《Buildings》：A Method for ETICS Damage Identification and Early Warning Based on In Situ DIC Monitoring
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外墙外保温系统（External Thermal Insulation Composite Systems, ETICSs）的早期损伤检测对建筑安全至关重要，但传统无损检测方法常受保温层吸波特性制约。为克服该局限，该研究提出一种基于数字图像相关（Digital
外墙外保温系统（External Thermal Insulation Composite Systems, ETICSs）的早期损伤检测对建筑安全至关重要，但传统无损检测方法常受保温层吸波特性制约。为克服该局限，该研究提出一种基于数字图像相关（Digital Image Correlation, DIC）的现场监测方法，可实现ETICS退化的定量、多点变形测量与早期预警。在一个真实建筑立面上开展了60 d连续监测，监测在组合环境荷载下进行，同步记录了表面位移以及温度、相对湿度、风速和风向4个环境变量。通过将环境归一化与双准则异常检测规则相结合，所提框架可区分可逆环境变形与不可逆结构损伤。10月2日的一次重大结构异常被成功识别，并经现场检查确认，证明了该系统的早期预警能力。该方法为ETICS状态评估提供了一种实用、非侵入式解决方案，无需材料参数或破坏性测试。针对具有不同结构构造的建筑的全区域检测试验正在进行，以增强研究结果的普适性。
研究背景：气候变化推动外墙外保温系统（External Thermal Insulation Composite Systems, ETICS）广泛应用于建筑，以提高能效并促进碳中和。ETICS可降低供暖和制冷负荷及运行碳足迹，但其长期性能和耐久性在真实环境下面临开裂、脱粘和分层等退化挑战，不仅削弱热效率、增加能耗和经济损失，还可能因碎片坠落威胁行人和基础设施安全。变形是ETICS退化的主要前兆。不同层材料（保温、粘结、抹面）的热膨胀系数（coefficient of thermal expansion, CTE）差异会诱发复杂应力场，导致内部和表面变形；当变形超过材料能力时，微裂纹出现并扩展；局部薄弱和工艺偏差可导致应力集中，引起与基材脱粘，形成视觉检查难以发现的空气间隙，直至发展成大的裂缝或脱落。因此，准确检测、量化和监测变形模式对早期预警至关重要。现有ETICS检查技术分为无损评估（non-destructive evaluation, NDE）和破坏性评估。钻芯等破坏性测试虽可提供准确定量数据，但侵入性使其难以大规模应用；NDE可保护材料，但适用于ETICS的多数无损检测（non-destructive testing, NDT）方法，如红外热像、超声和冲击回波，常受真实世界约束，其性能多在受控实验室条件下验证，复杂构件几何、非均质材料、难达位置以及速度和成本要求会显著限制现场适应性。X射线和 neutron imaging 等实验室技术通常不适合现场使用。常规NDT对多层异质ETICS系统存在信号解释模糊、高衰减和现场不可行等固有局限。因此，亟需一种实用技术，能够对原位ETICS进行定量、多点变形监测，并适应真实建筑环境，从而实现劣化早期预警，防止小损伤演变为碎片坠落、人身伤害或财产损失。与上述技术不同，该研究探索数字图像相关（Digital Image Correlation, DIC），一种非接触、基于图像的光学计量技术，通过跟踪数字图像序列中表面图案运动量化全场位移和变形。DIC已在实验固体力学和材料测试中广泛应用。Lu等用DIC监测蒸压加气混凝土砌块填充墙损伤发展；Qu等用DIC表征织物增强混凝土（Textile-Reinforced Concrete, TRC）修复墙的裂缝和应力传递路径；Yuan等用DIC实验研究ETICS劣化局部变形；Steinbauer等用高速记录立面冰球和钢球冲击。然而，DIC用于ETICS变形监测尚未在现场检查实施，实验室研究仍处早期。两个关键空白是：DIC尚未用于真实建筑立面在组合环境荷载下的长期原位监测；现有方法很少区分可逆环境变形与不可逆结构损伤。该研究通过整合现场DIC测量与环境归一化框架，建立ETICS损伤识别和事故早期预警方法，并以若干EPS板为概念验证，通过真实建筑案例评估该技术在局部尺度检测外保温系统病理的诊断效用，进而集成DIC与基于Python（version 3.11）平台的主动预警系统。该工作新颖性包括：首次长期连续现场部署DIC于在用ETICS立面；引入环境归一化框架与双准则验证以区分可逆环境变形与不可逆结构损伤；开发从机器人靶标部署、物联网（Internet of Things, IoT）数据传输到Python报警生成平台的全集成早期预警工作流，无需材料参数。
关键技术方法：研究人员以真实建筑东立面为样本队列，该建筑为2012年建5层教学建筑，位于乌鲁木齐（87.41° E, 43.84° N，海拔800 m），东向立面ETICS由8 mm金属板饰面、2 mm结构胶、100 mm EPS保温板组成，经10 mm粘结砂浆固定于20 mm水泥砂浆找平层和250 mm加气混凝土砌块基体，无机械连接，设计寿命25年。选取2×2布置4块600 mm×1200 mm标准板，含3个病理区和1个相对完好区，进行60 d连续监测。采用DIC高分辨率工业相机、环境传感器阵列、爬壁机器人部署回射高对比靶标和IoT同步传输；数据处理用滑动Z-score、环境分层、四分位距（Interquartile Range, IQR）与多参数并发报警及双准则验证。
研究结果：
3.1 监测实验与数据概览：对真实建筑开展超过60 d原位监测，每日约1.4百万位移数据点。直接分析高频原始数据计算不可行且分析次优，存在计算资源约束、低信噪比、极端自相关统计伪影以及可视化解释困难。采用滑动Z-score方法后，日数据优化至约170,000点，大幅降低计算量，并成功识别监测期内所有有记录结构事件。
3.2 监测结果：处理数据揭示60 d内ETICS立面变形行为。X轴和Y轴分别表示平行（面内）和法向（垂直、面外）墙面位移；Y轴面外位移更直接关联保温层脱粘，反映ETICS鼓胀或与基材分离，因此选Y轴位移为主要指标检测早期脱粘异常，X轴位移为辅助参考以区分永久损伤与可逆环境变形。四点比较显示位移突变，部分与极端环境变化一致，而多点连续偏差提示渐进损伤，区分可逆环境响应与不可逆结构异常对可靠预警必要。统计位移上升期环境参数并发升高，在1 min和30 min窗口、X/Y方向及总体汇总中呈不同响应模式。三种典型干扰情景下，经共模误差（common-mode error, CME）过滤后监测期无假警报。
3.3 早期预警结果：基于方法开发变形预警系统，用Python程序和IQR法识别相似环境条件下异常变形。系统在四个测量点均成功触发警报：P1–P4分别为40、75、67和60次，持续时间60.3–819.3 min；最大位移为X向12.91 mm（P4）和Y向10.9 mm（P1）。代表性P1在10月2日06:16–06:21出现显著异常，在温度0.60–5.60 °C、风速1.50–2.00 m/s、风向288–312°条件下均显示变形偏差，多独立环境参数同时异常表明真实结构事件。现场检查确认接缝Point-1/2t和Point-2/4s持续偏移为不可逆位移。P3在10月2日06:16–06:46也发生显著突然变形，环境归一化方法成功捕捉。该事件导致系统变形响应永久改变，验证了早期预警可行性。
讨论与结论：讨论部分围绕一栋存在严重既有ETICS损伤且多次维修的教学建筑开展60 d现场监测。四点记录显著位移响应并触发多次警报。10月2日重大不可逆结构异常被识别并确认，表现为渐进双向变形，与可逆环境响应明显可分，表明DIC可捕捉ETICS完整位移发展过程。监测中风向数据显著离散，经调查非设备误差，而是周围建筑、植被等复杂局部风场所致；与气象站宏观数据差异明显，在建筑密集区尤其突出。工程应用建议关键建筑立面安装局地风场监测设备。环境归一化预警方法无需材料参数，可定性识别ETICS损伤，并为多参数耦合建模奠定数据库基础。研究人员已与专业设备制造商建立合作，以提高远距离DIC监测精度并推动标准化应用。60 d监测为初步评估，一年后重复及周期监测必要，以验证阈值稳定性和表征渐进脱粘、微裂纹累积等慢速劣化。结论翻译：该研究开发并现场验证了用于ETICS退化早期预警的非接触监测框架。主要贡献为：(1) 建立新型现场DIC监测系统，可对在用建筑ETICS进行多点、非接触变形测量，由机器人靶标部署和IoT数据采集实现；(2) 提出环境归一化和双准则异常检测框架，无需材料参数或破坏性测试即可确定结构损伤起始和损伤进展出现；(3) 通过真实立面60 d连续监测证明系统可行性。系统记录面内最大位移12.91 mm、面外最大位移10.9 mm，双准则框架在四个测量点分别触发40、75、67和60次警报。10月2日不可逆结构异常被成功捕捉并经现场检查确认，表明该方法具有实际早期预警潜力。研究局限包括：仅监测一栋建筑立面、四个测点，统计普适性有限；60 d覆盖单一季节窗口，需多年性能验证；当前配置针对局部板级异常，整面全区域扫描仍是未来挑战。未来工作将扩展至不同结构构造建筑和更密集测量网格；计划一年后重复监测，以验证所提阈值稳定性并表征渐进脱粘、微裂纹累积等慢速劣化机制。
