建筑外墻檢測技術(shù)及問題探討

查垚潤

（中建深圳裝飾有限公司，廣東深圳 518000）

1 建筑外墻檢測技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 擦窗機(jī)檢測

擦窗機(jī)是用于建筑物或構(gòu)筑物窗戶和外墻清洗、維修等作業(yè)的常設(shè)懸吊接近設(shè)備。大部分大廈的擦窗機(jī)都沒有起到應(yīng)有的作用。應(yīng)用擦窗機(jī)進(jìn)行建筑外墻檢測存在以下問題：

第一，是管理方面的問題。幕墻檢測、擦窗機(jī)操作都需要專業(yè)的人員來做，管理成本和擦窗機(jī)維護(hù)成本較高，且不能全天候作業(yè)。

第二，是安全方面的問題。擦窗機(jī)一般設(shè)置在樓頂，樓層高，風(fēng)速大，人在吊籃內(nèi)工作時存在一定的安全隱患。

第四，是效率問題。當(dāng)檢測完一列幕墻后，若需要檢測其他幕墻，需要將吊籃收回頂部再移動到下一列需要檢測的幕墻處，效率較低。

1.2 無人機(jī)遙感掃描檢測

無人機(jī)遙感掃描檢測是將遙感傳感器（光學(xué)相機(jī)、多光譜成像、紅外掃描、激光掃描等技術(shù)）裝載在無人機(jī)上，遙控?zé)o人機(jī)對整棟大廈進(jìn)行掃描，將掃描出的結(jié)果傳輸?shù)诫娔X上進(jìn)行分析，查看幕墻哪里出現(xiàn)問題。無人機(jī)遙感掃描不用安裝固定設(shè)備，可以節(jié)約大量空間；管理方便，一人即可操作；效率高，信息傳輸快。雖然相比于擦窗機(jī)來說有著很大的優(yōu)勢，但是其缺點(diǎn)也比較明顯。

第一，不能全天候作業(yè)，雨天雨水會折射部分信號，使獲取的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。

第二，無人機(jī)飛得越高，所承受的風(fēng)力越大，很難保持穩(wěn)定的掃描作業(yè)。

第三，無人機(jī)控制信號容易受到電磁干擾和大功率發(fā)射器干擾，使無人機(jī)GPS 信號丟失。

第四，續(xù)航問題。無人機(jī)的電池同時給驅(qū)動系統(tǒng)和遙感掃描系統(tǒng)供電，不宜長時間作業(yè)。

第五，結(jié)合第三和第四點(diǎn)，無人機(jī)失去控制或動力供應(yīng)，將撞向建筑物或從高空墜落，相當(dāng)于高空拋物，存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

第六，不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測，每次檢測都需要重新操縱無人機(jī)掃描大廈。

由表3可以看出，不同退耕還林地間作黑麥草后均提高了林木青海云杉的生長量，不同退耕還林地林木青海云杉的樹高、冠幅和新梢長度平均值分別為1.73m、1.64m和16.44cm，較對照(CK)平均值分別提高了14.57%、22.39%和19.22%。

1.3 傳感器檢測

傳感器檢測是在幕墻上安裝多種傳感器，使用導(dǎo)線連接到控制器，傳感器檢測到的數(shù)據(jù)以電信號的方式傳輸給控制器，控制器再將獲取的信號傳輸?shù)诫娔X上進(jìn)行分析。此方式相比于擦窗機(jī)與無人機(jī)遙感掃描來說具備諸多優(yōu)點(diǎn)[1，2]：（1）可以全天候作業(yè)，不懼風(fēng)雨；（2）不容易受到電磁干擾，信號傳輸能保持穩(wěn)定；（3）導(dǎo)線連接供電，不用擔(dān)心像無人機(jī)一樣的續(xù)航問題；（4）正常供電的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時監(jiān)測，每時每刻都在監(jiān)測著幕墻狀態(tài)，信息獲取及時。

傳感器檢測也有一些明顯的缺點(diǎn)：

第一，需要安裝的傳感器較多，每一塊幕墻的信號傳輸都要具備唯一性。

第二，供電問題。室內(nèi)用電為220 V，而大部分傳感器和控制器的工作電壓在3～5 V，這需要電源適配器對電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，電源適配器長時間接通，當(dāng)遇到電壓不穩(wěn)或停電，或處于潮濕和較熱的環(huán)境中，容易燒壞。斷電后就不能繼續(xù)工作。

第三，使用壽命問題。大部分廠家生產(chǎn)的導(dǎo)線絕緣層較薄，使用壽命不長，導(dǎo)線需要加厚絕緣層并做防腐措施，傳感器使用時間久了，其精確度會降低，需要特殊定制，傳感器和控制器必須做好隔離措施。

1.4 幕墻機(jī)器人檢測

將圖像處理技術(shù)、傳感技術(shù)、機(jī)械自動化等技術(shù)集成為一體，機(jī)器人采用攀爬、吸附、飛行等方式對建筑幕墻掃描檢測。原理與無人機(jī)相差無幾，優(yōu)點(diǎn)是不需要人為控制，正因如此，機(jī)器人檢測的方式多了一個不可控的因素，失控之后對建筑幕墻和周圍環(huán)節(jié)造成的損失也是不可估量的。

上述4 種檢測方法各有優(yōu)劣，目前，無人機(jī)遙感掃描和傳感器檢測依然沒有解決能源穩(wěn)定供給的問題。當(dāng)前的檢測技術(shù)只有等到幕墻出現(xiàn)問題了才能檢測出結(jié)果，部分缺陷不明顯是很難被發(fā)現(xiàn)的，如玻璃自爆問題，石材內(nèi)部暗裂，螺栓松動等，當(dāng)發(fā)現(xiàn)明顯問題后，維修成本和安全隱患將大大增加。

為了提高幕墻的檢測效率以及檢測的全面性，建筑外墻檢測技術(shù)急需更新?lián)Q代，專利CN 2021102473476 和CN 2021204878275 很好地講述了傳感器檢測幕墻的優(yōu)勢。其理念是采用光伏幕墻與傳感系統(tǒng)相結(jié)合，外力施壓裝置與傳感系統(tǒng)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)綠色能源的利用，將電能儲存起來，穩(wěn)定提供電源，能夠提前預(yù)測幕墻問題。

2 目前的建筑發(fā)電方式

1）光伏發(fā)電。分為“光—電”發(fā)電，“光—熱—電”發(fā)電。光伏幕墻大部分為“光電”發(fā)電的形式，太陽照在光伏板（光伏玻璃）上，其內(nèi)部的電子吸收光子能量，使其克服內(nèi)部引力做功形成電流。我國很早就進(jìn)入了光伏行業(yè)，國家對光伏發(fā)電也有較大的扶持，國內(nèi)的光伏發(fā)電在幕墻方面應(yīng)用較多[3]。

2）溫差發(fā)電。金屬中溫度不均勻時，溫度高處的自由電子比溫度低處的自由電子動能大，穩(wěn)定不均勻時會產(chǎn)生熱擴(kuò)散，因此，自由電子從溫度高端向溫度低端擴(kuò)散，在低溫端堆積起來，從而在導(dǎo)體內(nèi)形成電場，在金屬兩端便形成一個電勢差（見圖1）。在炎熱的夏天，許多被阻擋在建筑外部的熱能沒得到合理利用，流失了大量有用的綠色能源。

圖1 溫差發(fā)電原理示意圖

3）風(fēng)力發(fā)電。建筑樓層越高，所承受的風(fēng)壓越大，大量的風(fēng)能從建筑物身邊流失，若在建筑外側(cè)設(shè)置風(fēng)力發(fā)電裝置，可將電能儲存起來。合理的結(jié)構(gòu)型式能引導(dǎo)風(fēng)向流動，也能降低風(fēng)壓對建筑的影響，每年可以節(jié)約很大的耗電量。

4）水+重力發(fā)電。辦公大樓內(nèi)部每天用水量較大，不論是洗手、沖廁所還是打掃衛(wèi)生，污水都會通過管道從高處排向低處，最終排入下水道。水在排泄過程中，產(chǎn)生了大量的重力勢能，樓層越高，產(chǎn)生的重力勢能越大。可以將排污管內(nèi)的水充分利用，在每層樓的分支管道安裝小型渦輪發(fā)電裝置，或在大樓底部安裝發(fā)電機(jī)，將水的重力勢能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能運(yùn)動，用來發(fā)電并存儲起來，可以為樓梯間的燈、喇叭、傳感器、指示燈等提供電源。

5）壓力發(fā)電是利用壓電效應(yīng)來發(fā)電的方式。壓電效應(yīng)：某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個相對表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。當(dāng)外力去掉后，它又會恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。壓電體受到外電場作用而發(fā)生形變，其形變量與外電場強(qiáng)度成正比，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)[3]。辦公大樓每天進(jìn)進(jìn)出出幾百名甚至上千名人員，人的行走過程就是一個隱藏的清潔能源，可以在地板內(nèi)設(shè)置壓電材料，當(dāng)人踩踏在地板上由于壓電效應(yīng)即產(chǎn)生電能，不斷有人在地上走動，這些電能就能不斷儲存，將產(chǎn)生的直流電通過逆變電路轉(zhuǎn)換為交流電，能為辦公空間的照明提供穩(wěn)定電源。

人們可以將光伏發(fā)電、溫差發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電等都利用到幕墻上，溫差發(fā)電不僅適用于玻璃幕墻也適用于金屬幕墻。

3 采用傳感器進(jìn)行幕墻檢測的方式

光伏幕墻產(chǎn)生的電能存儲在蓄電池內(nèi)，給傳感器和控制器提供電源，傳感器對幕墻的檢測主要有以下幾種方式。

1）對金屬幕墻的檢測：在金屬幕墻板塊安裝應(yīng)變片，當(dāng)金屬板發(fā)生變形時，應(yīng)變片阻值發(fā)生改變，阻值變化由壓力傳感器傳輸給控制器分析，檢測出幕墻有問題。

2）對石材幕墻的檢測：在石材幕墻板塊背部安裝超聲波傳感器，超聲波檢測石材一直處于穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)石材表面或內(nèi)部破損開裂，超聲波碰到裂紋分界面會產(chǎn)生顯著反射，形成反射回波，波形與正常狀態(tài)不一樣時，檢測出幕墻有問題。

3）對玻璃幕墻的檢測：在玻璃背部安裝應(yīng)變片或者紅外傳感器，紅外線傳感器穿過玻璃檢測，如果玻璃出現(xiàn)微裂紋或明顯裂紋，紅外線被折射，探頭就會檢測到有異常，檢測出幕墻有問題。

4）對幕墻漏水的檢測：在幕墻打膠密封處和上下橫梁連接部位設(shè)置雨滴傳感器，若有雨水進(jìn)入，傳感器檢測到雨水信號傳輸給控制器分析，檢測出幕墻有問題。

5）對螺栓松動的檢測：使用角位移傳感器，設(shè)置好閾值，當(dāng)角位移傳感器檢測到螺母位置發(fā)生改變，則檢測出螺釘發(fā)生松動。

6）對面板傾斜的檢測：使用位置傳感器或傾斜傳感器，當(dāng)面板位置發(fā)生傾斜，傾斜方向觸碰到位置傳感器，則檢測出幕墻有問題，又或傾斜傳感器內(nèi)部組件位置改變，則檢測出幕墻有問題。

7）對幕墻問題的預(yù)測：幕墻各關(guān)鍵部位安裝應(yīng)變傳感器，應(yīng)變傳感器可以時刻測量受力后的整塊幕墻板塊的微動應(yīng)力變化[4]，如刮風(fēng)、下雨、積雪、受撞擊等，通過微動應(yīng)力變化，計(jì)算出幕墻的疲勞壽命，由此推算出幕墻未來大概在什么時候什么部位會出現(xiàn)問題。

8）對玻璃自爆問題的預(yù)測：玻璃自爆的因素是受到內(nèi)部硫化鎳和其他晶體的影響，硫化鎳發(fā)生相變后體積會膨脹2%～4%，是使玻璃發(fā)生自爆的主要因素之一[5]?？梢允褂霉鈱W(xué)相機(jī)和紅外掃描技術(shù)結(jié)合，通過圖像處理技術(shù)分析硫化鎳和相關(guān)晶體是否處于張應(yīng)力區(qū)域，如果處于的話，就要提前對此塊玻璃做相應(yīng)的保護(hù)措施。

4 結(jié)語

上述檢測方法并不是唯一的，可以使用多種傳感器相結(jié)合進(jìn)行檢測，也可以是一種傳感器檢測多種狀態(tài)，隨著社會科技的進(jìn)步，也會出現(xiàn)新的檢測方式和傳感器。

幕墻檢測維護(hù)方面，會往無人化、自動化、智能化方向發(fā)展，如清洗玻璃靠機(jī)器人自動清洗，更換玻璃時，只需要將工廠做好的玻璃板塊放到機(jī)器指定位置，機(jī)器會自動將板塊提升，自動拆卸和安裝，節(jié)省了大量人力，提高了效率。又如將傳感器檢測到的信號傳輸?shù)诫娔X上后，以模型可視化的方式呈現(xiàn)建筑幕墻出現(xiàn)的問題，從三維模型上直觀查看，并可以通過App 或短信發(fā)送信號，提醒相關(guān)負(fù)責(zé)人進(jìn)行維修。還可以將該信息管理平臺與元宇宙網(wǎng)絡(luò)連接，維修人員帶上VR 設(shè)備，可以在元宇宙世界里直接查看幕墻出現(xiàn)的問題，在3D 界面模擬維修更換，提前預(yù)演、預(yù)防現(xiàn)實(shí)中可能存在的風(fēng)險(xiǎn)。