孫彬洋，高霖，王明振，馮文靈

（重慶文理學(xué)院 土木工程學(xué)院，重慶 402160）

1 引言

我國社會、經(jīng)濟(jì)正處于一個高速發(fā)展的狀態(tài)，基礎(chǔ)設(shè)施和城鎮(zhèn)建設(shè)系統(tǒng)正在逐漸完善。目前，國內(nèi)一部分房屋已經(jīng)開始進(jìn)入老化階段，新的房屋數(shù)量正在大幅增長，房屋結(jié)構(gòu)的安全問題逐漸引起社會的廣泛關(guān)注。房屋結(jié)構(gòu)安全與人們的生命、財產(chǎn)安全緊緊相連。因此，需高度重視房屋結(jié)構(gòu)的安全性，最大限度地減少房屋垮塌等安全事故。

房屋結(jié)構(gòu)安全鑒定一般由專業(yè)人員通過對現(xiàn)場進(jìn)行勘察、檢測、結(jié)構(gòu)分析及驗算等方式綜合評定出房屋結(jié)構(gòu)的安全狀況，評定過程煩瑣，所需時間長，人工工作量大。合理使用動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)對房屋結(jié)構(gòu)狀態(tài)的安全情況進(jìn)行實時自動化監(jiān)測分析，可隨時掌握房屋結(jié)構(gòu)安全的情況，及時對房屋結(jié)構(gòu)異常發(fā)出預(yù)警，留出采取解決措施的黃金時間，以避免災(zāi)難的發(fā)生，延長房屋的安全使用年限。

隨著時代的變遷，人們的生活越發(fā)便利，智能化已經(jīng)成為未來發(fā)展的趨勢，房屋結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測也由曾經(jīng)低效率的人工監(jiān)測開始向儀器自動實時監(jiān)測轉(zhuǎn)變。為提高房屋安全性，建立一套實時在線、可遠(yuǎn)程操作的房屋健康安全監(jiān)測系統(tǒng)尤為重要。自動監(jiān)測系統(tǒng)大幅度克服了傳統(tǒng)人工高成本、低效率的缺點(diǎn)，并且實時掌握房屋結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)，能及時有效地發(fā)現(xiàn)其存在的安全隱患，及時采取解決措施，以保障人們的生命、財產(chǎn)安全。

2 房屋結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測指標(biāo)

房屋結(jié)構(gòu)安全事故多出現(xiàn)房屋坍塌、倒塌等狀況，經(jīng)過對多例相關(guān)安全事故的研究及分析，可知發(fā)生此類事故是多種危險因素共同造成的。在一定范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)變形或墻體開裂是允許的，但如果超過這個允許值，就可能會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)安全事故。

房屋結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測分為內(nèi)部和外部兩種監(jiān)測。外部監(jiān)測是指對房屋外形上的變化進(jìn)行監(jiān)測；內(nèi)部監(jiān)測是指對房屋結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力、強(qiáng)度、穩(wěn)定性變化的監(jiān)測。因為房屋結(jié)構(gòu)構(gòu)件損壞大多會在建筑外部有所體現(xiàn)，所以現(xiàn)有監(jiān)測通常以外部監(jiān)測為主，主要監(jiān)測指標(biāo)有以下3個方面。

2.1 傾斜

在房屋安全監(jiān)測中，傾斜需要重點(diǎn)監(jiān)測，它是判定房屋安全等級的重要指標(biāo)，也是房屋倒塌的主要特征。傾斜的發(fā)生主要源于房屋外部施工或地質(zhì)發(fā)生改變導(dǎo)致地基形成不均勻的沉降，還有房屋內(nèi)結(jié)構(gòu)構(gòu)件拆改導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的承載力減弱。監(jiān)測房屋傾斜的傳統(tǒng)方法是在房屋表面設(shè)置擺式傾角傳感器或加速式傾角傳感器或光纖光柵式傾角傳感器，將房屋的傾斜程度轉(zhuǎn)換成電或者光信號的變化，然后經(jīng)過放大信號、轉(zhuǎn)換等步驟以輸出模擬信號或脈沖信號。這3類傾角傳感器的區(qū)別在于角度敏感元件不同，所以各類傾角傳感器的適用范圍也不盡相同。

2.2 沉降

沉降分為均勻沉降和不均勻沉降兩種，它是房屋在垂直方向上發(fā)生的位置變化。均勻沉降對于房屋本身來說是安全的，它不會因為房屋產(chǎn)生的附加應(yīng)力而出現(xiàn)結(jié)構(gòu)開裂，但是對于房屋內(nèi)的管道等引入房屋內(nèi)的設(shè)施和周邊建筑的影響比較大。不均勻沉降比均勻沉降對房屋本身造成的危害更大，不均勻沉降會導(dǎo)致房屋開裂或者傾斜，給房屋帶來極大的安全隱患。不均勻沉降在房屋傾斜監(jiān)測和裂縫監(jiān)測中也能有所體現(xiàn)。監(jiān)測房屋沉降的傳統(tǒng)方法是安裝靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)，其中靜力水準(zhǔn)儀又分為液壓式靜力水準(zhǔn)儀、磁致伸縮液位式靜力水準(zhǔn)儀、光纖光柵液壓式靜力水準(zhǔn)儀，這3類靜力水準(zhǔn)儀中液壓式靜力水準(zhǔn)儀在智能化建筑的領(lǐng)域運(yùn)用最為廣泛。

2.3 裂縫

裂縫的產(chǎn)生大多由于地基不均勻沉降、溫度變化以及荷載變化，還有一類常見的裂縫是技術(shù)問題導(dǎo)致的混凝土墻體開裂。裂縫的形成往往和房屋坍塌密切聯(lián)系在一起，所以裂縫的監(jiān)測是房屋健康監(jiān)測中非常重要的一環(huán)。監(jiān)測裂縫的實質(zhì)就是測量裂縫寬度，即測量裂縫兩側(cè)墻體相隔的距離。監(jiān)測房屋裂縫的常見方法是在裂縫兩側(cè)安裝帶滑動拉桿的振弦式裂縫傳感器或光纖光柵式裂縫傳感器，通過監(jiān)測拉桿長度的變化量得出房屋裂縫的寬度。但是裂縫傳感器并不能預(yù)測新裂縫出現(xiàn)的具體時間和具體位置，它一般只能安裝在已發(fā)現(xiàn)的裂縫的最寬處[1]。

3 現(xiàn)有房屋健康監(jiān)測系統(tǒng)

傳統(tǒng)人工監(jiān)測房屋結(jié)構(gòu)安全的方式效率較低、時效性較差，房屋健康安全監(jiān)測系統(tǒng)則大大提高了檢測效率，實時對房屋結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)房屋存在的安全隱患，掌握房屋結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，為人們提供了采取解決措施的時間，以保障人們的生命財產(chǎn)安全。近年來，越來越多的專家學(xué)者對房屋健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計引起重視，通過他們的探索及研究，目前，房屋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)有以下幾種類型。

3.1 基于云平臺或物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)的房屋結(jié)構(gòu)智能監(jiān)測系統(tǒng)

基于云平臺的遠(yuǎn)程在線房屋結(jié)構(gòu)智能監(jiān)測系統(tǒng)[2]經(jīng)過實驗證實可以應(yīng)用于結(jié)構(gòu)損傷的識別。此系統(tǒng)利用LabView平臺的傳感器子系統(tǒng)實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的展示和歷史數(shù)據(jù)的分析等核心板塊，設(shè)計實現(xiàn)了基于JavaEE平臺的房屋結(jié)構(gòu)后臺管理系統(tǒng)、基于MVP設(shè)計模式動態(tài)搭建的穩(wěn)定的Android客戶端系統(tǒng)。

該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸和流程如下：布置傳感器優(yōu)化測量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集儀采集各類傳感器數(shù)據(jù)到房屋控制室工控機(jī)中，傳輸接口包括RS-485、RS-232、TCP，將數(shù)據(jù)集成，處理后備份到數(shù)據(jù)庫，再通過本地交換機(jī)使用可靠的傳輸協(xié)議TCP將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程應(yīng)用服務(wù)器，并存儲在服務(wù)器端的數(shù)據(jù)庫中。通過瀏覽器和Android客戶端可以遠(yuǎn)程訪問服務(wù)器，實時查看監(jiān)控監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)融合的結(jié)果以確定房屋結(jié)構(gòu)的安全性。該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)有：傳感監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集、分析處理、多傳感器信息融合與損傷識別等相關(guān)算法、LabView程序設(shè)計中相關(guān)技術(shù)、JaveEE和Android平臺架構(gòu)設(shè)計及數(shù)據(jù)庫優(yōu)化技術(shù)等[3-5]。

物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)是通過射頻識別、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約將某物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理?；谖锫?lián)網(wǎng)傳感技術(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)[6]則是采用DTU組網(wǎng)方式將監(jiān)測的數(shù)據(jù)分析處理后傳至云平臺，工作人員可以通過終端及時查看房屋結(jié)構(gòu)安全狀況，及時進(jìn)行處理，保障居民的安全。該系統(tǒng)分為物理層、信息層和應(yīng)用層3個板塊。物理層指安裝在現(xiàn)場的監(jiān)測硬件系統(tǒng)，包括傾角傳感器、靜力水準(zhǔn)儀、裂縫傳感器等傳感器，以及采集儀、無線傳輸模塊，起到采集監(jiān)測數(shù)據(jù)并上傳至云平臺的功能。信息層即云平臺，用于接收、存儲、分析、管理各類監(jiān)測數(shù)據(jù)。應(yīng)用層即通過各類終端查看監(jiān)測數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)通過圖表的形式直觀地呈現(xiàn)出來[7]。

3.2 基于BIM的房屋安全監(jiān)測系統(tǒng)

基于BIM的房屋安全監(jiān)測系統(tǒng)[8]利用BIM三維建模軟件Revit和管理軟件Navisworks，將房屋模型和實際建筑中的傳感器位置一一對應(yīng)，監(jiān)測到的信息可以及時轉(zhuǎn)到可視化的模型上，使監(jiān)測信息體現(xiàn)得更加直觀，容易理解，信息讀取更加便捷準(zhǔn)確高效。該系統(tǒng)的組成主要有兩大板塊：房屋模型和監(jiān)測信息數(shù)據(jù)庫。首先，使用Revit建立房屋三維模型和傳感器模型，然后將該模型導(dǎo)出為nwc標(biāo)準(zhǔn)文件，再將此文件導(dǎo)入Navisworks管理軟件中。房屋模型建立后，利用Microsoft Access以房屋模型中的傳感器的屬性為基礎(chǔ)建立相對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫再通過Navisworks進(jìn)行開發(fā)及管理。將傳感器數(shù)據(jù)錄入建立好的數(shù)據(jù)庫，從而使數(shù)據(jù)庫中的監(jiān)測結(jié)果轉(zhuǎn)化為可視化的房屋模型的信息，之后就可從房屋模型中選中相應(yīng)位置的傳感器直接查看監(jiān)測信息。

3.3 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的房屋健康監(jiān)測系統(tǒng)

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測系統(tǒng)[9]是基于雙向無線通信技術(shù)中近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低成本的ZigBee技術(shù)設(shè)計的高精度遠(yuǎn)距離無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過直接采集傳感器的數(shù)據(jù)完成對房屋結(jié)構(gòu)健康的實時監(jiān)測。無線傳感并不是傳感器本身無線，而是將傾角傳感器、靜力水準(zhǔn)儀、裂縫傳感器等傳感器連接在一個節(jié)點(diǎn)上，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和無線傳輸。無線傳感器節(jié)點(diǎn)包括微處理器模塊、電源模塊、傳感器模塊這3大模塊。設(shè)備節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計主要是無線傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與路由器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計兩個部分?；跓o線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測系統(tǒng)相比使用傳統(tǒng)的有線傳感器的監(jiān)測系統(tǒng)成本更低，不用布置煩瑣的線路，沒有線路的后期維護(hù)成本，無線傳感整體監(jiān)測效率也遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)有線傳感器[10]。

4 結(jié)語

在科技飛速發(fā)展的如今，房屋結(jié)構(gòu)安全的實時監(jiān)測系統(tǒng)越來越智能高效，利用云平臺、BIM模型、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等方法，通過對建筑結(jié)構(gòu)安全數(shù)據(jù)的高精度動態(tài)采集，及時自動發(fā)出預(yù)警，為人們應(yīng)對突發(fā)建筑安全事故贏得緩沖時間，保障了人們生命及財產(chǎn)的安全。并且通過實時監(jiān)控房屋健康狀況，及時發(fā)現(xiàn)并解決所出現(xiàn)的問題，也能有效保證房屋的服役年限。