基于物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的裝配式建筑質(zhì)量安全監(jiān)督

劉大君 張紅星 張登銀

摘? 要：近年來(lái)，裝配式建筑以其節(jié)能環(huán)保、施工周期短、節(jié)省人工等突出優(yōu)點(diǎn)在建筑工程中得到廣泛應(yīng)用，但因裝配式建筑在施工過(guò)程中有一定的技術(shù)難度，而在投入使用后缺乏維護(hù)和監(jiān)管的措施，使得裝配式建筑在其全壽命周期內(nèi)缺乏有力的保障。文章將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與裝配式建筑有機(jī)融合，提出了實(shí)現(xiàn)裝配式建筑質(zhì)量安全監(jiān)督的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的整體構(gòu)架和具體的實(shí)施方法，為裝配式建筑的持續(xù)健康發(fā)展提供了科學(xué)有效的技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：裝配式建筑;質(zhì)量安全;物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

中圖分類號(hào)：TU712.3? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）22-0092-04

Abstract： In recent years， assembly building has been widely used in construction engineering because of its outstanding advantages such as energy saving， environmental protection， short construction period and labor saving. However， due to the technical difficulties in the construction process of assembly building， and the lack of maintenance and supervision measures after putting into use， assembly building lacks a strong guarantee in its life cycle. In this paper， the Internet of things technology and assembly building are organically integrated， and the overall framework and specific implementation methods of the Internet of things platform to achieve the quality and safety supervision of assembly building are proposed， which provides a scientific and effective technical reference for the sustainable and healthy development of assembly building.

Keywords： assembly building; quality safety; Internet of things technology

引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，建造房屋可以像機(jī)器生產(chǎn)那樣，成批成套地制造。裝配式建筑就是將工廠預(yù)制好的房屋構(gòu)件，運(yùn)到工地裝配而成。[1]裝配式建筑的結(jié)構(gòu)形式包括混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)和各類型組合結(jié)構(gòu)。本文僅以裝配式混凝土結(jié)構(gòu)建筑為研究對(duì)象，以下簡(jiǎn)稱裝配式建筑。裝配式建筑的典型特征是標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工廠化生產(chǎn)、裝配化施工、一體化裝修、信息化管理和智能化應(yīng)用。裝配式建筑從20世紀(jì)40年代后期開(kāi)始逐步在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家興起和應(yīng)用。隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，預(yù)制裝配式建筑也受到了國(guó)家的重視與推廣。

目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在生產(chǎn)線監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測(cè)、農(nóng)產(chǎn)品追蹤、智慧交通、智慧物流、智慧醫(yī)療等方面已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。在建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的歷史潮流下，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也逐漸深入到建筑領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體的非接觸自動(dòng)識(shí)別，不受覆蓋物遮擋的干擾，可遠(yuǎn)距離通訊，穿透性極強(qiáng)，抗污染能力和耐久性好，為裝配式建筑的安全、能耗等信息的全面采集、可靠傳送、云端共享、深度分析、智能處理和趨勢(shì)預(yù)測(cè)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)嘗試將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與裝配式建筑相結(jié)合，并取得了階段性的研究成果，但主要的研究方向立足于質(zhì)量監(jiān)測(cè)、質(zhì)量追溯和施工管理，對(duì)于裝配式建筑投入使用后的運(yùn)行管理，尤其是安全和預(yù)警方面則缺乏較為系統(tǒng)的研究和技術(shù)突破。本文面向裝配式建筑的長(zhǎng)期運(yùn)行管理，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于裝配式建筑的智慧管理，實(shí)現(xiàn)在裝配式建筑的質(zhì)量安全監(jiān)督領(lǐng)域的技術(shù)突破。

1 裝配式建筑運(yùn)行管理的需求分析

1.1 裝配式建筑存在的主要問(wèn)題

隨著大批新型裝配式建筑的紛紛落成并投入使用，裝配式建筑開(kāi)始面對(duì)其全壽命周期中的諸多問(wèn)題。通過(guò)對(duì)建設(shè)單位、設(shè)計(jì)單位、施工單位、物業(yè)管理單位以及用戶單位的調(diào)研走訪，發(fā)現(xiàn)裝配式建筑目前主要存在以下問(wèn)題：

1.1.1 施工節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量隱患

裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的構(gòu)件之間的連接多采用現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)方式，將預(yù)制PC構(gòu)件的鋼筋伸入現(xiàn)澆構(gòu)件中錨固連接。預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)連接、防水保溫連接、現(xiàn)場(chǎng)安裝施工等關(guān)鍵技術(shù)尚未成熟，施工隊(duì)伍的技術(shù)水平參差不齊，難以保證連接節(jié)點(diǎn)的施工工藝完全符合長(zhǎng)期使用的質(zhì)量要求，項(xiàng)目封頂后，很難檢查出連接點(diǎn)的質(zhì)量狀況，節(jié)點(diǎn)施工存在質(zhì)量隱患。

其中較為典型的質(zhì)量隱患有兩種：

（1）裝配式剪力墻套筒的連接對(duì)中。目前裝配式剪力墻仍然沿用現(xiàn)澆剪力墻的設(shè)計(jì)方法，縱向分布鋼筋數(shù)量多，裝配過(guò)程中數(shù)量較多的縱筋套筒連接對(duì)中難度大，潛在安全隱患增大。

（2）預(yù)制構(gòu)件之間的連接。通常采用現(xiàn)澆混凝土（或采用鋼筋套筒灌漿），也就是將伸出兩個(gè)構(gòu)件的鋼筋，共同錨固在現(xiàn)澆混凝土中來(lái)實(shí)現(xiàn)的，現(xiàn)澆混凝土與預(yù)制混凝土構(gòu)件只是粘接而已，因此，構(gòu)件連接部位是裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，處理不當(dāng)就會(huì)形成安全隱患，還可能發(fā)生滲漏。

1.1.2 建筑結(jié)構(gòu)的損傷累積

由于外界惡劣自然條件的影響、內(nèi)部荷載的作用，以及材料的老化、構(gòu)件的缺陷等因素的綜合作用，隨著使用時(shí)間的推移，裝配式建筑結(jié)構(gòu)將逐漸產(chǎn)生損傷累積，出現(xiàn)諸如沉降、變形、抗震、防水等諸多方面的問(wèn)題，嚴(yán)重影響裝配式建筑的健康安全。

1.1.3 管路之間的相互影響

混凝土結(jié)構(gòu)裝配式建筑中，豎向管線宜集中敷設(shè)，滿足維修更換的需要，一般采用綜合管井的方式集中敷設(shè)。綜合管井內(nèi)敷設(shè)的管線主要有電力電纜、通信光纜、上水管道、中水管道以及熱力管道等管線設(shè)施。如果其中某一管道出現(xiàn)故障，則有可能對(duì)集中敷設(shè)的其他管道造成一定影響，使得各種管道之間相互干擾的概率上升。隨著年限的增加，水、暖、電及通信的管路會(huì)逐漸出現(xiàn)腐蝕和老化現(xiàn)象，一旦發(fā)生“跑、冒、滴、漏”等故障極易相互影響，使損失擴(kuò)大。

1.1.4 缺乏科學(xué)的運(yùn)管措施

裝配式建筑在投入使用前，在無(wú)法準(zhǔn)確估算實(shí)際使用情況的前提下，往往一次性地完成了各智能化系統(tǒng)的調(diào)試和參數(shù)設(shè)置工作，而在其真正投入使用后，由于環(huán)境、人員、負(fù)荷等因素的改變，最初設(shè)定的運(yùn)行管理模式往往不適應(yīng)多變的環(huán)境及復(fù)雜的實(shí)際使用要求，使得預(yù)期的節(jié)能減排效果大打折扣，運(yùn)行管理工作缺乏持續(xù)的改進(jìn)和優(yōu)化機(jī)制。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)智能管控平臺(tái)的設(shè)計(jì)目標(biāo)

鑒于裝配式建筑在全壽命周期內(nèi)所無(wú)法避免的質(zhì)量缺陷、損傷累積、內(nèi)部影響以及管理措施不利等問(wèn)題，亟待建立一個(gè)科學(xué)、有效的裝配式建筑智能管控平臺(tái)，充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，將各類傳感器、移動(dòng)終端、智能設(shè)施、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等末端設(shè)備和貼上RFID的各種資產(chǎn)、攜帶無(wú)線終端的個(gè)人等“智能化物件或個(gè)體”，通過(guò)各種無(wú)線或有線的通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，面向裝配式建筑質(zhì)量安全監(jiān)督的物聯(lián)網(wǎng)智能管控平臺(tái)采用埋入或表面粘貼的傳感器作為神經(jīng)系統(tǒng)，可對(duì)材料、結(jié)構(gòu)、設(shè)備等進(jìn)行無(wú)損評(píng)估?？梢蕴峁┌踩煽啬酥羵€(gè)性化的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)、定位追溯、報(bào)警聯(lián)動(dòng)、遠(yuǎn)程控制、統(tǒng)計(jì)分析、決策支持等管理和服務(wù)功能。[2]為裝配式建筑的質(zhì)量安全監(jiān)督等提供科學(xué)的決策依據(jù)。

2 平臺(tái)的框架設(shè)計(jì)

面向裝配式建筑質(zhì)量安全監(jiān)督的物聯(lián)網(wǎng)智能管控平臺(tái)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三層結(jié)構(gòu)組成。平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

感應(yīng)層由各類傳感器組成，如：應(yīng)變儀、傾斜儀、沉降計(jì)、位移計(jì)、壓力傳感器、溫度傳感器、流量計(jì)、火災(zāi)探測(cè)器、燃?xì)馓綔y(cè)器、入侵探測(cè)器和電力變送器等，用于感知和獲取裝配式建筑的基本信息及運(yùn)行狀態(tài);網(wǎng)絡(luò)層的主要功能是實(shí)現(xiàn)信息在感知層和應(yīng)用層之間的互相傳遞。采用有線網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方式，利用互聯(lián)網(wǎng)或移動(dòng)通信網(wǎng)來(lái)傳輸獲取信息。應(yīng)用層將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與裝配式建筑的管理需求深度融合，實(shí)現(xiàn)對(duì)終端設(shè)備和資產(chǎn)的“管、控、營(yíng)”一體化，為裝配式建筑提供全面的服務(wù)，包括：數(shù)據(jù)處理與挖掘、仿真與優(yōu)化、業(yè)務(wù)流程和應(yīng)用整合、通信管理、設(shè)備服務(wù)與預(yù)測(cè)預(yù)警等。[3]

3 平臺(tái)的功能設(shè)計(jì)

面向裝配式建筑質(zhì)量安全監(jiān)督的物聯(lián)網(wǎng)智能管控平臺(tái)主要針對(duì)裝配式建筑的運(yùn)行管理階段，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行全方位的參數(shù)采集、信息可靠傳輸、數(shù)據(jù)智能化處理，能夠?yàn)槭褂谜咛峁┰攲?shí)精準(zhǔn)的監(jiān)管及預(yù)警服務(wù)。作為一種云平臺(tái)的使用模式，對(duì)外可以共享資源供給與使用信息，便于協(xié)調(diào)和平衡社會(huì)資源，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)籌管理;對(duì)內(nèi)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)裝配式建筑的結(jié)構(gòu)、設(shè)備、環(huán)境及用戶行為，保障裝配式建筑的安全、健康、節(jié)能運(yùn)行。

裝配式建筑的質(zhì)量安全監(jiān)督是指運(yùn)用預(yù)制在構(gòu)件的傳感器，通過(guò)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)建筑物荷載及環(huán)境變量，并分析結(jié)構(gòu)安全性能、結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)等一系列結(jié)構(gòu)特性，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析和復(fù)雜計(jì)算得到建筑結(jié)構(gòu)是否安全與健康的評(píng)估結(jié)果。[4]

裝配式建筑的結(jié)構(gòu)健康主要表現(xiàn)在安全性和耐久性兩個(gè)方面：

安全性是通過(guò)合理的施工過(guò)程使得建筑物在有限的使用期中滿足人們對(duì)其的各種需求，即在正常施工和正常使用的條件下，結(jié)構(gòu)應(yīng)能承受可能出現(xiàn)的各種荷載作用和變形而不發(fā)生破壞;在偶然事件發(fā)生后，結(jié)構(gòu)仍能保持必要的整體穩(wěn)定性。例如，建筑結(jié)構(gòu)平時(shí)受自重、內(nèi)部設(shè)備、風(fēng)和積雪等荷載作用時(shí)，均應(yīng)堅(jiān)固不壞，而在遇到強(qiáng)烈地震、爆炸等偶然事件時(shí)，容許有局部的損傷，但應(yīng)保持結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定而不發(fā)生倒塌。[5]

耐久性指的是在正常維護(hù)的條件下，結(jié)構(gòu)應(yīng)能在預(yù)計(jì)的使用年限內(nèi)滿足各項(xiàng)功能要求。例如，不致因混凝土的老化、腐蝕或鋼筋的銹蝕等而影響結(jié)構(gòu)的使用壽命。裝配式建筑的安全性與耐久性有著非常緊密的聯(lián)系，建筑結(jié)構(gòu)的耐久性可以保持建筑結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，使之在受到局部破壞的同時(shí)保持主體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，減少建筑被破壞所造成的損失。[6]

裝配式建筑結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性監(jiān)測(cè)應(yīng)能準(zhǔn)確的在損傷發(fā)生的初期，發(fā)現(xiàn)損傷并能夠定位及確定損傷的程度，進(jìn)而提供結(jié)構(gòu)的安全性評(píng)估，并能預(yù)測(cè)損傷結(jié)構(gòu)的剩余壽命。當(dāng)遇到突發(fā)事故或危險(xiǎn)環(huán)境，系統(tǒng)可通過(guò)調(diào)節(jié)與控制使整個(gè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)恢復(fù)到最佳工作狀態(tài)。系統(tǒng)還可通過(guò)自動(dòng)改變和調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的形狀、位置、強(qiáng)度、剛度、阻尼或振動(dòng)頻率使結(jié)構(gòu)在危險(xiǎn)時(shí)能自我保護(hù)，并繼續(xù)生存下去。結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性監(jiān)測(cè)將貫穿于建筑的全壽命周期，提供持續(xù)的健康安全保障。

建筑結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)需要監(jiān)測(cè)若干個(gè)不同內(nèi)容的數(shù)據(jù)信息，并且要保證數(shù)據(jù)的采集量和準(zhǔn)確性，并進(jìn)行精確的傳送，利用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的處理和分析，才能做出準(zhǔn)確的評(píng)估。

3.1 監(jiān)測(cè)內(nèi)容

鑒于裝配式建筑結(jié)構(gòu)健康的內(nèi)在及外在表現(xiàn)，其監(jiān)測(cè)的內(nèi)容不僅是載荷應(yīng)力的監(jiān)測(cè)，也包括了結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)、快速損傷定位、結(jié)構(gòu)剩余壽命預(yù)測(cè)等。裝配式建筑的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的對(duì)象主要有：應(yīng)力、應(yīng)變、位移、壓力、溫度、結(jié)構(gòu)損傷等多種參數(shù)。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)常用傳感器與指標(biāo)對(duì)照表如表1所示。

最常用的傳感器有：光纖傳感器、壓電元件和應(yīng)變?cè)?。光纖傳感器有電絕緣、耐腐蝕、能在強(qiáng)電磁干擾等條件下工作等優(yōu)點(diǎn)，但成本較高，設(shè)備也比較復(fù)雜;壓電元件既可以作為傳感器也可以用作驅(qū)動(dòng)器，靈敏度高，動(dòng)態(tài)性能好，但它有脆性大、不易埋入結(jié)構(gòu)中，低頻特性等缺點(diǎn);應(yīng)變?cè)哂徐`敏度較高、靜態(tài)性能好和性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。鑒于裝配式建筑特殊的生產(chǎn)工藝，需要在模塊化構(gòu)件的工廠生產(chǎn)過(guò)程中將監(jiān)測(cè)所需要的各類傳感器植入構(gòu)件內(nèi)或預(yù)制在構(gòu)件表層，因此光纖傳感器作為預(yù)制傳感器是較為合適的選擇。