劉朋 曹海軍

（1.南京浦口城鄉(xiāng)水務發(fā)展有限公司 江蘇南京 210000 2.南京東大巖土工程勘察設計研究院有限公司 江蘇南京 210000）

0 引言

供水工程相關的建（構(gòu)）筑物的健康運營是廣大市民用水安全的保障，近年來，隨著城鄉(xiāng)建筑的大規(guī)模建設，地下工程開發(fā)與施工、水管的老化破損漏水等引起臨近供水工程建（構(gòu)）筑物變形破壞現(xiàn)象時有發(fā)生，嚴重影響高速發(fā)展中的城市生活質(zhì)量。水廠建筑的安全性能評估需要長期有效的實測數(shù)據(jù)作為支持，而傳統(tǒng)人工檢測方式存在反饋性、實時性、集成化程度較低，難以實現(xiàn)大規(guī)模的快速覆蓋，人為因素造成的誤差和疏漏不可避免等問題，難以滿足現(xiàn)代城市供水管理的需要。搭建基于物聯(lián)網(wǎng)技術的建筑變形自動化監(jiān)測平臺，實現(xiàn)對供水工程結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的實時感知[1]，及時提供預警和決策支持具有重要意義。

目前，許多自動化監(jiān)測項目缺少對實際經(jīng)濟效益的分析，而是投入高精尖的監(jiān)測設備，造成成本過高、設備不穩(wěn)定、技術參數(shù)上也存在一定浪費[2]。還有一些觀點認為傳統(tǒng)的人工監(jiān)測技術已經(jīng)非常成熟，沒有必要采用自動化監(jiān)測。本文結(jié)合某具體的廠房變形監(jiān)測實例，從技術性和經(jīng)濟效益兩方面闡述自動化監(jiān)測的特點，為更好地指導供水工程建（構(gòu)）筑物變形監(jiān)測技術選用，提高監(jiān)測效率并節(jié)約成本提供參考。

1 自動化監(jiān)測系統(tǒng)

水廠建筑的安全性評價指標主要包括傾斜、沉降與裂縫三個方面。目前人工監(jiān)測設備大都采用的是水準儀和全站儀。水準儀優(yōu)勢：測量精度高、穩(wěn)定性較好、價格低，但因采用方法為人工接觸式測量，對操作人員的技術有很高的要求，并且容易產(chǎn)生人為誤差，而且對于一些高、大建筑面，測量十分困難；全站儀的優(yōu)勢：可以對各建筑面的任意位置進行監(jiān)測，但效率較低，并且也容易產(chǎn)生人為誤差。另外，最近幾年也采用了一些新設備：如人工式近景攝影測量和便攜式激光測距儀等設備，但目前精度僅在mm級，且受環(huán)境影響明顯，有待進一步改進[4]。

本研究基于物聯(lián)網(wǎng)技術的自動化監(jiān)測系統(tǒng)主要包含了三層子系統(tǒng)，如圖1所示[5-6]。第一層為硬件層，具體是指在現(xiàn)場安裝的硬件包括：靜力水準儀、傾角計、裂縫計、解調(diào)儀和無線傳輸模塊。其中靜力水準儀、傾角計和裂縫計，用于獲取前述建筑安全性評價的三個指標，解調(diào)儀用于傳感器的數(shù)據(jù)采集，無線傳輸模塊將數(shù)據(jù)并上傳云端平臺。隨著電子與網(wǎng)絡通訊技術的快速發(fā)展，目前物理層方面的硬件已呈現(xiàn)大融合趨勢，市場已出現(xiàn)集感知、測量、分析與數(shù)據(jù)無線傳輸功能于一體的微型智能化傳感器。第二層為分析層，即數(shù)據(jù)通過無線傳輸發(fā)送到服務器，后臺程序?qū)?shù)據(jù)進行分析和管理。第三層為應用層，通過各種上網(wǎng)設備終端，如電腦、智能手機、智能平板等可查看監(jiān)測數(shù)據(jù)，一般會根據(jù)用戶的需求進行相應的定制化開發(fā)。

2 自動化監(jiān)測系統(tǒng)效益分析

自動化監(jiān)測技術各有優(yōu)缺點，相對于人工監(jiān)測而言，可提升監(jiān)測效率、范圍和精度。一方面，建筑場地越大，數(shù)量越大，重要性等級越高，自動化監(jiān)測效率高，實時性好，可觀測的范圍大。人工監(jiān)測對人員的要求高，同時容易產(chǎn)生人為誤差。自動化監(jiān)測設備精度和分辨率指標高于傳統(tǒng)人工設備，觀測精度整體更可靠。

此外，選用合適的監(jiān)測技術，除了要考慮技術方面，成本也是一個重要影響因素。變形監(jiān)測的工作量和精度要求是由：建筑物數(shù)量、面積和其重要性等級決定的。相比施工期，建筑的運營監(jiān)測一般精度要求更嚴格，而監(jiān)測頻次相對較低，但當建筑運營期出現(xiàn)安全隱患時，監(jiān)測頻次則會大大增加，及時預警預報險情可以大幅降低經(jīng)濟損失，同時也為后期的加固修補措施提供參考和依據(jù)。下面將根據(jù)某實際供水廠房建筑變形監(jiān)測項目，做進一步的具體分析。

圖1 水廠建筑變形自動化監(jiān)測系統(tǒng)

3 工程實例

3.1 項目概況

經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，某水廠廠區(qū)內(nèi)反沖洗泵房與濾池廠房間（圖2陰影部分），出現(xiàn)明顯的差異沉降，造成散水排水溝拉裂，反沖洗風管撓曲，兩建筑間的地下供水管廊結(jié)構(gòu)頂板與墻體出現(xiàn)開裂，伴有漏水等現(xiàn)象。為了了解其沉降發(fā)展趨勢，分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，及時準確的掌握廠區(qū)連接處地下供水管廊的健康狀態(tài)，對反沖洗泵房和濾池廠房開展建筑變形安全監(jiān)測，根據(jù)相關規(guī)范確定預警值，保證廠區(qū)建筑結(jié)構(gòu)和供水管廊以及廠內(nèi)相關設備的運營安全。

圖2 項目建筑平面

從技術和經(jīng)濟效益來分析不同建（構(gòu)）筑物的變形監(jiān)測技術，擬定變形監(jiān)測技術的選擇流程：首先從工程性質(zhì)確定監(jiān)測技術參數(shù)；其次對應參數(shù)要求，選擇技術類型；再次計算各項成本；最后結(jié)合實際情況，選擇最優(yōu)方案。本項目最終制定了監(jiān)測方案，如圖3所示，差異沉降監(jiān)測點6處、垂直度監(jiān)測點4處，已有裂縫監(jiān)測點3處。

圖3 監(jiān)測方案

3.2 自動化監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建

在該項目中，由于廠房墻體傾斜方向不確定，同時考慮到設備的穩(wěn)定性，我們采用雙軸水平傾角計，精度達到0.01°；差異沉降測量選用新型的液壓式靜力水準儀，依據(jù)連通管原理的方法，水準儀內(nèi)的壓敏傳感器測量每個測點相對與端頭液位罐相對高差，得出不同測點相對沉降值，綜合精度±1‰；裂縫監(jiān)測選用無線拉繩式傳感器，通過將傳感器的兩個安裝孔固定在待測變形縫的兩邊，測定裂縫寬度的變化，精度達到0.05mm。

自動采集傳輸系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)采集模塊、無線傳輸模塊、采集儀及DTU集成在一起，其中將RS485數(shù)字信號外接太陽能供電系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)均安裝在樓頂。通過DTU中移動手機卡GPRS功能可將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至Internet網(wǎng)絡。根據(jù)本項目特點，定制開發(fā)了一套完整的水廠無線聯(lián)網(wǎng)終端監(jiān)控平臺APP。授權的系統(tǒng)用戶都可以通過手機、平板等上網(wǎng)設備遠程連接系統(tǒng)中心服務器，通過與建筑物的無線終端模塊聯(lián)網(wǎng)，客戶端可以365×24h登錄云端實時掌握建筑的基本狀態(tài)、查看現(xiàn)場數(shù)據(jù)，查詢歷史數(shù)據(jù)。

3.3 監(jiān)測結(jié)果分析

圖4為系統(tǒng)搭建后，得到的部分監(jiān)測結(jié)果，顯示2018年3月25日至2018年7月20日期間，反沖洗泵的墻體南北向變形呈現(xiàn)波動性增大趨勢，最大約0.060°，東西向整體呈現(xiàn)波動性變化，未見明顯增大趨勢，測值顯著低于南北向，最大約0.054°。根據(jù)《建筑變形測量規(guī)范》（JGJ 8—2016）中關于多層和建筑的整體傾斜的允許值規(guī)定[6-7]，當Hg≤24m，傾斜率不大于0.4%，即傾斜角度不大于0.23°，表明監(jiān)測周期內(nèi)，墻體傾斜程度尚未達到警戒值。另一方面V型濾池與反沖洗泵的差異沉降持續(xù)增加，預制蓋板裂縫開展累計變形約為3.53mm，監(jiān)測周期內(nèi)，超過0.15mm/d變形速率警戒值情況出現(xiàn)了5次，但該趨勢未有持續(xù)。

圖4 部分監(jiān)測結(jié)果

3.4 經(jīng)濟性對比

將自動化監(jiān)測替代人工常規(guī)監(jiān)測，從經(jīng)濟上的成本投入是工程上尤其不可忽視的重要因素。我們對這兩種監(jiān)測方法的具體費用進行了對比，如表1所示。

表1 人工常規(guī)監(jiān)測與自動化監(jiān)測費用對比

從兩種監(jiān)測手段的投入分析，常規(guī)監(jiān)測由于人力成本相對較高，在監(jiān)測點數(shù)確定情況下，費用主要取決于監(jiān)測次數(shù)。自動化監(jiān)測所需投入的材料費與定制化終端軟件成本較高，由于后期監(jiān)測過程中除必要的維護檢修外，人力成本大幅降低，因此此次方案比選中，自動化監(jiān)測的整體費用比常規(guī)監(jiān)測還要低約18%，考慮到常規(guī)監(jiān)測隨監(jiān)測次數(shù)增加近線性增加，而自動化化監(jiān)測在設備保修期內(nèi)，總費用幾乎不受監(jiān)測次數(shù)與時間的影響，性價比將更為突出。因此，自動化監(jiān)測技術比常規(guī)監(jiān)測更具優(yōu)勢。

4 結(jié)論

基于物聯(lián)網(wǎng)傳感技術，設計了建筑在線監(jiān)測的基礎系統(tǒng)，并將設計方案成功應用于水廠建筑的在線實時監(jiān)測，并且實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、分析、可視化及預警等功能，實現(xiàn)了實時監(jiān)測、實時預警并減少了人工干預。隨著自動化監(jiān)測技術的不斷成熟，建筑健康監(jiān)測的普及度將越來越高，并且無線監(jiān)測系統(tǒng)趨于標準化，形成健康監(jiān)測的統(tǒng)一性評判標準。另外，基于監(jiān)測得到的海量數(shù)據(jù)，通過大數(shù)據(jù)人工智能算法等對建筑進行損傷識別與量化、壽命預測將是該領域的重要發(fā)展方向。