羅海艷 顏軍 蔣連接

摘 要： 針對建筑裝配式鋼結(jié)構(gòu)抗震性能檢測，由于采用傳統(tǒng)系統(tǒng)信息采集不詳細問題，導(dǎo)致檢測效果較差，提出基于BIM的建筑裝配式鋼結(jié)構(gòu)抗震性能檢測系統(tǒng)設(shè)計。根據(jù)BIM抗震檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分析傳感節(jié)點基本功能，并設(shè)計傳感器節(jié)點電路圖，通過射頻通信方式進行處理，可將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綑z測基站中。利用掃描信道來構(gòu)建檢測基站，可收集全部數(shù)據(jù)，通過RS 232總線接口傳輸?shù)絇C主機中。依據(jù)BIM抗震性能檢測模型對硬件結(jié)構(gòu)進行程序設(shè)計，將入網(wǎng)節(jié)點傳送給檢測基站，再由PC主機進行處理，由此實現(xiàn)抗震性能檢測系統(tǒng)的設(shè)計。通過實驗對比結(jié)果可知，該系統(tǒng)最高檢測效果可達到90%以上，為促進鋼結(jié)構(gòu)抗震應(yīng)用提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞： BIM； 鋼結(jié)構(gòu)； 建筑裝配式； 抗震； 檢測； 傳感器； 檢測基站

中圖分類號： TN911?34； TU3 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）19?0108?05

Abstract： Since the traditional building assembly steel structure seismic performance detection system can′t acquire the detailed information， and has poor detection effect， the design of BIM?based building assembly steel structure seismic performance detection system is proposed. According to the structure of the seismic detection system based on BIM， the basic functions of the sensor nodes are analyzed， and the circuit diagram of the sensor nodes is designed. The data can be transmitted to the detection base station by means of the radio frequency communication. The scanning channel is used to construct the detection base station， collect all the data， and then the data is transmitted to PC through the RS 232 bus interface. According to the BIM seismic performance detection model， the hardware structure is programmed， in which the network node is transmitted to the detection base station， and processed by PC to realize the design of the seismic performance detection system. The experimental contrast results show that the maximum detection effect of the system can reach up to 90%， and can provide the guidance for the seismic application of steel structure.

Keywords： BIM； steel structure； building assembly； aseismic structure； detection； sensor； detection base station

0 引 言

我國屬于多地震國家，許多地方發(fā)生的地震會對地面建筑物產(chǎn)生重大損失，甚至出現(xiàn)人員傷亡現(xiàn)象，因此對建筑物抗震性能檢測是至關(guān)重要的。在已有的建筑體系中，鋼結(jié)構(gòu)作為主要建筑結(jié)構(gòu)，在裝配式建筑中得到了廣泛應(yīng)用。不同的結(jié)構(gòu)形式，抗震性能明顯不同。以往混凝土建筑結(jié)構(gòu)房屋受壓能力較好，但是抗震效果較差，房屋在地震循環(huán)負荷情況下容易發(fā)生整體塌陷。而鋼結(jié)構(gòu)具有良好的延展性，可抵消地震產(chǎn)生的地震波，憑借自身特有的高延展性減輕了地震反應(yīng)。為了檢驗鋼結(jié)構(gòu)抗震性能，設(shè)計抗震性能檢測系統(tǒng)，在抗震性能檢測實驗里，模擬地震振動信號要經(jīng)過必要的處理，應(yīng)用信號傳輸設(shè)備進行分析，可有效檢測建筑裝配式鋼結(jié)構(gòu)抗震效果。傳統(tǒng)方法采用雙絞線綜合布線方式對建筑裝配式鋼結(jié)構(gòu)抗震性能進行分析，通過互相絞合方式抵抗一部分電磁波的干擾，但無法抵御全部電磁波，導(dǎo)致抗震性能檢測效果較差，為了解決該問題，本文提出基于BIM的建筑裝配式鋼結(jié)構(gòu)抗震性能檢測系統(tǒng)設(shè)計。

1 建筑裝配式鋼結(jié)構(gòu)抗震性能檢測系統(tǒng)設(shè)計

基于BIM建筑裝配式鋼結(jié)構(gòu)抗震性能檢測與傳統(tǒng)檢測不同，該方法是以鋼結(jié)構(gòu)項目信息數(shù)據(jù)作為核心，供多個專業(yè)協(xié)同評估與管理。

1.1 檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計

在建筑裝配式鋼結(jié)構(gòu)檢測系統(tǒng)上添加傳感器，并將其與檢測基站設(shè)備連接在一起，可構(gòu)成檢測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

由圖1可知：在BIM建筑模型下，使用微處理器對采集到的數(shù)據(jù)進行處理，并傳送到基站設(shè)備中，可檢測建筑裝配式鋼結(jié)構(gòu)抗震性能。

1.1.1 傳感器節(jié)點設(shè)計

針對無線傳感節(jié)點進行設(shè)計，基本框圖如圖2所示。

由圖2可知，設(shè)計無線傳感節(jié)點可采集地震信號，利用射頻通信方式對信號進行處理，將處理后的數(shù)據(jù)全部傳輸?shù)綑z測基站設(shè)備中。具體傳輸電路設(shè)計如圖3所示。

由圖3可知，傳感器節(jié)點由處理節(jié)點、數(shù)據(jù)存儲節(jié)點、傳感節(jié)點組成。存儲器選擇FLASHAT45DB041型號芯片，具有功率消耗低，電路連接簡單的優(yōu)勢，適合傳感器節(jié)點使用。

1.1.2 檢測基站設(shè)備設(shè)計

檢測基站設(shè)備是為了構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，接收來自傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)，同時將數(shù)據(jù)進行融合，并轉(zhuǎn)發(fā)給PC主機。針對檢測基站設(shè)備進行設(shè)計，基本框圖如圖4所示。

由圖4可知，檢測基站通過掃描信道來組件通信網(wǎng)絡(luò)，等待上述傳感器節(jié)點的加入。傳感器節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)后，檢測基站立即進入休眠狀態(tài)，直到產(chǎn)生振動信號為止，可收集全部數(shù)據(jù)，通過RS 232總線接口傳輸?shù)絇C主機中。

1.2 系統(tǒng)軟件流程設(shè)計與實現(xiàn)

基于BIM的建筑裝配式鋼結(jié)構(gòu)抗震性能檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計主要是對硬件中的傳感器節(jié)點程序和檢測基站程序進行設(shè)計。建筑信息模型BIM以建筑工程項目數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過數(shù)字信息仿真所具有的真實信息，利用三維建筑模型，實現(xiàn)數(shù)字化管理。BIM模型構(gòu)建如圖5所示。

基于二維圖紙模型信息，構(gòu)建受力結(jié)構(gòu)三維BIM模型。該模型的構(gòu)建在Revit軟件平臺上進行，對于建筑鋼結(jié)構(gòu)抗震性能檢測的細節(jié)，主要依據(jù)建筑專業(yè)施工圖紙中局部詳細內(nèi)容進行細化處理，由此提高系統(tǒng)檢測可靠性。

1.2.1 傳感器節(jié)點軟件流程設(shè)計

傳感器節(jié)點軟件流程主要是實現(xiàn)地震信號采集、處理和基站通信的過程，傳感器節(jié)點軟件流程設(shè)計如圖6所示。

由圖6可知：對傳感器節(jié)點進行初始化處理，等待請求連接命令的下達，如果連接成功，傳感器則接收到休眠請求，否則返回到上一步驟。與此同時，連接成功使數(shù)據(jù)全部發(fā)送出去，此時解除休眠。

當(dāng)傳感器節(jié)點接收到數(shù)據(jù)發(fā)送信號后，開始向檢測基站發(fā)送請求分配命令，等待接收地址分配信號的下達。如果沒有接收到分配信號，則需經(jīng)過隨機延時再次發(fā)出分配請求，不斷重復(fù)該步驟，直到接收到地址分配信息即可。當(dāng)收到地址分配信息以后，需記錄自身節(jié)點地址，并傳送給檢測基站，直到返回一個地址確認信號可完成節(jié)點入網(wǎng)過程。

1.2.2 檢測基站軟件流程設(shè)計

檢測基站作為主要節(jié)點，能夠接收來自射頻模塊的初始化、查詢信道、接收傳感器等數(shù)據(jù)，針對該部分程序設(shè)計如下所示：

1） 開始加電；

2） 設(shè)備初始化處理；

3） 初始化是否成功，如果成功，則需要查詢信道；如果失敗，則需返回到步驟2）；

4） 檢驗查詢是否成功，如果成功，則需設(shè)置自身節(jié)點；如果失敗，則需繼續(xù)查詢。如果查詢次數(shù)大于設(shè)定的固定值，則進入休眠狀態(tài)，否則返回到步驟3）；

5） 允許傳感器節(jié)點入網(wǎng)；

6） 將傳感器節(jié)點設(shè)置為休眠狀態(tài)，如果設(shè)置成功，則查看節(jié)點是否有需要發(fā)送的數(shù)據(jù)。如果失敗，則需返回到步驟5）；

7） 如果節(jié)點有需要發(fā)送的數(shù)據(jù)，則查看是否收到數(shù)據(jù)，若收到，則轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。若沒有收到，則需需返回到步驟6）。

當(dāng)檢測基站接收到傳感器節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，則需將其傳輸給電腦端主機進行處理，并繼續(xù)對網(wǎng)絡(luò)進行檢測，保證其他節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)不會缺失，多次迭代，直至全部數(shù)據(jù)都被檢測出來。

根據(jù)BIM抗震檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，使用中央微處理器對傳感器節(jié)點上獲得的數(shù)據(jù)進行處理，應(yīng)用無線通信方法把數(shù)據(jù)傳送到基站設(shè)備中。依據(jù)該原理，分析無線傳感節(jié)點基本結(jié)構(gòu)，并對其電路圖進行設(shè)計。而檢測基站通過掃描信道來組件通信網(wǎng)絡(luò)，等待上述傳感器節(jié)點加入，方便系統(tǒng)檢測。針對這兩部分的功能進行軟件程序設(shè)計，保證在二維圖紙上，構(gòu)建受力結(jié)構(gòu)的三維模型，使系統(tǒng)具有可靠的檢測效果。

2 實 驗

為了驗證基于BIM的建筑裝配式鋼結(jié)構(gòu)抗震性能檢測系統(tǒng)設(shè)計研究是否合理，做出下述實驗。

2.1 實驗參數(shù)設(shè)置

實驗參數(shù)設(shè)置如表1所示。

2.2 實驗環(huán)境分析

據(jù)統(tǒng)計，我國地震局接收到的地震次數(shù)每年可達到200多萬次，也就是每天都要發(fā)生上千次，其中絕大多數(shù)都是太小或距離地面太遠，以至于人體感覺不到，必須使用地震儀才可記錄下來。針對實驗環(huán)境設(shè)置，可選擇2017年5月某天地震數(shù)據(jù)，大致方位可確定為距離地面12 km處，地震源發(fā)射情況如圖7所示。

根據(jù)圖7所示地震環(huán)境，可進行實驗驗證分析。

2.3 實驗結(jié)果與分析

根據(jù)上述實驗環(huán)境，將傳統(tǒng)系統(tǒng)與基于BIM的抗震性能檢測系統(tǒng)對比分析。

采用這兩種系統(tǒng)檢測到的地震波形如圖8所示。

通過無線通信連接檢測基站設(shè)備，利用RS 232接口將數(shù)據(jù)傳送至PC主機。通過圖8對比結(jié)果可知，采用傳統(tǒng)系統(tǒng)獲取的地震波形不明顯，且波動范圍較小，而采用基于BIM系統(tǒng)獲取的地震波形較為明顯，且波動范圍較大。

依據(jù)上述兩種系統(tǒng)檢測的地震波形可知，傳統(tǒng)系統(tǒng)地震波形不如基于BIM系統(tǒng)獲取的地震波形明顯，為了驗證BIM系統(tǒng)對建筑裝配式鋼結(jié)構(gòu)抗震性能檢測效果良好，做出分析，具體結(jié)果如圖9所示。

由圖9對比可知，當(dāng)檢測時間為0.1 s時，采用傳統(tǒng)系統(tǒng)的檢測效果為50%，而基于BIM系統(tǒng)的檢測效果為79%；當(dāng)檢測時間為0.3 s時，采用傳統(tǒng)系統(tǒng)的檢測效果為46%，而基于BIM系統(tǒng)的檢測效果為68%；當(dāng)檢測時間為0.6 s時，采用傳統(tǒng)系統(tǒng)的檢測效果為58%，而基于BIM系統(tǒng)的檢測效果為83%；當(dāng)檢測時間為0.8 s時，采用傳統(tǒng)系統(tǒng)的檢測效果為55%，而基于BIM系統(tǒng)的檢測效果為79%。由此可知，采用BIM系統(tǒng)檢測效果較好。

2.4 實驗結(jié)論

根據(jù)上述實驗內(nèi)容，可得出實驗結(jié)論：當(dāng)檢測時間在0.1 s以內(nèi)時，采用傳統(tǒng)系統(tǒng)與BIM系統(tǒng)的檢測效果都有較大幅度變化，當(dāng)時間超過0.1 s時，兩種系統(tǒng)檢測效果變化幅度較小，且當(dāng)時間為0.68 s時，基于BIM系統(tǒng)的檢測效果達到90%以上。

3 結(jié) 語

本文通過實驗驗證了基于BIM系統(tǒng)的檢測效果較好，最高可達到90%以上。利用高效率檢測系統(tǒng)，結(jié)合BIM建筑模型可準確檢測鋼結(jié)構(gòu)抗震性能，使建筑裝配式鋼結(jié)構(gòu)在房屋建設(shè)中達到良好的使用效果。

雖然該系統(tǒng)檢測效果較好，但去除干擾回波是急需解決的問題，因此，后續(xù)還需結(jié)合相關(guān)地震資料，進一步研究地震信息特征。

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