《一種檢測玻璃幕牆自爆隱患的方法》是中國建築材料科學研究總院於2008年10月16日申請的專利，該專利的公布號為CN101413936，授權公布日為2009年4月22日，發明人是包亦望、劉立忠、邱岩、韓松、萬德田。
《一種檢測玻璃幕牆自爆隱患的方法》檢測玻璃幕牆自爆隱患的方法及裝置，涉及一種檢測玻璃幕牆內應力的方法和測試系統，用以預測玻璃幕牆的自爆隱患。該方法通過折射光彈原理，獲取幕牆玻璃的應力條紋圖像，然後對應力條紋進行圖像處理和定量分析，得出應力的大小和分布，從而正確估算安裝應力、內應力及應力集中。據此可以根據應力水平對玻璃幕牆自爆的風險進行評價。該測試系統包括一折射光彈儀，一運動驅控裝置，一圖像記錄和傳輸裝置，及裝有應力分析和評價軟體的計算機。該發明解決了服役玻璃幕牆內應力檢測和自爆隱患評價的難題，對保障服役玻璃幕牆的安全有重要意義，有廣泛的套用前景。
2018年12月20日，《一種檢測玻璃幕牆自爆隱患的方法》獲得第二十屆中國專利獎優秀獎。
基本介紹
- 中文名：一種檢測玻璃幕牆自爆隱患的方法
- 公告號：CN101413936
- 授權日：2009年4月22日
- 申請號：2008101672509
- 申請日：2008年10月16日
- 申請人：中國建築材料科學研究總院
- 地址：北京市朝陽區管莊東里1號
- 發明人：包亦望、劉立忠、邱岩、韓松、萬德田
- Int.Cl.：G01N33/38(2006.01)I；G01N19/00(2006.01)I
- 代理機構：北京尚誠智慧財產權代理有限公司
- 代理人：邸萬傑
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
中國已經建成了大量的玻璃幕牆建築，其中大部分建築都是採用鋼化玻璃作為幕牆玻璃進行安裝的。此外，玻璃浴室、玻璃門、玻璃灶台等都採用鋼化玻璃製造。所謂的鋼化玻璃是利用加熱到一定溫度後迅速冷卻的方法，或是化學方法進行特殊處理的玻璃。它的特性是強度高，其抗彎曲強度、耐衝擊強度比普通平板玻璃高3～5倍。鋼化玻璃的安全性能好，有比較均勻的內應力，破碎後呈網狀裂紋。但是鋼化玻璃在沒有外力作用下，會發生自爆現象。一般認為出廠的鋼化玻璃都存在千分之三的自爆率。如果高層建築上的玻璃幕牆發生自爆，墜落的玻璃碎片會砸傷行人，嚴重危害到人民民眾的生命財產安全，因此研究玻璃幕牆自爆的現場檢測技術非常必要。引起玻璃幕牆發生自爆的因素主要由兩個方面組成：1）玻璃幕牆的安裝應力；2）鋼化玻璃內部雜質引起的應力集中。如果能夠檢測出鋼化玻璃內部的應力，對其進行定量分析，就可以預測鋼化玻璃是否會發生自爆。中國國內外2008年10月之前儀器和設備主要針對未出廠的玻璃或鋼化玻璃進行內部雜質的檢測，有些也進行應力分析，但針對高層建築上的玻璃幕牆尚無檢測設備和方法。
發明內容
專利目的
《一種檢測玻璃幕牆自爆隱患的方法》的目的在於提供一種能夠現場檢測玻璃幕牆內應力的方法和裝置，並通過測得的應力，對玻璃幕牆進行危險程度分級，達到預測玻璃幕牆自爆的目的。
技術方案
《一種檢測玻璃幕牆自爆隱患的方法》利用折射光彈原理，製成一折射光彈儀。利用此折射光彈儀可以觀測鋼化玻璃的應力條紋。在折射光彈儀的檢偏片一側，安裝圖像記錄與傳輸裝置，用以記錄所觀測到的應力條紋，並將其傳輸到計算機中。為了能夠對整個玻璃幕牆進行檢測，將折射光彈儀、圖像記錄與傳輸裝置固定在一個運載小車上，此運載小車能夠沿著兩條導軌在玻璃幕牆上進行上下運動，從而能夠在一定寬度範圍內從上到下逐步觀測整個玻璃幕牆。如果要進行下一寬度範圍內的觀測，只需將導軌移動到下一寬度範圍內即可。將所觀測到的所有應力條紋圖像傳輸到計算機中，通過組合併進行應力分析，就可以得到每塊玻璃的應力大小和應力分布，進而通過標準分級系統進行分級，預測玻璃幕牆的自爆風險。
具體技術方案如下：
1）選取一塊1×1平方米的鋁合金基板，在其上均布多個高亮的二極體發光器，然後在發光器上面覆蓋一個毛玻璃片，在毛玻璃片上貼上一張偏振片（起偏片），構成一個大面積均布偏振光源。
2）將另一偏振片（檢偏片）用鋁合金框固定，並和前述的大面積均布偏振光源成直角固定，要求兩個偏振片的偏振方向亦成直角放置。
3）在光源對側的偏振片（檢偏片）外固定一個高解析度的數位照相機，用於對測得的玻璃幕牆應力條紋進行照相，並將照片無線傳輸到地面上的計算機中。
以上結構組成一折射光彈儀。
4）設定兩條鋁型材導軌，能夠從高層建築頂端垂下，靠緊高層建築的玻璃幕牆，帶有折射光彈儀、圖像記錄與傳輸裝置的運載小車懸掛於此導軌之上並可沿導軌上下移動。
5）在地面設定遠程控制裝置，能夠遙控運載小車的上下運動。
6）將數位照相機拍攝到的應力條紋圖像傳輸到計算機終端中，通過安裝在終端上的圖像處理軟體進行自動組合，然後進行應力分析，以進行玻璃幕牆危險程度的分級評判。
改善效果
1、現場測試玻璃幕牆的應力狀態。通過將折射光彈儀放置在玻璃幕牆的表面，可以現場測量幕牆玻璃的內應力，進而根據測得的應力狀態預測幕牆玻璃的自爆。通過這項技術，可以對已經建好的玻璃幕牆進行檢驗，而無需將玻璃幕牆搬到實驗室進行檢驗。
2、實驗裝置簡單，無需人員進行高空作業。將折射光彈儀、照相機等圖像數據採集裝置固定在運載小車上，運載小車懸掛在導軌上並通過導軌上下移動，可以對高層建築的大面積玻璃幕牆進行檢測，所得到的圖像直接無線傳輸到地面上的計算機終端進行處理，而無需工作人員進行高空懸掛作業，降低了人員風險，也節約了測試成本。
3、測試結果準確可靠。通過該測試系統可以測試玻璃幕牆的內應力，將所得到的應力與鋼化玻璃的強度進行比較，就可以預測玻璃發生自爆的風險程度。測得的應力為現場玻璃所具有的實際應力，包括鋼化玻璃固有的內應力、安裝應力和雜質引起的應力集中等，因此能夠準確反映玻璃的服役狀態，從而能夠準確預報玻璃幕牆的自爆。
4、採用該方法只需在玻璃幕牆的外側就可以完成檢測。這樣就避免了由於室內裝飾和建築對玻璃的阻擋而造成的檢測困難，同時在室外檢測也不會影響室內人員的工作。
附圖說明
圖1為《一種檢測玻璃幕牆自爆隱患的方法》中所用檢測裝置系統的整體示意圖。
圖2為《一種檢測玻璃幕牆自爆隱患的方法》中所用的折射光彈儀示意圖。
圖3為《一種檢測玻璃幕牆自爆隱患的方法》中所用的檢測流程圖。
圖4為現場檢測所得到的某塊玻璃的局部應力條紋圖像。
技術領域
《一種檢測玻璃幕牆自爆隱患的方法》涉及材料檢測領域，具體涉及一種檢測服役玻璃幕牆自爆隱患的方法及裝置。具體地說，是利用折射光彈原理獲得玻璃幕牆的應力條紋，通過對應力條紋的分析得出玻璃幕牆的內應力分布，從而依據分級標準判別玻璃幕牆的自爆風險。
權利要求
1、《一種檢測玻璃幕牆自爆隱患的方法》特徵在於：通過折射光彈原理，獲取幕牆玻璃的應力條紋圖像，然後對應力條紋進行圖像處理和定量分析，得出應力的大小和分布，從而正確計算安裝應力、內應力及應力集中，據此可以根據應力水平對玻璃幕牆自爆的風險進行評價。
檢測按以下步驟進行：
1）在運動驅控裝置的帶動下，利用折射光彈儀對玻璃幕牆外表面進行分塊掃描；
2）用圖像記錄裝置記錄下掃描圖像數據，並無線傳輸到計算機；
3）計算機對獲取的分塊圖像數據進行組合併分析，篩選出應力條紋；
4）計算機利用應力分析和評價軟體對篩選出的應力條紋進行定量分析，得出幕牆玻璃內部應力分布；
5）計算機依據分級標準判別玻璃幕牆自爆風險等級並輸出檢測結果。
所述步驟4）的應力分析和評價軟體通過以下公式進行定量分析，獲得幕牆玻璃的綜合內應力（包括安裝應力、固有內應力及應力集中）的數值：
主應力差公式：
平衡方程公式：
式中，σx、σy、τxy＝τyx為坐標軸x方向、y方向的應力及剪應力，這些應力可以同主應力σ1、σ2相互轉換；
主應力計算公式：
最大剪應力公式：
τmax=（σx-σy2）2+τxy2]]>
式中，τmax為最大剪應力；
主應力方向角公式：
式中，θ為主應力方向角；
主應力與應力分量關係式
2. 根據權利要求 1 所述檢測玻璃幕牆自爆隱患的方法，其特徵在於，所述折射光彈儀設有互成直角放置的起偏片和檢偏片，起偏片後設高亮度散射光源，檢偏片後設定圖像記錄裝置。
3. 根據權利要求 1 所述檢測玻璃幕牆自爆隱患的方法，其特徵在於，所述步驟 3）是將所有獲得的應力條紋圖片進行組合，得出針對每塊幕牆玻璃的應力條紋。
實施方式
《一種檢測玻璃幕牆自爆隱患的方法》利用折射光彈方法，採用相關裝置觀測服役玻璃幕牆的應力條紋，通過對應力條紋進行定量分析，得出玻璃內的應力大小和分布，繼而可以得出玻璃幕牆發生自爆的危險程度，從而預測玻璃幕牆的自爆。
《一種檢測玻璃幕牆自爆隱患的方法》中檢測服役玻璃幕牆自爆隱患的方法，參考圖3所示流程，包括以下步驟：
1）在運動驅控裝置的帶動下，利用折射光彈儀對玻璃幕牆外表面進行分塊掃描；
2）由圖像記錄裝置記錄下掃描圖像數據，並無線傳輸到計算機；
3）計算機對獲取的分塊圖像數據進行組合併分析，篩選出應力條紋；
4）計算機利用應力分析和評價軟體對篩選出的應力條紋進行定量分析，得出幕牆玻璃內部應力分布；
5）計算機依據分級標準判別玻璃幕牆自爆風險等級並輸出檢測結果。
《一種檢測玻璃幕牆自爆隱患的方法》主要是利用折射光彈原理，觀測並記錄下玻璃幕牆的應力條紋。利用折射光彈原理時，要求有主動光源以及暗色背景。所述折射光彈儀設有互成直角放置的起偏片和檢偏片，起偏片後設定高亮度散射光源，在暗色背景下，就可在檢偏片後觀測到玻璃的應力條紋。利用所述的折射光彈儀，在運動驅控裝置的帶動下，可以對整個玻璃幕牆外表面進行觀測。每次觀測折射光彈儀覆蓋範圍大小的區域，整個玻璃幕牆由這些分塊區域組合而成。
對分塊觀測到的應力條紋，利用數位照相機等圖像記錄裝置記錄下來，然後利用無線傳輸設備傳輸到計算機中等待進一步處理。計算機採用軟體系統對採集到的圖像進行處理：首先根據圖片攝取的位置和邊界特徵，將同一塊玻璃的多幅圖像進行組合，形成一塊玻璃的整幅圖像；然後採用當前廣泛套用的商業干涉條紋圖像處理軟體，對所獲取的圖像進行特徵條紋提取，其過程主要包括圖像增強和圖像復原。圖像增強是採用增強輪廓邊緣、灰度變換、二值化處理、線條細化、消除局部小區域等技術來突出圖像中的有用信息，去除無關的干擾信息。圖像復原是採用濾波、平消化、幾何變換等來減少或消除圖像的損傷和退化，包括圖像模糊、干擾和噪聲、幾何畸變等。經增強、復原後，便可進行圖像的特徵提取和分析。圖像分析的一般方法是藉助像素間的灰度相關關係及有關經驗知識，利用邊緣監測和區域分割技術，將干涉條紋的邊緣輪廓、位置、大小、中心確定下來，進而計算條紋間的位置距離。
得到應力條紋後，計算機就可以基於下面所述的算式運行應力分析和評價軟體計算出玻璃平面內每一點所對應的主應力（包括該點的最大主應力），將玻璃平面內所有點的最大主應力進行比較，可以得出玻璃平面內的最大主應力極值。這個最大主應力極值可作為判斷玻璃幕牆自爆風險的指標。
主應力差公式：
平衡方程公式：
式中，σx、σy、τxy＝τyx為坐標軸x方向、y方向的應力及剪應力，這些應力可以同主應力σ1、σ2相互轉換；
主應力計算公式：
最大剪應力公式：
τmax=（σx-σy2）2+τxy2]]>
式中，τmax為最大剪應力；
主應力方向角公式：
式中，θ為主應力方向角；
主應力與應力分量關係式
對得到的每塊玻璃的應力條紋圖像，通過以上應力分析和評價軟體進行定量的應力分析計算。首先根據應力條紋及玻璃的f、d、n值，計算出玻璃平面內每一點的主應力σ1、σ2，即得到該點的最大主應力（一般規定用σ1表示該點的最大主應力）。比較玻璃平面內每點的最大主應力值，可以得出玻璃平面內所有點最大主應力的最大值（或極值），可以稱此最大主應力極值為σ1max。
此時獲得的應力包括玻璃的內應力、安裝應力以及由雜質等引起的應力集中。根據玻璃的強度準則，最大主應力是決定玻璃是否會發生破壞的指標，因此得出幕牆玻璃內的最大主應力值極值σ1max，就可以將其與玻璃的應有強度σb比較，從而判斷玻璃幕牆的自爆風險。
幕牆玻璃的應有強度由生產廠家提供，或採取類似的樣品進行測試所得。
玻璃幕牆的自爆風險評級按以下進行。設α為某一塊幕牆玻璃內最大主應力的極值與玻璃應有強度的比值，即
式中，σ1max為某一塊幕牆玻璃內所有測得的最大主應力中的最大值；σb為該塊幕牆玻璃應有的強度。如果α≤1.3，則認為該塊幕牆玻璃是安全的，評價等級為“安全”；如果1.3<α≤1.6，則認為該塊幕牆玻璃是比較危險的，評價等級為“比較危險，繼續監測”；如果1.6<α≤2.0，則認為該塊幕牆玻璃是危險的，評價等級為“危險，建議更換”；如果α>2.0，則認為該塊幕牆玻璃是非常危險的，評價等級為“特別危險，立即更換”。依據所述的分級評價方法，就可以給出玻璃幕牆自爆的風險等級，同時給出檢測報告和建議。
《一種檢測玻璃幕牆自爆隱患的方法》所提供的檢測裝置系統，如圖1所示，包括一折射光彈儀1，一運動驅控裝置3、4，一圖像記錄和傳輸裝置2，一計算機6。
其中折射光彈儀示意圖如圖2所示，包括起偏片7、檢偏片8和漫散射光源9。選取一塊1×1平方米的鋁合金基板，在其上均布多個高亮的二極體發光器，然後在光源上面覆蓋一個毛玻璃片，就構成一個漫散射光源9。在毛玻璃片上貼上一張偏振片作為起偏片7，構成一個大面積均布偏振光源。將另一偏振片（檢偏片8）用鋁合金框固定，並和前述的大面積均布偏振光源成直角固定，要求兩個偏振片的偏振方向亦成直角放置。當漫散射光源通過起偏片7照射到幕牆玻璃上（玻璃背後為暗色背景），則一部分光會沿45度角反射到檢偏片上。這樣在檢偏片後就可以觀測到玻璃的應力條紋。採用此裝置對整個玻璃幕牆進行掃描就可以得到各塊玻璃的應力條紋圖像。
該運動驅控裝置包括兩條導軌3和運載小車4。兩條導軌3由建築物頂端垂下，並採用真空吸盤裝置吸附在玻璃幕牆表面進行固定。兩條導軌為平行設定，並有很好的光潔度和潤滑條件，能夠保證運行於其上的運載小車上下運動。運載小車4為具有電機驅動的小車，能夠帶動附於其上的折射光彈儀及圖像記錄裝置沿著兩條導軌運動，小車的電源採用電池供電。運載小車4上裝有遠程接收器，遠程控制系統5安裝於地面上的計算機6中，能夠無線控制運載小車完成所需的運動。小車4的運動受地面遠程控制系統5的控制，能夠實現上行、下行、定位停止等功能。
該圖像記錄和傳輸裝置2主要由高解析度的數位照相機和無線傳輸設備組成。數位照相機固定在檢偏片外，其視野能夠覆蓋整個檢偏片的範圍，並具有自動對焦功能。在運載小車運動到指定位置時停下，通過高解析度數位照相機拍攝此時的應力條紋圖像，然後通過無線傳輸設備傳輸到地面上的計算機中等待處理。同時記錄此時拍攝的具體位置。
計算機6除裝載遠程控制系統5外，還需裝載應力分析和評價軟體。計算機6接收到應力條紋圖像後，由其中的應力分析和評價軟體進行處理。首先對全部應力條紋圖像進行組合整理，得出每塊玻璃對應的應力條紋圖像。然後由應力分析系統根據應力條紋進行計算，得出每塊玻璃的定量的應力分布。將這些定量的應力分析結果與所測玻璃的強度進行比較，就可以得出玻璃幕牆自爆的風險，同時對其進行分級處理，並給出檢測和建議的報告。
具體實施檢測的流程參見圖3。首先將兩個導軌3從樓頂架設下來，將折射光彈儀1、圖像記錄和傳輸裝置2、運載小車4架設到導軌上。通過地面上的遠程控制系統5，控制運載小車，帶動折射光彈儀、圖像記錄和傳輸裝置沿著導軌上下運動。當運載小車定位到合適的位置時，能夠從折射光彈儀的檢偏片外觀測到應力條紋。此時採用遠程操控系統，運算元碼照相機進行拍照，然後將圖像數據無線傳輸到地面上的計算機中。對一塊或多塊玻璃幕牆進行照相後，所有的圖像都集中到地面的計算機6中，由計算機6中的應力分析和評價軟體進行圖像組合、解析，並根據應力條紋計算應力，將計算出的應力與玻璃的強度進行對比，就可以對玻璃的危險程度進行分級，從而達到預測玻璃幕牆自爆的目的。導軌的寬度決定了一次能測得的玻璃幕牆寬度，如要進行下一列的測量，移動整個導軌到下一列即可。
以下結合具體實施例詳細說明《一種檢測玻璃幕牆自爆隱患的方法》。實施例只為具體說明《一種檢測玻璃幕牆自爆隱患的方法》的檢測方案，不作為對《一種檢測玻璃幕牆自爆隱患的方法》其它實施方式的限制。
- 檢測實例
待檢玻璃幕牆：中國建築材料科學研究總院某棟玻璃幕牆，每塊玻璃尺寸為1.8×2平方米。
檢測裝置：採用前述檢測裝置系統，包括一折射光彈儀、一運動驅控裝置、一圖像記錄和傳輸裝置、一計算機。
操作過程：如前所述，將導軌從玻璃幕牆頂部垂下並固定，然後使用運載小車帶動折射光彈儀、圖像記錄和傳輸裝置沿導軌上下運動，同時採集幕牆玻璃的應力條紋圖像，並將圖像傳送到計算機中進行分析處理，得出各點最大主應力和玻璃平面內的最大主應力極值。由於折射光彈儀的幅面為1×1平方米，為完成整塊玻璃的檢測，需要將導軌平移1米的距離。
檢測結果：圖4為所測得的某塊玻璃的局部應力條紋圖像（圖中較亮區域中的暗色部分為應力條紋）。由應力條紋可得f為15，d為12毫米，n為2，經應力分析軟體進行分析可知，該塊玻璃平面內的最大主應力極值σ1max為109兆帕，而從廠家已知玻璃的強度σb值為80兆帕，比值α為1.36，故判定其等級為“比較危險，繼續監測”。
榮譽表彰
2018年12月20日，《一種檢測玻璃幕牆自爆隱患的方法》獲得第二十屆中國專利獎優秀獎。
