物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下的建筑健康監(jiān)測(cè)方法研究

【摘要】本文討論了如何將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與高層樓宇相結(jié)合以便提前預(yù)測(cè)出結(jié)構(gòu)的疲勞效應(yīng)、材料老化等對(duì)人類產(chǎn)生巨大影響威脅人類生命安全的災(zāi)難。

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；高層建筑；結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)；傳感器；優(yōu)化布置

近年來建筑物不斷被破壞，除了火災(zāi)、地震，人類的粗制濫造等結(jié)構(gòu)性健康問題也是其元兇之一，如2008年汶川地震、2010年玉樹地震、中央電視臺(tái)電視文化中心發(fā)生火災(zāi)、上?！皹堑沟埂钡仁录际俏覀兯私獾?。建筑物的健康問題給人類施加了巨大的精神壓力，甚至能影響到生命健康安全。樓房因?yàn)榻】祮栴}發(fā)生災(zāi)難的事件屢見不鮮，給人們?cè)斐闪司薮蟮目只?，影響了人們的幸福生活。因此，為高層樓宇做一套健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)勢(shì)在必行，以減少不必要災(zāi)難的發(fā)生，減少國(guó)家的建筑損失，保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全不再受到威脅。

1、高層建筑健康監(jiān)測(cè)

眾所周知，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是當(dāng)今社會(huì)信息技術(shù)的重要組成部分。物聯(lián)網(wǎng)，顧名思義就是物物相連的網(wǎng)絡(luò)，是利用局部網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)等通信技術(shù)把傳感器、控制器、機(jī)器、人員和物等通過新的方式聯(lián)在一起，形成人與物、物與物相聯(lián)，實(shí)現(xiàn)信息化、遠(yuǎn)程管理控制和智能化的網(wǎng)絡(luò)，是互聯(lián)網(wǎng)的延伸。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的載體是無線傳感設(shè)備、無線射頻電子標(biāo)簽、處理器等，依據(jù)是一定的傳輸協(xié)議和云計(jì)算技術(shù)，傳輸方式分為有線形式和無線形式，最終的實(shí)現(xiàn)結(jié)果是根據(jù)現(xiàn)實(shí)生活中各種各樣的物品與互聯(lián)網(wǎng)相互連接，實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的智能化監(jiān)測(cè)、識(shí)別、通信、定位、跟蹤、管理、監(jiān)控等功能。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到樓宇中是現(xiàn)在的熱門話題，這也是隨著社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)，因?yàn)槿藗儗?duì)生活質(zhì)量的要求不斷提高，對(duì)住房安全問題也越來越重視，健康安全的住所已是人們的必需，帶有物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的樓宇也就成為了人們生命財(cái)產(chǎn)安全的保障。物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在時(shí)間上不能再耽擱，應(yīng)該盡早著手進(jìn)行研究，以便及早對(duì)樓宇健康和一切安全隱患進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，真正做到讓建筑業(yè)“健康”成長(zhǎng)。

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是最近幾年研究出來的一種新無損檢測(cè)技術(shù)，它根據(jù)結(jié)構(gòu)改變部位傳輸?shù)臄?shù)據(jù)對(duì)工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)識(shí)別，包括材料特性的改變、結(jié)構(gòu)體系臨界條件的變化以及結(jié)構(gòu)的老化等，工程結(jié)構(gòu)的改變會(huì)影響結(jié)構(gòu)的可靠性。結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)是根據(jù)傳感器對(duì)結(jié)構(gòu)信息實(shí)時(shí)收集來的數(shù)據(jù)判斷結(jié)構(gòu)的健康狀況。對(duì)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期進(jìn)行監(jiān)測(cè)可判斷其是否能夠繼續(xù)完成它的“使命”。

結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)的項(xiàng)目主要包括應(yīng)力性監(jiān)測(cè)、傾斜度監(jiān)測(cè)、溫濕度監(jiān)測(cè)和煙霧濃度監(jiān)測(cè)四個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。

應(yīng)力性監(jiān)測(cè)主要針對(duì)的是主要受力較大的結(jié)構(gòu)部位，應(yīng)力是指由于受力而產(chǎn)生的形變，如果結(jié)構(gòu)不足以支撐荷載而產(chǎn)生過大形變便是潛在的危險(xiǎn)。因?yàn)榻┠甑卣痤l發(fā)以及“豆腐渣”工程逐漸增多，應(yīng)力性監(jiān)測(cè)便顯得尤其重要。建筑物的傾斜度通常是因?yàn)槭艿搅溯^大的風(fēng)荷載和地震荷載，但是也不排除盲目施工的樓宇等原因。傾斜度的監(jiān)測(cè)主要是監(jiān)測(cè)建筑的傾斜角，檢查監(jiān)測(cè)結(jié)果是否在安全傾斜范圍的標(biāo)準(zhǔn)值內(nèi)，得出的結(jié)果反映給健康評(píng)估系統(tǒng)，然后做出樓宇健康評(píng)定等級(jí)，工作人員根據(jù)所評(píng)定的等級(jí)來采取相應(yīng)措施。近些年來火災(zāi)頻發(fā)，對(duì)室內(nèi)溫濕度的檢測(cè)必不可少。室內(nèi)溫濕度監(jiān)測(cè)可以準(zhǔn)確的顯示出建筑物內(nèi)的環(huán)境環(huán)境狀況，對(duì)預(yù)防火災(zāi)的發(fā)生有重大作用，把監(jiān)測(cè)樓建筑內(nèi)溫濕度的結(jié)果與溫濕度標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比對(duì)，然后評(píng)定結(jié)果傳給健康評(píng)估系統(tǒng)，做出評(píng)定。煙霧濃度監(jiān)測(cè)與室內(nèi)溫濕度檢測(cè)有相似地方，煙霧濃度監(jiān)測(cè)主要是對(duì)發(fā)生火災(zāi)后對(duì)室內(nèi)煙霧和可燃性氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，然后做出評(píng)定，以便疏散處于危險(xiǎn)的人員。選擇合理的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來有效的監(jiān)測(cè)建筑當(dāng)時(shí)的工作狀態(tài)，如果選擇不合理反而會(huì)造成資源的浪費(fèi)。

2、傳感器系統(tǒng)及其優(yōu)化布置

健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理和分析系統(tǒng)、監(jiān)控中心、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和健康評(píng)估系統(tǒng)。

傳感器系統(tǒng)除與物聯(lián)網(wǎng)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)架的第一層，是最基礎(chǔ)的設(shè)備，所以要合理的采用傳感器的種類和數(shù)量。

傳感器系統(tǒng)是相當(dāng)于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的經(jīng)絡(luò)，由各種測(cè)試結(jié)構(gòu)特征和周圍環(huán)境的傳感器組成的，可以監(jiān)測(cè)到荷載（地震荷載，風(fēng)荷載等）、結(jié)構(gòu)的動(dòng)力靜力特性、結(jié)構(gòu)相應(yīng)（位移等）和溫度等變化。傳感器系統(tǒng)將收集到的周圍環(huán)境的變化傳遞給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，然后數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)把這些變化以數(shù)據(jù)的形式傳遞給數(shù)據(jù)處理和分析系統(tǒng)，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，這些變化是否會(huì)對(duì)建筑物有所損害，最后把分析的結(jié)果傳遞給數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，得出的結(jié)果反映給健康評(píng)估系統(tǒng)。如果系統(tǒng)顯示建筑安全，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)直接進(jìn)入下一次的監(jiān)測(cè)，否則將會(huì)發(fā)出危險(xiǎn)警報(bào)信號(hào)，提示人們危險(xiǎn)的到來，如果發(fā)出的信號(hào)是有安全隱患，那么就需要工作人員定對(duì)隱患進(jìn)行評(píng)定以此來消除隱患，結(jié)構(gòu)檢測(cè)系統(tǒng)以此種方式來預(yù)防災(zāi)難的發(fā)生。

傳感器從根本上講就是一種換能元件，它把監(jiān)測(cè)到的信息轉(zhuǎn)換為信號(hào)傳遞給下一層，所以要正確合理傳感器，防止傳感器應(yīng)用于不適應(yīng)其本身功能的環(huán)境，浪費(fèi)不必要的資源。傳感器有振弦傳感器和光纖光柵傳感器。

在結(jié)構(gòu)健康觀測(cè)中只是傳感器的種類數(shù)量選對(duì)了并不能夠準(zhǔn)確檢測(cè)出“病癥”，還需要選擇正確的位置來布置傳感器即傳感器的優(yōu)化布置，傳感器布置到位才能有效地監(jiān)測(cè)環(huán)境的改變，增強(qiáng)監(jiān)測(cè)可靠性。對(duì)于高層建筑為了保證獲取足夠的數(shù)據(jù)，所以在實(shí)際監(jiān)測(cè)中要布置多個(gè)測(cè)點(diǎn)。傳感器的優(yōu)化布置原則主要包括識(shí)別誤差最小準(zhǔn)則、基于能量的準(zhǔn)則、可控度/可觀度準(zhǔn)則、插值擬合準(zhǔn)則、模型縮減準(zhǔn)則等。

傳感器是活的結(jié)構(gòu)變化信息的中介，因?yàn)閭鞲衅鬟x擇合理、布置合理能夠準(zhǔn)確獲得結(jié)構(gòu)變化的數(shù)據(jù)，這樣可以根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)來判斷結(jié)構(gòu)的安全性，這樣可以根據(jù)數(shù)據(jù)來判斷結(jié)構(gòu)的安全性和面對(duì)災(zāi)難采取正確的措施。

國(guó)內(nèi)外建筑發(fā)展及健康狀況現(xiàn)狀

二十一世紀(jì)以來，無論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外房地產(chǎn)業(yè)發(fā)展達(dá)到了空前的高度，所以監(jiān)測(cè)建筑的“健康”有著重要的價(jià)值與意義，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)這項(xiàng)研究得到了技術(shù)人員的高度關(guān)注。許多業(yè)內(nèi)外專家已經(jīng)對(duì)建筑的健康狀況做過綜合評(píng)估，其中就包括建筑的應(yīng)力性、傾斜度、

溫濕度、煙霧濃度等方面的健康狀況，他們研究的內(nèi)容大部分來源于工程實(shí)踐，研究取得進(jìn)展反過來應(yīng)用于實(shí)踐，如此反復(fù)，才取得了相當(dāng)好的效果。

幾年來，國(guó)外建筑呈現(xiàn)高速發(fā)展態(tài)勢(shì)，根據(jù)調(diào)查顯示單單是建筑面積就占了地球土地的一半，隨著國(guó)外各個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，他們對(duì)住房住房條件不斷提高，建筑規(guī)模也不斷擴(kuò)大，但是任何事物都是有它的兩面性的，這些國(guó)家建筑發(fā)展迅猛，與之一起來的是能源的不斷消耗，出現(xiàn)了能源危機(jī)，對(duì)環(huán)境造成的污染更是危害了人民的健康。值得思考的是，他們發(fā)展起來的建筑沒有先進(jìn)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作保障根本無法確保建筑的健康。

本文在建筑業(yè)大力發(fā)展的背景下，提出了利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來監(jiān)測(cè)樓宇“健康”問題，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠能夠從含有干擾和噪聲的傳感器數(shù)據(jù)中準(zhǔn)確提取樓宇的實(shí)時(shí)信息以來判斷建筑物是否存在安全隱患，以此最大化的保證人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，相信隨著社會(huì)的發(fā)展這一技術(shù)早晚會(huì)完全應(yīng)用到建筑物中，以來保證建筑物的“健康”。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫鴻敏，李宏男.土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)研究進(jìn)展[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào)，2013，（03）：92-94.

[2] 熊海貝，張俊杰.超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)概述[J].結(jié)構(gòu)工程師，2010， 26（1）：77-78.

[3] 劉軍生，柳明亮.超高層建筑中施工監(jiān)測(cè)及健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用[A].第三屆中國(guó)中西部地區(qū)土木建筑學(xué)術(shù)年會(huì)[C]，2013年.

作者簡(jiǎn)介：張勁松（1981.5），男 滿族 北京人 重慶大學(xué) 結(jié)構(gòu)工程碩士，工程師，從事房屋安全鑒定、加固改造、建筑構(gòu)筑物健康監(jiān)測(cè)、橋梁檢測(cè)行業(yè)、單位：中國(guó)建筑科學(xué)研究院國(guó)家建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心。