5G背景下BIM技術在建筑抗震減災中的應用

朱爭光 張 童 李 娜

(昆明工業(yè)職業(yè)技術學院 昆明 650302)

遇到大型地震時，建筑物的設防將顯得不堪一擊。災后的救災工作變得更為重要。根據(jù)唐山大地震和日本阪神大地震的情況統(tǒng)計，搶救時間與救活率的關系為：第一天救活率為78%左右，第四天的救活率下降到15%左右。[1]以上數(shù)據(jù)說明，救援的時間越早，幸存者生存的希望就越大。地震發(fā)生后往往當?shù)氐木仍O施也被損壞。如何在最短時間內(nèi)完成最大的救災效果，信息技術是最有效的技術手段。

1 地震作用下的內(nèi)力與位移

對于地震的成因，學術界有球運動、大陸漂移、海底擴張等不同的見解，但表現(xiàn)在構造上是巖層在不斷運動和變化，逐漸積累了巨大的能量，在地殼某些地帶，造成地層突然發(fā)生破壞，產(chǎn)生波動，繼而引起附著物的劇烈運動。[2]體現(xiàn)在運動波上有橫波、縱波和沿地球表面?zhèn)鞑サ拿娌āＳ捎趲追N波在傳播上的不同，導致建筑物在地震發(fā)生時一顛二抖三搖。建筑物產(chǎn)生的災害等級包括[3]：

(1)建筑物輕微搖晃，不產(chǎn)生構造損傷；

(2)建筑物明顯搖晃，室內(nèi)或室外裝飾構件造成破壞，對人員造成輕微傷害；

(3)建筑物劇烈搖晃，房屋構件損壞，部分構件脫落，建筑物損毀，人員受傷；

(4)建筑物部分傾倒，房屋整體損壞，人員傷亡嚴重，周圍基礎設施可修復，易于救援；

(5)建筑物幾乎全部傾倒，房屋整體損壞，人員傷亡極其嚴重，周圍設施破壞，救援困難。

人類無法阻止地震的發(fā)生，當大地震來臨時。建筑在地震中只能任由其摧殘，輕則建筑產(chǎn)生裂縫，重則建筑倒塌人員傷亡。減輕地震災害的有效手段有兩個：

在地震發(fā)生前，進行提前的預測。

(1)提高建筑的安全等級，能夠抵擋足夠大的地震。

(2)地震發(fā)生后，進行高效的救援工作，提高救援的成果。

現(xiàn)階段的人類面對地震所能做的更多的是加強抗震等級和及時開展震后的救援工作，對于地震的預測還無法做到。面對幾十年才有可能發(fā)生的大地震，提高抗震等級將極大的浪費資源。由于震后災區(qū)的道路等基礎設施遭到巨大破壞，無法快速定位需要救援的方位，因此救援工作很難高效的進行。

2 中國網(wǎng)絡發(fā)展

2020年三大運營商開始全面建設5G網(wǎng)絡。5G網(wǎng)絡的實現(xiàn)不僅僅是網(wǎng)速的提升，它為中國的基礎建設提供了快速車道。

(1)5G提供更高的傳輸速率。5G網(wǎng)絡的理論峰值可以達到每秒數(shù)10Gb。

(2)5G技術提供更多的接入點。IP地址的枯竭必然導致信息技術的應用困難，而5G技術運用新一代IP地址，容納量得到急劇擴大，可以為地球上的每個生物配置一個地址。

(3)5G技術保證更低的網(wǎng)絡延遲。更低的網(wǎng)絡延遲，意味著不同個體間的同步同驅(qū)。

每棟建筑可以建設自己的局域網(wǎng)，局域網(wǎng)通過5G技術與互聯(lián)網(wǎng)云系統(tǒng)相連。由于5G技術的低延遲性和高速性，可以使這種連接變得接近實時控制。以城市為單位，設置城市總臺，接收城市的建筑信息，總臺將信息反饋給業(yè)主，業(yè)主根據(jù)總臺信息了解建筑的的詳細信息，對潛在的隱患與危險進行控制、處理，并將信息進一步反饋給總臺。5G技術已經(jīng)到來，6G技術也必將在不久與世人見面。6G技術代表著更高效與更安全的傳輸。6G技術將帶來天地互通，將使連接的范圍極大的擴展。

3 BIM技術的發(fā)展

BIM(Building Information Modeling)是一次將虛擬和實體建造過程真正結(jié)合的技術革命。在建造實體建筑物與構造物之前利用虛擬技術全過程全方位的進行建筑施工與管理模擬，通過虛擬的模擬發(fā)現(xiàn)問題，改進設計和施工工藝從而使實體建造達到最優(yōu)的效果。[4]在建筑的運營和維護階段，BIM為建筑提供詳細精確的定位。結(jié)合相應的傳感器，可以實時記錄構件的變形情況。BIM只是一項為更好的建筑而存在的技術，經(jīng)過幾十年的發(fā)展BIM技術已經(jīng)可以全方位的展示建筑的各項參數(shù)。中國最近幾年也在大力推廣BIM技術，制約BIM技術的因素是其前期需要投入大量的時間和精力。加大BIM技術的后期利用，業(yè)主的消費升級，必然會推動BIM技術前期的建設。

4 技術融合

建筑加入信息化技術進行抗震監(jiān)測研究。地震難于預測的原因在于地震產(chǎn)生的位置位于地面以下幾公里甚至幾十公里的位置，現(xiàn)階段的設備很難實時監(jiān)測到如此深的巖層。巖層的構造不同，導致其剛度與強度也有很大的差別。[5]巖層何時破壞很難精確判斷，而地震的爆發(fā)是在長久的能量積累下，瞬間發(fā)生導致巨大破壞。當建筑加入BIM技術后，可獲得長時間監(jiān)測的大量建筑自身的數(shù)據(jù)，進行建筑的健康狀況分析和抗震監(jiān)測研究?，F(xiàn)階段國內(nèi)已經(jīng)有多家企業(yè)可以做到實時監(jiān)測建筑的信息。對建筑傾斜度、裂縫寬度與深度、建筑的震動頻率、建筑的側(cè)移等相關參數(shù)進行整合，形成統(tǒng)一的測量標準。

建筑加入信息化技術用于震后的救援。在建筑的重要部位放入類似飛機的黑匣子的硬件，記錄建筑物構件的變形，與內(nèi)部關鍵節(jié)點的影像。當?shù)卣鸢l(fā)生后黑匣子可以自足供電，救援人員擁有探測儀器，可以與黑匣子形成無線通信，方便救援隊伍的救援工作。當?shù)卣鸢l(fā)生后黑匣子內(nèi)的定位系統(tǒng)可以給總臺發(fā)送定位信號，救援人員可以利用定位系統(tǒng)分析、規(guī)劃出最有效的救援路線，提高救援的效率。

各項技術的融合給地震的預測與地震后的救援工作提供了新的思路。建筑業(yè)的特點決定了它的傳統(tǒng)性，因此信息化進程較慢，這大大阻礙了建筑業(yè)的發(fā)展。BIM技術的加入，使項目的責任情況記錄于BIM系統(tǒng)中，有利于建筑終身負責制的推廣與應用。在工廠的生產(chǎn)階段將傳感器與構建進行匹配，不僅可以為建筑提供建筑的運維信息，還可以為建筑裝配階段的建設精度做技術支持。

5 技術路徑

第一步，將每棟建筑加入智能終端。此處的智能終端包括：建筑定位系統(tǒng)、建筑形變監(jiān)測系統(tǒng)、建筑內(nèi)外影像系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、能耗監(jiān)測系統(tǒng)、中央集成系統(tǒng)；第二步，利用5G技術使每一棟建筑連入網(wǎng)絡。中央集成系統(tǒng)，即建筑的黑匣子，通過信息高速與總臺連接，產(chǎn)生信息互動，點連成線、線連成面、面交匯成體，形成一個網(wǎng)絡球；第三步，將數(shù)據(jù)上傳并進行數(shù)據(jù)分析?？偱_接收建筑的信息，通過計算機與專業(yè)人員的分析，獲得建筑物體檢的健康數(shù)據(jù)，傳感器收集到的各項數(shù)據(jù)可用于研究地震的產(chǎn)生與效應。地震發(fā)生后建筑的海量數(shù)據(jù)可以幫助救援人員分析人員和經(jīng)濟的損害情況，對人員和設施開展精準救援。第四步，進行環(huán)境評估，以確定地震對環(huán)境的影響。

國內(nèi)已經(jīng)存在一大批優(yōu)秀的企業(yè)在從事建筑智能化的建設。但依然存在一些問題，比如：各個系統(tǒng)的兼容性較差，無法使不同的系統(tǒng)組合形成完美的大管理系統(tǒng)；系統(tǒng)的穩(wěn)定性還需要時間的檢驗，由于建筑的長效性，要求建筑的各個子系統(tǒng)需要長時間的正常工作，一個良好的系統(tǒng)必須經(jīng)過實踐的檢驗；網(wǎng)絡覆蓋的不完備，由于中國幅員遼闊，必然會存在網(wǎng)絡信息的閉塞區(qū)，必然會存在一定的網(wǎng)絡延遲；監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析需要重新建立指標體系，由于監(jiān)測的數(shù)據(jù)變?yōu)楦鳁澖ㄖ姆磻畔?，與傳統(tǒng)的測量手段有明顯差異，故需要重新積累經(jīng)驗和更高效的分析；建筑的前期造價將進一步增高，因此實施起來需進一步優(yōu)化分區(qū)；震后黑匣子內(nèi)的電池存在污染和容量限制的問題，因此黑匣子優(yōu)先使用無污染高效的電池。

促進行業(yè)標準的制定，加強軟件與硬件的建設是普及技術的第一步也是最重要的一步。統(tǒng)一各個企業(yè)的方向，讓優(yōu)秀的更優(yōu)秀，減少不必要的浪費。以BIM軟件的應用為例：確定優(yōu)先級，保證兼容度。對于精度高、兼容性好的軟件優(yōu)先采用，對于問題較多的軟件降低等級，甚至拒絕采用。加強硬件建設，整合資源使產(chǎn)品不僅價廉，更要質(zhì)優(yōu)。以房屋震動測量為例：以精度高、能耗低、壽命長作為依據(jù)，確定各項指標的等級，優(yōu)先使用符合當?shù)貤l件的設備。

6 結(jié)語

5G技術的到來，為建筑信息化提供了一條寬闊的高速公路，BIM技術為建筑信息化提供了優(yōu)秀的載體。通過5G與BIM技術的結(jié)合，可以有效的監(jiān)測、分析建筑的信息情況。地震的預測難點在于有效數(shù)據(jù)的獲得，通過5G與BIM技術可以獲得大量的數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過長期專業(yè)人員的研究，定會獲得地震預測的有效技術手段。在地震的預測難以實現(xiàn)的情況下，地震發(fā)生后，救援搶險工作往往決定了經(jīng)濟和人員的挽回程度。通過5G與BIM技術可以分析建筑的損害情況，提高救援效率，也可為震后的重建工作提供技術支持。5G技術正在穩(wěn)步的推進，BIM技術在高速發(fā)展，抗震的需求也在不斷加強。技術的結(jié)合與創(chuàng)新是必然的結(jié)果。經(jīng)過理論分析5G技術與BIM技術運用于建筑的抗震減災是完全可行的。更是建筑抗震減災的一條新的選擇。各項技術在不斷的實踐與探索中將不斷完善。完善系統(tǒng)的貫通需要大量的時間與實踐，但建筑的信息化建設已經(jīng)走出了第一步，統(tǒng)一標準、擴大應用面，在災害面前設置一個新的保障。5G結(jié)合BIM技術，利用建筑形態(tài)傳感器，使人與財產(chǎn)在地震面前減少損失和傷害。