当一辆卡车隆隆驶过建筑物时，震动可以向上传到建筑物的屋顶，然后再向下，在其间的楼层和横梁之间产生短暂的震动。

现在，麻省理工学院的研究人员开发了一种计算模型，可以对这种环境振动进行分析，从噪音中挑选出建筑物稳定性的关键特征。该模型可用于长期监测建筑物的损伤迹象或机械应力。该团队的研究结果在线发表在《机械系统与信号处理》杂志上。

麻省理工学院土木与环境工程系(CEE)教授Oral Buyukozturk说:“更广泛的含义是，在像地震这样的事件发生后，我们会立即看到这些特征的变化，以及系统是否以及在哪里受到了破坏。”“这为建筑提供了持续监测和数据库，就像一本健康书籍，随着时间的变化，就像一个人的血压随着年龄的变化一样。”

Buyukozturk的合著者孙浩(音译)是一名中东欧博士后，也是这篇论文的第一作者;Aurélien地球、大气与行星科学系(EAPS)博士后Mordret;Germán Prieto, EAPS的Cecil和Ida Green职业发展助理教授;以及EAPS教授M. Nafi Toksöz。

把生命体征

该团队在麻省理工学院的绿色建筑上测试了他们的计算模型——这是一座完全由钢筋混凝土建造的21层研究大楼。这座建筑是由建筑设计师、麻省理工学院校友贝聿铭在20世纪60年代设计的，是马萨诸塞州剑桥市最高的建筑。2010年，Toksöz和麻省理工学院的其他人与美国地质调查局合作，为绿色建筑安装了36个加速度计，记录从建筑地基到屋顶选定楼层的振动和运动。

“这些传感器代表了一个嵌入式神经系统，”布尤科兹特克说。“挑战是从传感器的数据中提取生命体征，并将它们与建筑的健康特征联系起来，这一直是工程界的一个挑战。”

为了做到这一点，该团队首先以有限元模型的形式建立了绿色建筑的计算机模拟——一种代表大型物理结构及其所有底层物理的数值模拟，作为一个更小、更简单的细分集合。在绿色建筑的案例中，研究人员建立了一个高保真的有限元模型，然后将各种参数插入模型，包括每层混凝土墙、板、梁和楼梯的强度和密度。

在设计模型时，研究人员应该能够在模拟中引入一种激励——例如，像卡车一样的振动——模型将预测建筑物及其各种元素将如何响应。

Buyukozturk指出:“但这个模型使用了很多关于建筑材料、几何形状、元素厚度等的假设，这些假设可能并不完全符合建筑的结构。”“因此，我们正在用实际测量数据更新模型，以便能够更好地了解这栋建筑可能发生了什么。”

开采特征

为了更准确地预测建筑物对环境振动的反应，研究小组从绿色建筑的加速度计中挖掘数据，寻找与建筑物刚度或其他健康指标直接对应的关键特征。为了更有效地做到这一点，该团队开发了一种新的方法，利用地震干涉计量概念来描述振动从地面传播到屋顶时的模式变化。

Buyukozturk解释说:“我们观察地基层面，看看卡车在那里引起了什么运动，然后看看这种振动如何在速度和方向上向上和水平传播。”

研究人员将这个方程添加到他们的绿色建筑模型中，并多次运行该模型，每次都使用加速度计在给定时间点上的一组测量值。总之，该小组插入了模型振动测量，在2015年5月连续进行了两周的时间。

Buyukozturk说:“随着时间的推移，我们正在使用更多的数据，不断使我们的计算系统变得更加智能。”“我们相信，如果大楼有损坏，我们的系统会显示出来。”

智能建筑

那么，自50多年前建成以来，绿色建筑进展如何呢?

Buyukozturk说:“这座建筑是安全的，但它会受到很大的震动，尤其是在上层。”“建筑建在松软的土地上，一个方向长，另一个方向窄，两端都有坚硬的混凝土墙。因此，它表现为扭转运动和摇晃，特别是在刮风的日子，”他说。

该团队计划通过实验室实验验证其计算模型。研究人员已经建造了一个4米高的建筑结构的复制品，他们将在上面安装加速度计。他们将研究环境振动的影响，以及结构对锤击和其他地震刺激的反应。该团队还在马萨诸塞州的沃本(Woburn)建造了一个大型钢结构，大约有手机发射塔那么大，并将进行类似的实验，最终将有助于完善研究人员的计算模型。

该研究的第一作者孙浩说:“我可以设想，在未来，这样的监测系统将安装在我们全市的所有建筑上。”“配备了传感器和中央处理算法，这些建筑将变得智能化，并将实时感知自己的健康状况，并可能对极端事件具有弹性。”

这项研究部分由荷兰皇家壳牌通过麻省理工学院能源计划提供资金，科威特-麻省理工学院签名项目通过科威特科学促进基金会和科威特-麻省理工学院自然资源和环境中心提供资金。

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