多源要素融合驅(qū)動的城鄉(xiāng)建筑群安全管理模式與實踐

楊新，焦柯，袁輝，彭子祥

（廣東省建筑設(shè)計研究院有限公司）

1 引言

隨著我國城鄉(xiāng)建設(shè)的發(fā)展和時間推移，以多、高層住宅小區(qū)為主要特點的城鄉(xiāng)建筑群公共管理問題日益增多，圍繞全生命周期信息管理、安全鑒定、修繕、決策等方面的服務(wù)需求逐漸凸顯。如何廣泛運用現(xiàn)代信息技術(shù)、管理手段，實現(xiàn)統(tǒng)籌服務(wù)與集約管理，成為目前城市化發(fā)展的重要一環(huán)。

基于目前主流大數(shù)據(jù)類型與采集方式，圍繞建筑物安全管理的多種來源要素，進(jìn)行單棟建筑關(guān)鍵要素的特征提取與評價?；诟鲉螚澖Y(jié)果，進(jìn)行城市時空分布推演，通過多種智慧城市技術(shù)，實現(xiàn)城鄉(xiāng)建筑群的規(guī)?；踩芾?，建立針對不同類別建筑的差異化預(yù)警管理體系。

2 建筑安全管理現(xiàn)狀分析

上世紀(jì)80年代至今，已經(jīng)有相當(dāng)數(shù)量的房屋服役了30a～40a，這部分房屋有較多的構(gòu)件缺陷，安全使用埋下了很大的隱患。盡管我國已構(gòu)建了完善的建筑物在建設(shè)施工階段的質(zhì)量管理體系，但對使用階段的質(zhì)量管理，雖然各地區(qū)已開始嘗試探索質(zhì)量管理的思路與方法，但國家缺乏統(tǒng)籌指導(dǎo)。

對比新加坡、美國、日本，已有對使用期建筑物要求進(jìn)行強(qiáng)制周期性鑒定，并配有相應(yīng)的法律、法規(guī)或標(biāo)準(zhǔn)。如新加坡的建筑控制法（Building Control Act）規(guī)定在建造后5a進(jìn)行強(qiáng)制鑒定，以后每隔 5a進(jìn)行一次；日本制定了《抗震建筑的維護(hù)管理基準(zhǔn)》， 要求竣工檢查、定期檢查、應(yīng)急檢查和詳細(xì)檢查，在建筑物竣工后第5年、10年及之后每 10a，對建筑物進(jìn)行一次全面檢查。

目前隨著國內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，我國針對城市公共管理措施手段也逐步發(fā)展形成多種數(shù)字化應(yīng)用，如各類政務(wù)平臺、微信服務(wù)平臺、地理城鄉(xiāng)規(guī)劃、衛(wèi)星遙感等，在公共服務(wù)、規(guī)劃、國土資源應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)得到十分成熟的應(yīng)用?；谥腔鄢鞘邢嚓P(guān)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，在垂直化、條塊化發(fā)展的同時，本文提出沿橫向融合化的實現(xiàn)方式，充分發(fā)揮數(shù)據(jù)交叉融合應(yīng)用的優(yōu)勢，實現(xiàn)建筑群的精細(xì)化安全管理，與城市綜合管理各方面實現(xiàn)環(huán)環(huán) 相扣。

3 建筑群安全管理的要素與來源

數(shù)據(jù)是進(jìn)行各類科學(xué)分析決策的依托。大數(shù)據(jù)體系建立后，能對各類決策提供數(shù)據(jù)支撐，實現(xiàn)科學(xué)決策，依據(jù)合理，分析有序，成效可估，結(jié)果可指導(dǎo)后續(xù)其他工作的開展。

在智慧城市發(fā)展過程中，由于傳統(tǒng)行業(yè)無數(shù)據(jù)沉淀作為支撐，數(shù)據(jù)來源窄，數(shù)據(jù)采集成本高，頻率低，數(shù)據(jù)采用私有化協(xié)議，數(shù)據(jù)不開放，無規(guī)范接口，成為目前城鄉(xiāng)建筑管理數(shù)據(jù)來源的 障礙。

建筑物要素分為地理時空信息與樓棟信息。其中地理時空信息不依賴于建筑物，以地理空間進(jìn)行組織，以場地地貌、社會功能劃分、危險源分布、氣象與歷史遙感資料為主；樓棟信息以單棟建筑物為單位，進(jìn)行基本屬性、結(jié)構(gòu)安全信息、消防與設(shè)備安全信息、裝飾構(gòu)件信息為主。建筑物要素構(gòu)成見表1。

對于要素的獲取來源分散而困難的問題，本文提出分散采集、特征針對性提取、要素融合的方式進(jìn)行實現(xiàn)。如利用已有的存檔資料、人工巡檢建檔、既有數(shù)據(jù)庫匹配錄入、遙感資料、實時傳感器記錄等。通過各類手段和設(shè)備采集大范圍、深層次的結(jié)構(gòu)安全管理數(shù)據(jù)，構(gòu)建建筑物聯(lián)網(wǎng)平臺的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。通過大數(shù)據(jù)和數(shù)字化的作用，實現(xiàn)對影像、記錄、監(jiān)控數(shù)據(jù)的實時分析采集，基于5G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時接收與回傳，逐步完善底層數(shù)據(jù)體系。

表1 多源要素的構(gòu)成及特征

4 多源安全要素特征的融合評估方法

針對城鄉(xiāng)建設(shè)中分布廣泛而多樣的數(shù)據(jù)，通過以技術(shù)為主導(dǎo)分析手段的完善，多變量評價方法，實現(xiàn)對人文公共領(lǐng)域，通過數(shù)理統(tǒng)計手段進(jìn)行定性定量地決策與主觀彈性目標(biāo)的兼容，實現(xiàn)彈性決策。

在實踐過程中，針對廣州市城區(qū)十萬余棟建筑，采用智能化的決策方案，分層級采用不同的要素分析方法，如基于剛度損傷、直接評估法、模糊綜合評價法、人工智能專家系統(tǒng)、等效剛度模型等方法，實現(xiàn)多層級的建筑群安全評估。其中采用四類具有代表性的數(shù)據(jù)分析評價方法的基本原理如下。

1）直接評估法

結(jié)構(gòu)安全直接評估方法是基于已有的存檔資料，現(xiàn)場人工查看，檢測和設(shè)備的實時監(jiān)控數(shù)據(jù)的各類要素屬性進(jìn)行人工打分。結(jié)構(gòu)安全直接評估包括上部結(jié)構(gòu)安全直接評估和地基基礎(chǔ)安全直接評估，最后綜合上部結(jié)構(gòu)安全直接評估和地基基礎(chǔ)安全直接評估結(jié)果得到結(jié)構(gòu)的整體評估結(jié)果，為評價已有建筑的安全和健康狀態(tài)提供依據(jù)。

2）模態(tài)損傷特征評估法

針對缺乏歷史資料的建筑，按結(jié)構(gòu)模態(tài)響應(yīng)實測數(shù)據(jù)，建立簡化的結(jié)構(gòu)模型，為結(jié)構(gòu)承載能力分析與特殊災(zāi)害評價提供分析基礎(chǔ)，并通過多次測量修正，使得損傷識別不需要結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度信息，適用于實際建筑的損傷評估。

3）貝葉斯網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)

采用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)概率圖模型，建立了融合專家經(jīng)驗知識及數(shù)據(jù)訓(xùn)練所得規(guī)則的結(jié)構(gòu)安全評估專家系統(tǒng)，基于貝葉斯參數(shù)學(xué)習(xí)、推理診斷算法進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全評估，形成基于變分貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)安全評估專家系統(tǒng)。

4）建筑群時空要素推演補(bǔ)全

基于建筑各項安全評價相關(guān)的要素值，建立建筑群畫像，實現(xiàn)類型、年代、地域相近的建筑物歸類，對歸類后的建筑進(jìn)行空間特征擬合與補(bǔ)全，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)的集約化采集與錄入。以廣州市老城區(qū)為例，對建成時間、建筑高度、建筑體系進(jìn)行聚類分析后，可實現(xiàn)在時空分布上的建筑要素特征的補(bǔ)全，得到結(jié)構(gòu)體系、耐久性、抗震性能評 價值。

通過時空描述建立建筑圖譜，實現(xiàn)片區(qū)集約化評估，基于建筑的基本屬性，建立建筑群畫像，通過圖譜實現(xiàn)時空數(shù)據(jù)的擬合評估（見圖1）。

5 大數(shù)據(jù)驅(qū)動的信息化管理模式

建筑物作為公民活動的載體，在我國多高層住宅小區(qū)的居住特點下，主要以多個責(zé)任主體共同組成的管理，因此在管理過程中，主要難點在于在長周期、多因素糅合的管理內(nèi)容中，通過彈性的方式系解決統(tǒng)籌協(xié)調(diào)分散責(zé)任的難點，考慮不同群體的公正化分配，平衡個體間的利益。

本文提出采用圍繞建筑物及其使用者下，數(shù)據(jù)驅(qū)動的建筑物全周期安全管理模式。該模式主要有四大核心環(huán)節(jié)，分別為數(shù)據(jù)管理、安全評估、區(qū)域決策、實施落實（見圖2）。對建筑數(shù)據(jù)建檔與全周期跟蹤，采用技術(shù)手段完善分析效率與精度，以技術(shù)帶動決策、以物業(yè)協(xié)調(diào)平臺實現(xiàn)落地閉環(huán)，并通過區(qū)域統(tǒng)籌實現(xiàn)全過程監(jiān)管。

圖1 基于時空分布的建筑群要素擬合推演補(bǔ)全

5.1 數(shù)據(jù)管理與維護(hù)環(huán)節(jié)

基于大數(shù)據(jù)特點，建立圍繞建筑全壽命周期的檔案庫，對涵括建筑建設(shè)信息、建筑使用信息、建筑經(jīng)濟(jì)活動信息、建筑改造維護(hù)信息、建筑周邊關(guān)系信息在內(nèi)的全方位建筑物檔案。

在日常數(shù)據(jù)采集階段，建立安全信息巡檢員制度，統(tǒng)籌建筑結(jié)構(gòu)安全、消防安全、燃?xì)獍踩?、供電安全、裝飾安全的集中巡檢制度。提供多種建筑安全監(jiān)測手段（如物聯(lián)網(wǎng)實時監(jiān)測平臺、基于剛度特征的定期模態(tài)響應(yīng)監(jiān)測、現(xiàn)場結(jié)構(gòu)安全信息采集與處理），對重點監(jiān)測建筑實現(xiàn)自動化監(jiān)測。

圖2 數(shù)據(jù)驅(qū)動管理的四個核心環(huán)節(jié)

5.2 評估決策環(huán)節(jié)

獲得評估結(jié)果后，基于數(shù)據(jù)結(jié)論，定義建筑功能及狀態(tài)分層級的建筑安全評估模式，分層級采用不同深度的數(shù)據(jù)要素監(jiān)測手段（見表2）。對重點建筑采用實時監(jiān)測、定期巡訪；對次重點建筑采用定期剛度動力檢測、表觀裂縫情況巡查；對片區(qū)同年代同類型建筑，采用抽樣檢查，統(tǒng)籌評估（基于直接分析法、模糊積分法）；對于其他未覆蓋建筑，按遙感樓層輪廓及樓層數(shù)，采用等效剛度模型，進(jìn)行批量 評估。

表2 各類型建筑(群)的評估與決策內(nèi)容

5.3 區(qū)域統(tǒng)籌管理環(huán)節(jié)

基于時空地理信息系統(tǒng)和空間分析統(tǒng)計算法實現(xiàn)片區(qū)數(shù)據(jù)綜合挖掘與分析，實現(xiàn)抽樣結(jié)果在空間分布中的插值、擬合與推演，對城鄉(xiāng)片區(qū)實現(xiàn)覆蓋面更廣泛的建筑安全評估與災(zāi)害評估。數(shù)據(jù)采集根據(jù)安全類別，采用對應(yīng)的評估手段及決策內(nèi)容（見表3）。

根據(jù)所屬評估狀態(tài)及結(jié)果，定義建筑功能及狀態(tài)分層級的建筑安全評估模式。一為滿足正常使用的建筑安全處置，按評估不能滿足原設(shè)計用途及荷載的正常使用。分等級進(jìn)行加密監(jiān)測、局部構(gòu)件鑒定、整體鑒定、拆除等。二為特殊狀態(tài)的建筑安全應(yīng)急處置，如臺風(fēng)、地震、基坑開挖大變形等特殊情況下的處置機(jī)制。采集居住人，實現(xiàn)預(yù)警通知，實時評估，配合消防等部門提供建筑物分布等信息，公眾參與等。

在處置階段，建立對應(yīng)等級安全處置機(jī)制，對應(yīng)部門及聯(lián)系責(zé)任人建立即時聯(lián)絡(luò)機(jī)制，對于發(fā)現(xiàn)潛在的建筑不安全因素時進(jìn)行處理，并跟蹤處理結(jié)果。針對廣東省內(nèi)中小學(xué)校舍與公立醫(yī)院，進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取與區(qū)域評價，實現(xiàn)粗粒度的統(tǒng)籌管理（見圖3）。

表3 特征與層級監(jiān)控

5.4 物業(yè)管理決策服務(wù)環(huán)節(jié)

在物業(yè)服務(wù)環(huán)節(jié)，通過現(xiàn)代信息技術(shù)，圍繞建筑物建立全壽命周期的檔案庫，以專業(yè)化數(shù)據(jù)基礎(chǔ)作為工作的基礎(chǔ)，建立物業(yè)安全咨詢與顧問服務(wù)，通過理順權(quán)責(zé)過程，建立住建環(huán)節(jié)暢通的管理機(jī)制。通過建立信息互通機(jī)制，實現(xiàn)現(xiàn)場拍攝、安全評估、郵寄整改通知。并將處理結(jié)果與個人征信掛鉤，個人征信積分與后續(xù)市場行為和買房購房掛鉤，并在房產(chǎn)交易過程中將建筑信息檔案進(jìn)行同步跟蹤遷移，實現(xiàn)機(jī)制順暢的 過程。

圖3 重點監(jiān)控建筑（校園醫(yī)院）統(tǒng)籌管理

6 結(jié)語

本文提出了在大數(shù)據(jù)應(yīng)用模式下，圍繞城鄉(xiāng)建筑群開展數(shù)據(jù)驅(qū)動的安全管理模式。該模式主要分為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)、評估分析、區(qū)域統(tǒng)籌、決策實施四大環(huán)節(jié)。通過建立建筑安全評估大數(shù)據(jù)體系及多種方式完善建筑建檔，對建筑安全關(guān)鍵要素進(jìn)行特征融合與提取，通過建筑群時空推演與交叉分析評價，實現(xiàn)城鄉(xiāng)建筑群安全管理，并通過物業(yè)服務(wù)管理實現(xiàn)管理與決策閉環(huán)。