化學方法一般有三種檢測方法：交流阻抗法、鋼筋銹蝕評估綜合法、恒電流實驗方法。

交流阻抗方法的原理就是根據施加在電極上的交流電壓電流信號的變化程度來計算出電極的變化數據，從而得出鋼筋結構的銹蝕程度。現在，這種方法在鋼混結構的建筑物中的使用已經非常普遍了，這種方法的優點就是能夠顯示出銹蝕的一些信息，而且能夠測算出銹蝕的速度。不過，其也存在著一定的缺陷，比如在對鋼筋銹蝕速度進行測量時，就必須進行大范圍的測量，工作量比較大，在對低頻區信息進行測量時耗時較長，必須進行多次測算；且使用地域受到局限，尤其不能在現場使用。

鋼筋銹蝕評估綜合方法主要適用于現場，其原理就是利用數學建模的方法建立三元辨別函數，再依據測得的數據進行分類，然后計算出鋼筋銹蝕的數據，這種方法能避免很多外來因素的干擾，而且測算出來的結果比較準確可靠，非常適合鋼筋結構銹蝕程度的檢測。

恒電流試驗方法其原理就是利用激勵信號的衰減曲線進行分析，由此得出鋼筋結構的銹蝕數據，不過，這種方法的信號比較弱，時間短，所以測試的難度較大，但是這種方法測試速度較快，而且準確，能測算出鋼筋結構瞬間的銹蝕速度。

（3）對銹蝕鋼筋的檢測

①標測點。

先找到鋼筋并用粉筆標出其位置與走向，鋼筋的交叉點即為測點，如圖1-1所示。

②測試。

選擇電位測試時，需要鑿開一處混凝土露出鋼筋，并除去鋼筋銹蝕層，把連接黑色信號線的金屬電極夾到鋼筋上，黑色信號線的另一端接銹蝕儀“黑色”插座，紅色信號線一端連電位電極，另一端接銹蝕儀“紅色”插座，如圖1-2所示。

選擇梯度測試時，不需要開鑿混凝土，用連接桿連接兩個電位電極，點距為20cm，如圖1-3所示。

③數據輸出。

通過儀器將所測得的數據保存，并傳入計算機分析軟件中，通過軟件分析，將最終得出所需結果，最后將數據分析結果轉化成Excel表格打印為報表。

3．建筑聲學儀器

聲學儀器工作原理：聲學儀器是研究媒質中機械波的產生、傳播、接收和效應的而研發的儀器。建筑聲學儀器主要包括超聲波探傷儀、聲級計及噪聲測量儀器、振動測量儀器、電聲測量儀器、實時信號分析儀、環境噪聲自動監測系統、聲強測量分析儀、測試傳聲器及前置放大器、建筑聲學測量儀器、聲學校準器等。通過聲學與計算機的結合，將人類無法通過感觀判斷的工程更加科學、直觀、準確地呈現出來，為建筑施工與檢測帶來了巨大的變化。

以超聲波探傷儀在鋼結構焊接中的檢測為例。

1）超聲波探傷儀簡介

超聲波探傷技術是利用超聲波探傷儀進行超聲檢測的一種技術，超聲檢測是無損檢測的常用方法之一。

超聲波探傷儀的基本原理是：如果被檢測材料出現問題，超聲波在傳播的過程中會受材料內部組織變化的影響，從而根據影響程度來判斷材料的質量。

2）超聲波探傷儀在鋼結構檢測中的應用

①探測儀識別鋼結構焊接的幾種缺陷。

夾渣、氣孔。

出現夾渣主要是因為在進行鋼結構焊接時未將焊縫內的熔渣或者其他雜質清理干凈，這些夾渣形狀各異，主要為點狀和條狀夾渣。點狀夾渣在某種意義上與點狀氣孔類似，在進行超聲波探傷時反射出來的信號相差不大。條狀夾渣的回波信號表現明顯，通過超聲波探傷儀可看出其形狀與鋸齒狀類似，條狀夾渣的波幅較低，且隨超聲波探測儀探頭位置的改變而改變，波形一般表現為樹枝狀。

氣孔是在鋼結構焊接時由于溫度過高，焊縫中融入大量氣體，在焊縫冷凝時氣體沒有得到完全排除，從而隨著焊縫的凝固而在焊縫中形成的形狀大小各不相同的孔穴。這些孔穴的形狀以球形為主，按照氣孔的密集程度可以分為單個氣孔與密集氣孔。在檢測焊接過程中，單個氣孔與密集氣孔的波高、波形均會有所不同。單個氣孔的回波高度以及波形一般不會隨著探測方向的改變而改變，但是在探頭移動之時回波高會立即消失。由于密集氣孔是由多個大小不一的單個氣孔組成的，在改變探頭位置時，波高會出現高低不同的迅速改變。

裂紋。

裂紋對鋼結構焊接的質量有著極大的威脅，所以在進行鋼結構焊接工作是做好裂紋防治工作是非常重要的。應力是影響鋼結構焊接產生裂紋的主要原因，根據裂紋產生溫度的不同可以分為熱裂紋與冷裂紋，即熱裂紋是在高溫的條件下產生，而冷裂紋是鋼結構構件在焊接結束后經過長時間的凝固形成的。根據裂紋產生位置的不同可以分為橫向裂紋、縱向裂紋、焊趾裂紋以及根部裂紋。當裂紋與焊縫方向相平行時稱為橫向裂紋，橫向裂紋主要受焊縫速度及鋼結構質量的影響；裂紋與焊縫方向相垂直時稱為縱向裂紋，縱向裂紋主要與作用在鋼結構構件焊縫處的應力有關；焊趾裂紋一般與鋼結構材料的表面相垂直；根部裂紋則是位于焊縫根部的裂紋，焊趾裂紋與根部裂紋均屬于冷裂紋。

未焊透、未熔合。

在焊接的過程中，對焊接接頭處的金屬沒有進行充分的熔化，導致出現未焊透現象。未焊透的位置主要在焊縫處，且長度會有所限制。利用超聲波探傷儀進行探測時，能夠較輕易地判斷焊縫處是否出現未焊透現象，超聲波探傷儀的探頭在進行平移時，未焊透處的波形相對于焊縫兩側更為穩定，并且焊縫兩側的波幅大小基本相同，而未焊透處與焊縫兩側的波幅出現明顯的波動。未熔合與未焊透的形成原因在某種程度上大致相似，未熔合是指在焊縫處填充的材料與鋼結構材料之間沒有充分熔合在一起，其反射波的波形變化與未焊透的波形變化基本相同，但是焊縫兩側的波幅相差較大，有時可能會出現一側能探測到波幅，而另一側則無的現象。

②超聲波探傷儀的要求。

選擇探頭時，需要參考探頭在檢測時發出的聲波束與鋼結構焊縫之間的實際距離。為了更好地做好檢測工作，需要根據鋼結構構件的實際情況選用科學合理的探頭頻率及角度。選擇探頭頻率主要根據構件的厚度，對于厚度較大的構件，在進行檢測時不適合選用高頻率的探頭，因為這種探頭的穿透力較差。但在一般情況下，如果構件的厚度在高頻率探頭適用范圍內，應以更高頻率的探頭優先選用，實際檢測中，還應以鋼構件的實際情況為主。探頭角度的選擇以構件的厚度及焊縫類型為主要考慮因素，建筑板材一般使用折射角為60°或是68°為宜。

③超聲波探傷技術在檢測中的影響。

在鋼結構檢測過程中，即使其中含有多種不同的合金成分，其聲速也認為是基本恒定的。而在其他的許多材料中，如許多非鐵金屬或塑料中，超聲傳播速度的變化是非常顯著的，因而會影響測量的精度。

如果待檢測對象的材料不是各向同性的，那么在不同的方向上聲速就會不同。在這種情況下必須用檢測范圍內的聲速的平均值進行計算。平均值是通過測量聲速與待測試塊的平均聲速相當的參考試塊而獲得的。