尹婷婷

上海建工集團工程研究總院 上海 201114

1 背景

木結(jié)構(gòu)建筑因木材的生物質(zhì)特性，會受到環(huán)境中濕度和溫度的影響，產(chǎn)生開裂、腐朽、蟲蝕等影響結(jié)構(gòu)安全的問題。同時防火也是木結(jié)構(gòu)建筑領(lǐng)域廣受關(guān)注的問題。因而，為了保護木結(jié)構(gòu)建筑主體、延長其使用壽命以及確保建筑的居住安全，必須對木結(jié)構(gòu)建筑采取防腐、防潮、防火的監(jiān)測措施。由于信息技術(shù)的進步，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)逐漸應(yīng)用到建筑工程監(jiān)測領(lǐng)域，并取代傳統(tǒng)監(jiān)測手段，使得離線、間斷的數(shù)據(jù)變?yōu)樵诰€、實時，成為建筑信息化的趨勢。本研究建立了基于物聯(lián)網(wǎng)的木結(jié)構(gòu)溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)，其中預(yù)警功能是監(jiān)測系統(tǒng)的核心功能之一。通過對各類傳感器實時監(jiān)測信息加以處理和分析，監(jiān)測木結(jié)構(gòu)的溫濕度狀況，對于有可能因溫濕度發(fā)生的災(zāi)害或缺陷及時作出預(yù)警，采取有效措施來規(guī)避或減輕災(zāi)害帶來的損失。如何設(shè)定科學(xué)合理的預(yù)警體系和監(jiān)測數(shù)據(jù)的預(yù)警限值是木結(jié)構(gòu)建筑監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)揮監(jiān)測功能的關(guān)鍵之一，本文對木結(jié)構(gòu)溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測內(nèi)容和預(yù)警限值的設(shè)定進行了探討。

2 預(yù)警指標(biāo)確定

在木結(jié)構(gòu)建筑溫濕度監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)中，選取合理的預(yù)警指標(biāo)關(guān)乎預(yù)警體系的功能實現(xiàn)。國家標(biāo)準(zhǔn)《裝配式木結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[1]《多高層木結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[2]規(guī)定長期監(jiān)測的內(nèi)容可包括：環(huán)境相對濕度、環(huán)境溫度和木材含水率監(jiān)測。環(huán)境溫、濕度變化使木材內(nèi)部含水率發(fā)生變化，監(jiān)測環(huán)境溫、濕度是監(jiān)測其他指標(biāo)的前提。木材中水分的質(zhì)量與木材質(zhì)量之比的百分數(shù)稱之為木材含水率。木材細胞壁含水率（吸著水）在飽和狀態(tài)，且細胞腔無自由水時的含水率，稱纖維飽和點，通常為30%。在纖維飽和點以下時，木材材體積和性能隨著含水率變化而變化；當(dāng)達到纖維飽和點時，木材體積和性能基本不發(fā)生變化。木材含水率的變化會導(dǎo)致木材物理力學(xué)性能變化，過高、過低或變化嚴(yán)重會直接造成干縮裂縫、腐朽，監(jiān)測含水率可直接監(jiān)測木構(gòu)件的健康狀況。同時，來自建筑物外部和內(nèi)部潮濕源可能使封閉區(qū)域如墻體、樓板、屋蓋等內(nèi)部產(chǎn)生損害性水分的積聚，封閉區(qū)域還存在線路著火的風(fēng)險。因此封閉區(qū)域內(nèi)部溫、濕度也需要被監(jiān)測，以判斷內(nèi)部區(qū)域是否存在積聚水分、漏水或者著火狀況。因此，本文設(shè)計的監(jiān)測系統(tǒng)對于木結(jié)構(gòu)長期監(jiān)測指標(biāo)包括環(huán)境相對濕度、環(huán)境溫度、封閉區(qū)域濕度、封閉區(qū)域溫度和木材含水率。以對木結(jié)構(gòu)建筑安全狀況的影響選定3個預(yù)警指標(biāo)，包括：封閉區(qū)域濕度、封閉區(qū)域溫度和木材含水率。

3 預(yù)警機制設(shè)計

在監(jiān)測指標(biāo)出現(xiàn)異常波動時，如何及時、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)并報警尤其重要。預(yù)警方法之一是采用設(shè)定閾值上、下限的方式識別異常波動，即監(jiān)測指標(biāo)異常識別基于歷史數(shù)據(jù)，獲取數(shù)值范圍，當(dāng)實際值在該范圍以外或超出某一閾值時，即認為數(shù)據(jù)異常。另一種預(yù)警方法是采用預(yù)測模型識別異常波動。通過監(jiān)測指標(biāo)歷史數(shù)據(jù)或者計算模型的輸入，輸出當(dāng)前時間點的預(yù)測值，并通過將預(yù)測值和實際值進行比較，檢測數(shù)據(jù)是否異常。統(tǒng)計學(xué)中的中心極限定理認為大量統(tǒng)計獨立的隨機變量的和的分布趨于正態(tài)分布，根據(jù)這一定理的結(jié)論，認為誤差值近似于正態(tài)分布[3]。所以可利用歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)的誤差值來計算當(dāng)前值的置信區(qū)間，當(dāng)數(shù)值落在95%置信區(qū)間時，數(shù)值正確，超出部分則認為數(shù)據(jù)異常；或者可參照制定的預(yù)警規(guī)則進行判斷，及時報警[4]。本系統(tǒng)的預(yù)警方法采用設(shè)定閾值上、下限的方式進行預(yù)警。預(yù)警系統(tǒng)方案設(shè)計如圖1所示：

圖1 預(yù)警系統(tǒng)方案

木結(jié)構(gòu)溫濕度及水分、火災(zāi)等監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)流程為：

1）采用監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊，獲取環(huán)境溫濕度，封閉區(qū)域溫度、濕度，木材含水率參數(shù)。將數(shù)據(jù)進行預(yù)處理并將含水率進行轉(zhuǎn)換，對相關(guān)指標(biāo)預(yù)估。

2）參照木結(jié)構(gòu)含水率、溫度、濕度危害指標(biāo)閾值，識別異常數(shù)據(jù)，確定當(dāng)前的狀態(tài)。

3）根據(jù)預(yù)警規(guī)則進行判定，若產(chǎn)生相應(yīng)的警情，將結(jié)果顯示在木結(jié)構(gòu)溫濕度預(yù)警系統(tǒng)的預(yù)警界面，提醒用戶采取防御措施。

4 預(yù)警閾值設(shè)計

閾值設(shè)置的合理性是預(yù)警體系能正常履行預(yù)警任務(wù)以及擁有一定容錯率的關(guān)鍵，閾值設(shè)置過低將會導(dǎo)致頻繁誤報警，浪費人力、物力；閾值設(shè)置過高時，安全預(yù)警體系靈敏度得不到保障。預(yù)警閾值根據(jù)歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)樣本統(tǒng)計值、最不利災(zāi)害值、設(shè)計規(guī)范限值綜合確定。

4.1 木材含水率預(yù)警值設(shè)計

在預(yù)警指標(biāo)中，木材含水率是最重要的指標(biāo)。木材含水率預(yù)警值設(shè)計可根據(jù)歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)樣本統(tǒng)計值、最不利災(zāi)害值、設(shè)計規(guī)范限值綜合確定。

4.1.1 設(shè)計規(guī)范限值

木材含水率《木結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定構(gòu)件木材含水率范圍在8%～20%。具體制作構(gòu)件時，木材含水率應(yīng)符合下列規(guī)定：板材、規(guī)格材和工廠加工的木方不應(yīng)大于19%； 木方、原木構(gòu)件不應(yīng)大于20%；木方、原木受拉構(gòu)件的連接板不應(yīng)大于18%；作為連接件時不應(yīng)大于15%；結(jié)構(gòu)復(fù)合材不應(yīng)大于15%；膠合木層板和正交膠合木層板應(yīng)為8%～15%，且同一構(gòu)件各層木板間的含水率差別不應(yīng)大于5%。

4.1.2 歷史平衡含水率監(jiān)測統(tǒng)計值

木材具有吸放濕特性，當(dāng)外界的溫濕度條件發(fā)生變化時，木材能從外界吸收水分或向外界釋放水分，從而與外界達到一個新的水分平衡體系，此時木材的含水率為該溫濕度下的平衡含水率[5]。John F. Siau[6]對環(huán)境溫度21、61、100 ℃下木材與水分的關(guān)系進行了研究，得出木材的水分吸附等溫線。表明隨著環(huán)境溫濕度的變化，木材的含水率也變化，從木材吸附等溫線可以推測一定環(huán)境下木材的含水率。根據(jù)歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)樣本統(tǒng)計值，生成環(huán)境溫度濕度平衡含水率查對表（表1），預(yù)測木材含水率，用于采用預(yù)測模型識別異常波動的預(yù)警方法。

根據(jù)歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)樣本統(tǒng)計值，可以統(tǒng)計監(jiān)測區(qū)域的平衡含水率最大值和最小值，確定預(yù)警閾值上、下限。表2是我國各地區(qū)的木材平衡含水率值（根據(jù)1951—1970年氣象資料查定）[7]，根據(jù)全國木材平衡含水率最低值和最高值，確定我國木材平衡含水率范圍區(qū)間在7.2%～19.8%。

4.1.3 最不利災(zāi)害值

木材的含水率必須科學(xué)合理地控制在與使用環(huán)境空氣狀態(tài)下的平衡含水率相適應(yīng)的程度才能保持質(zhì)量和尺寸的穩(wěn)定性及耐久性。當(dāng)木材含水率等于或小于當(dāng)?shù)鼗蚴褂脠鏊静钠胶夂?，如?%～3%，木材質(zhì)量和尺寸基本保持穩(wěn)定，當(dāng)木材含水率低于10%時，木材容易產(chǎn)生開裂破壞[8]；當(dāng)木材含水率過大，木材會腐朽，或因含水率變化過快造成開裂等問題。水分含量是生物攻擊木材的一個關(guān)鍵因素，通常含水率超過18%～20%的木材容易受到真菌侵害而腐朽。

表1 溫度濕度平衡含水率查對

表2 我國各省份的木材平衡含水率值

綜合以上，按照設(shè)計規(guī)范限值，木材含水率范圍在8%～20%；按照全國歷史平衡含水率監(jiān)測統(tǒng)計值木材平衡含水率范圍在7.2%～19.8%；按照最不利災(zāi)害值低于10%木材容易產(chǎn)生開裂破壞，18%～20%的木材可能存在腐朽風(fēng)險。因此木材含水率安全預(yù)警區(qū)間應(yīng)在10%～18%。根據(jù)地區(qū)不同、木材含水率安全預(yù)警區(qū)間或建筑功能不同可進行調(diào)整。

4.2 封閉區(qū)域溫度預(yù)警值設(shè)計

封閉區(qū)域溫度在木結(jié)構(gòu)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中未要求，且無歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)，因此本文根據(jù)最不利災(zāi)害值推斷溫度預(yù)警值。

溫度的監(jiān)測是為了預(yù)防封閉區(qū)域內(nèi)部著火。結(jié)構(gòu)封閉墻體或屋頂主要由3種材料組成，木材、玻纖保溫棉和刨花板（OSB）。根據(jù)最不利災(zāi)害值應(yīng)分別確定木材、玻纖保溫棉和刨花板（OSB）引火點溫度或有害溫度。其中，玻纖保溫棉具有不燃性。木材和刨花板（主要材料為木材）的引火點溫度在180 ℃。除此之外，溫度還影響木材的強度。木材主要有纖維素、半纖維素、木質(zhì)素三大成分組成，試驗證明，纖維素在140 ℃以上受熱發(fā)生降解，影響結(jié)構(gòu)強度；高于180 ℃時，纖維互熱裂程度逐漸增大，高于250 ℃時，纖維素會發(fā)生劇烈降解。有研究表明木材在130 ℃干燥的情況下，木質(zhì)素發(fā)生了降解作用，從而影響強度，因此，當(dāng)溫度低于130 ℃時，木材的強度不會受到影響。考慮到目前沒有溫度的歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)參考，以木材的降解溫度和3大材料的燃點取最小值設(shè)置為預(yù)警閾值上限為130 ℃。由于低溫的危害較少，因此不設(shè)預(yù)警值下限。

4.3 封閉區(qū)域濕度預(yù)警值設(shè)計

封閉區(qū)域濕度因規(guī)范無要求，且缺少歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)，預(yù)警值設(shè)計可根據(jù)最不利災(zāi)害值綜合確定。根據(jù)最不利災(zāi)害值，當(dāng)封閉區(qū)域濕氣外泄或漏水，長時間積聚水分時，其狀態(tài)應(yīng)該按100%濕度考慮。雖然封閉區(qū)域濕度無長期監(jiān)測數(shù)據(jù)，但可參考各地區(qū)相對濕度歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)。根據(jù)文獻[9]可知，國內(nèi)各地區(qū)月平均相對濕度范圍最低值15%，最高值90%。因此，綜合考慮設(shè)計封閉區(qū)域濕度預(yù)警閾值上限為90%，同樣低濕度也不會引起危害，因此不設(shè)置預(yù)警值下限。

以上預(yù)警閾值上限90%是考慮全國濕度范圍設(shè)計而來，由于各個地區(qū)的氣候差異較大，封閉區(qū)域濕度預(yù)警值設(shè)計可根據(jù)地區(qū)而調(diào)整。以上海為例，月平均相對濕度在64%～78%之間，預(yù)警閾值上限90%較合理。以呼和浩特為例，月平均相對濕度在29%～58%之間，預(yù)警閾值上限90%則可能較大。因此，需要進行長期監(jiān)測以判斷是否封閉區(qū)域的常態(tài)濕度與環(huán)境濕度的關(guān)系，進行預(yù)警閾值和災(zāi)害值的設(shè)置。

4.4 預(yù)警等級設(shè)定

綜合考慮木材含水率預(yù)警值、封閉區(qū)域溫度預(yù)警值、封閉區(qū)域濕度預(yù)警值及其危害進行預(yù)警等級設(shè)定。主要根據(jù)木材含水率的危害程度將警情分為無警、輕警、中警和重警。木材含水率安全預(yù)警區(qū)間應(yīng)在10%～18%，在此區(qū)間基本處于所在地區(qū)的平衡含水率，木材所處環(huán)境安全。當(dāng)木材長期處于潮濕的環(huán)境下，木材的含水率可能會大于18%，18%～20%容易受到真菌侵害。當(dāng)木材長期處于積水環(huán)境的情況下，木材中的水分飽和，其含水率值會達到30%及以上。封閉區(qū)域溫度預(yù)警值上限為130 ℃，封閉區(qū)域濕度預(yù)警值上限為90%。設(shè)計好預(yù)警的等級及各等級的預(yù)警限值之后，還要對每一等級所要采取的措施進行預(yù)設(shè)，以提示工作人員采取適當(dāng)?shù)拇胧?，實現(xiàn)監(jiān)測的目的，保證結(jié)構(gòu)的安全。通常可以分為加強對監(jiān)測點的監(jiān)視、查看構(gòu)件的實際狀況等。預(yù)警限值及采取的措施設(shè)計如表3所示。

表3 木結(jié)構(gòu)溫濕度預(yù)警指標(biāo)和預(yù)警規(guī)則

5 結(jié)語

本文對木結(jié)構(gòu)建筑溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的預(yù)警機制進行了探討，最終設(shè)計形成了木結(jié)構(gòu)建筑溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的預(yù)警指標(biāo)、預(yù)警方法、預(yù)警體系、預(yù)警閾值和預(yù)警等級規(guī)則，實現(xiàn)了木結(jié)構(gòu)溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)安全預(yù)警功能。其中，預(yù)警閾值綜合參考文獻和各項研究結(jié)果得到了最不利危害指標(biāo)，為預(yù)警級別和預(yù)警規(guī)則的制定提供了理論依據(jù)。而封閉區(qū)域因缺乏長期監(jiān)測的結(jié)果，今后應(yīng)該進行木結(jié)構(gòu)工程的長期監(jiān)測，研究監(jiān)測結(jié)果與危害的關(guān)系，不斷更新和豐富木結(jié)構(gòu)溫濕度監(jiān)測預(yù)警閾值和預(yù)警規(guī)則，提高預(yù)警的準(zhǔn)確性。