建筑物結(jié)構(gòu)中的安全監(jiān)測技術(shù)研究

田俊峰，顏曉華

(1.河北建筑科技學(xué)院 資源系，河北 邯鄲 056038； 2.桂林工學(xué)院 土木系，廣西 桂林 541004)

近年來，涉及建筑結(jié)構(gòu)性倒塌的事件引起了一個普遍的關(guān)注，結(jié)構(gòu)監(jiān)測、建模和管理提供了實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)缺陷早期預(yù)警的措施。這些措施是在結(jié)構(gòu)性健康監(jiān)測(SHM)的廣泛領(lǐng)域開展的活動，它應(yīng)用科學(xué)和工程監(jiān)測措施來防止生命和財(cái)產(chǎn)的損失。結(jié)構(gòu)性健康監(jiān)測屬于建筑信息學(xué)領(lǐng)域，該領(lǐng)域側(cè)重于信息處理活動、可視化和建筑信息的傳遞，并為解決建筑結(jié)構(gòu)安全挑戰(zhàn)提供了一種可行的方法。建筑信息學(xué)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，促進(jìn)了建筑監(jiān)控行業(yè)進(jìn)步，提高了管理效率和有效性。然而，大多數(shù)基于建筑信息學(xué)的信息系統(tǒng)都是專門為管理建筑建設(shè)過程而設(shè)計(jì)的，很少有人真正解決SHM工程實(shí)踐[1]?；谖锫?lián)網(wǎng)和BIM的新型集成信息系統(tǒng)(IIS)可以為SHM的實(shí)現(xiàn)提供一種策略，能夠檢測建筑結(jié)構(gòu)缺陷的發(fā)展，并為SHM活動帶來新的活力。提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的集成信息系統(tǒng)應(yīng)用程序，作為SHM的相關(guān)應(yīng)用程序開發(fā)的新范例。建筑結(jié)構(gòu)缺陷監(jiān)測旨在提高建筑安全監(jiān)測和管理任務(wù)的效率，結(jié)果表明，所提出的安全系統(tǒng)對建筑監(jiān)測和管理有著重要意義。

1 建筑信息學(xué)技術(shù)分析

1.1 建筑信息學(xué)

建筑信息學(xué)，也稱為建筑信息技術(shù)(IT)或建筑中的通信和信息技術(shù)，首次在信息模型中提出。它主要關(guān)注于建筑領(lǐng)域中使用的特定信息的處理、表示和交換相關(guān)的具體問題。自引入以來，建筑信息學(xué)已發(fā)展成為一種方法，促進(jìn)許多信息學(xué)技術(shù)的集成和協(xié)調(diào)。它改進(jìn)了決策能力，將信息學(xué)知識與建筑、土木工程、結(jié)構(gòu)工程、AEC(建筑、工程、建筑)和其他與建筑環(huán)境塑造相關(guān)的學(xué)科緊密聯(lián)系起來[2]。與信息學(xué)相關(guān)的主題適用于一些土木工程學(xué)科，例如產(chǎn)品建模、集成、并發(fā)工程、各種分析和監(jiān)測方法，以及遠(yuǎn)程工作和學(xué)習(xí)。因此，在各種類型的結(jié)構(gòu)問題中，使用該方法可以提供更有效的建筑安全前瞻性的解決方案。

1.2 建筑領(lǐng)域IIS系統(tǒng)發(fā)展背景

IIS系統(tǒng)已經(jīng)從集成范圍、集成工具、集成角度、集成角度、架構(gòu)和技術(shù)等各個角度進(jìn)行了研究。在文中已經(jīng)討論了核心IIS技術(shù)和典型的應(yīng)用，而 IIS已被證明為結(jié)構(gòu)監(jiān)測和管理中的復(fù)雜任務(wù)提供了有前途的解決方案。本文采用IIS系統(tǒng)中的建筑信息管理(BIM)，聯(lián)合物聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)集成和決策系統(tǒng)對建筑物結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。建筑信息管理通過以分布式和自我管理的方式提供傳感，包括一組促進(jìn)信息集成過程的基本概念和技術(shù)，并包括解決構(gòu)建信息學(xué)應(yīng)用程序開發(fā)中復(fù)雜問題的方法。此外，Web服務(wù)和集成模型已被用于創(chuàng)建可訪問的接口和管理IIS系統(tǒng)中的集成數(shù)據(jù)集。值得注意的是，這些研究主要是為了開發(fā)針對特定應(yīng)用程序的IIS；然而，關(guān)于IIS構(gòu)建信息學(xué)的工作較少。以往BIM的架構(gòu)和應(yīng)用都存在一些缺陷，基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)產(chǎn)生的異質(zhì)性和集成問題尚未得到很好的解決[3]。

1.3 建筑傳感通信概述

建筑信息管理是由傳感器(圖1)、信號處理和通信設(shè)施組成的多功能系統(tǒng)，旨在提供及時的信息，以安排維修和維護(hù)，以最大限度地減少結(jié)構(gòu)退化的影響。BIM結(jié)合了廣泛的傳感器和評估方法，以提供準(zhǔn)確的預(yù)測，使用戶能夠提高應(yīng)急準(zhǔn)備水平，并為建筑物用戶和企業(yè)提供更智能的服務(wù)[4]。目前，針對BIM在建筑物遙感中的應(yīng)用方面，開展了大量的研究工作，主要集中于遙感技術(shù)利用水平和未來電子遙感系統(tǒng)的潛在趨勢。各類建筑物傳感器如圖1所示。

圖1 各類建筑物傳感器示意Fig.1 Schematic diagram of various building sensors

同時，BIM的應(yīng)用在IIS方面取得了顯著的成就，而物聯(lián)網(wǎng)集成IIS方法的應(yīng)用有望促進(jìn)IIS集成的增加。然而，建立一個實(shí)用和先進(jìn)的IIS仍然需要相當(dāng)多的工作，必須考慮許多問題，特別是那些涉及理論研究和警告策略的方面。

2 建筑物監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 架構(gòu)層級

過去10年，IT和信息通信技術(shù)(ICT)的快速發(fā)展為IIS中實(shí)現(xiàn)構(gòu)建信息學(xué)應(yīng)用的集成信息架構(gòu)奠定了基礎(chǔ)。IIS的體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 IIS的體系結(jié)構(gòu)Fig.2 IIS architecture

該IIS的架構(gòu)包括以下4個層級[5]：傳感器數(shù)據(jù)收集層、數(shù)據(jù)處理的橋接層、數(shù)據(jù)集合層、數(shù)據(jù)監(jiān)測層。傳感器數(shù)據(jù)采集層是整個網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，其功能如圖3所示。這一層使用了許多不同類型的傳感器，固定在一個大規(guī)模、復(fù)雜的結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵位置，以獲取反映該結(jié)構(gòu)的壓力和健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)。該層包括數(shù)據(jù)感測和采集設(shè)備、信號調(diào)節(jié)和處理單元、數(shù)據(jù)存儲設(shè)備和有線/無線傳輸模塊。從傳感器獲得的模擬或數(shù)字信號在傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理和管理層之前，在本地?cái)?shù)據(jù)處理和控制單元中設(shè)置條件。這一層也是一個多標(biāo)準(zhǔn)的通信計(jì)算平臺，它兼容不同的有線/無線協(xié)議，如以太網(wǎng)、ZigBee、WiFi和4G/5G網(wǎng)絡(luò)中使用的協(xié)議[6]。

圖3 施工數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性示意Fig.3 Schematic diagram of construction data relevance

數(shù)據(jù)管理層作為一個過渡輔助層，涉及到對結(jié)構(gòu)性健康數(shù)據(jù)的高效管理和管理，并促進(jìn)監(jiān)控服務(wù)系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行。該層使用的數(shù)據(jù)管理模塊統(tǒng)一了數(shù)據(jù)包格式，并根據(jù)基于可擴(kuò)展標(biāo)記語言(XML)語法的預(yù)定義語義描述模型(DSDM)來描述數(shù)據(jù)包，支持靜態(tài)和動態(tài)數(shù)據(jù)管理[7]。因此，可以根據(jù)模型來解析建筑物安全性數(shù)據(jù)。此外，云計(jì)算服務(wù)還面向監(jiān)管部門和第三方機(jī)構(gòu)，為確保數(shù)據(jù)安全提供了一種有效的方法。

2.2 數(shù)據(jù)采集和傳輸

大量不同類型的分布式傳感器通常被用于實(shí)際的SHM應(yīng)用程序。在這種情況下，管理各種分布式傳感器和融合傳感器實(shí)際檢測到的各種數(shù)據(jù)的方法是一個特別困難的問題，必須得到充分解決。為此，將iDataBox與所提議的應(yīng)用程序中的數(shù)據(jù)采集和傳輸進(jìn)行了集成。iDataBox是SHM集成系統(tǒng)的中心終端。

2.3 iDataBox的架構(gòu)

iDataBox配備了高性能和基于開放平臺的平板電腦和無線傳輸單元，因?yàn)閕DataBox完全可用于建筑檢查人員和現(xiàn)場風(fēng)險(xiǎn)檢查人員進(jìn)行日常監(jiān)控。iDataBox的組件和接口如圖4所示。

圖4 iDataBox的組件和接口示意Fig.4 iDataBox components and interfaces

一個帶有顯示模塊的主控制器模塊和鍵盤被嵌入到數(shù)據(jù)盒的蓋子中。該數(shù)據(jù)傳輸模塊包括WiFi單元、ZigBee單元和RS-485端口。4個64針插孔(M1—M4)集成在iDataBox的中間，用于安裝測量模塊，用于進(jìn)行各種測量，如振動測量、電阻測量和電壓測量，以指示結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)[8]。這32個終端端口被設(shè)計(jì)為與所有類型的傳感器兼容，如鋼應(yīng)力計(jì)、接地壓力單元和其他第三方傳感器/設(shè)備兼容，這些傳感器可以通過各種有線/無線技術(shù)連接到iDataBox。

2.4 數(shù)據(jù)通信協(xié)議

本文設(shè)計(jì)了一個自定義協(xié)議來在iDataBox和主站之間傳輸數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)通信包括一系列協(xié)議，如查詢命令(Info)、開始數(shù)據(jù)收集命令(開始)、結(jié)束數(shù)據(jù)收集命令(結(jié)束)和讀取采集結(jié)果命令(讀取)。讀取命令接受來自測量模塊的數(shù)據(jù)，并添加一個創(chuàng)建數(shù)據(jù)段的頭。然后將數(shù)據(jù)段封裝成一個數(shù)據(jù)包，并與主站進(jìn)行交換。

與Read命令相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)處理如圖5所示，并包含了以下數(shù)據(jù)段[9]：①模塊類型(2個字節(jié))標(biāo)識測量模塊的類型。該字段的默認(rèn)值為ZX，表示振動線傳感器。②數(shù)據(jù)類型(1個字節(jié))字段具有雙重角色。如果設(shè)置了SYN標(biāo)志(N)，則該數(shù)據(jù)表示新的傳感器收集數(shù)據(jù)。如果SYN標(biāo)志為清除(0)，則該數(shù)據(jù)段已被主站接收。③D1(2個字節(jié))指定測量模塊中的第一個傳感器的數(shù)據(jù)值。④T1(2個字節(jié))指定測量模塊中的第1個溫度傳感器的數(shù)據(jù)值。

圖5 字段寄存分布示意Fig.5 Schematic diagram of field registration distribution

2.5 方法流程設(shè)計(jì)

用于數(shù)據(jù)包分析的UDP框架的一般處理方法是沿著一個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換鏈，根據(jù)語法和語義將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為通用數(shù)據(jù)，最后的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)被存儲在一個數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵任務(wù)是解析原始數(shù)據(jù)，并通過通用語法統(tǒng)一訪問。根據(jù)數(shù)據(jù)包描述和解析過程，將UDP方法分為多個階段，包括數(shù)據(jù)包描述文件配置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)包分析和后處理[10]。數(shù)據(jù)包分析UDP框架流程如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)包分析UDP框架流程示意Fig.6 Schematic diagram of data packet analysis UDP framework flow

2.6 基于XML標(biāo)準(zhǔn)的DSDM表達(dá)

XML正在迅速成為機(jī)器之間數(shù)據(jù)交換的標(biāo)準(zhǔn)。XML模式表達(dá)了共享的詞匯表，并允許機(jī)器通過提供一種用來定義XML文檔的結(jié)構(gòu)、內(nèi)容和語義的方法來執(zhí)行用戶定義的規(guī)則，XML對于在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中集成有結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)非常有用。因此，DSDM表示法是基于XML語法的。一般來說，語義是指對數(shù)據(jù)符號的解釋，如類、元素和約束的含義。在本文中，DSDM描述了設(shè)備數(shù)據(jù)包中這些特性的含義。DSDM是設(shè)備數(shù)據(jù)包的抽象表達(dá)式和定義，包括一組預(yù)定義的關(guān)鍵字、內(nèi)置的模式類型、表達(dá)式和操作符函數(shù)等特性，并且具有以下特點(diǎn)[11]：①UnifiedDef(UD)，語義描述模型的根節(jié)點(diǎn)，具有屬性格式和device_type；②數(shù)據(jù)包只有一個主節(jié)點(diǎn)標(biāo)記，并具有分隔符屬性；③數(shù)據(jù)要素表示數(shù)據(jù)元素的結(jié)構(gòu)信息，并具有分隔符、element_size、開始和結(jié)束等屬性，并具有名稱、大小和模式等屬性。

3 系統(tǒng)預(yù)警模型設(shè)計(jì)

建筑物安全監(jiān)測的警告規(guī)則是基于根據(jù)用戶定義的警告模型的監(jiān)控項(xiàng)目和功能中的特征化，以滿足不同層次的需求緊急性，每種類型的警告模型被分為3個級別。建筑物結(jié)構(gòu)預(yù)警方法如圖7所示。

圖7 建筑物結(jié)構(gòu)預(yù)警方法Fig.7 Early warning method of building structure

這3個警告級別分別為藍(lán)色、黃色和紅色。當(dāng)超過為監(jiān)測項(xiàng)目設(shè)定的給定閾值時，必須將警告信號發(fā)送給相關(guān)方，以便采取適當(dāng)?shù)膽?yīng)對措施。黃色警告級別向施工項(xiàng)目的安全主管發(fā)送警告信息。橙色的警告級別會將安全問題發(fā)送給項(xiàng)目經(jīng)理。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出紅色警告時，這是三級警告中最高的一個系統(tǒng)中，安全問題可能代表一個重大的安全風(fēng)險(xiǎn)，可能導(dǎo)致極其嚴(yán)重的安全狀況。因此，紅色警告信息將危險(xiǎn)通知發(fā)送給監(jiān)督部門。此外，預(yù)警系統(tǒng)在提供實(shí)時通知的同時，也記錄報(bào)警信息和相應(yīng)的數(shù)據(jù)流，供以后查詢。

4 物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合BIM方法應(yīng)用實(shí)踐分析

4.1 安全監(jiān)測系統(tǒng)總覽

本文以某大型建筑結(jié)構(gòu)為研究對象，該建筑物結(jié)構(gòu)的總建筑面積為59 313 m2。整體建筑物的基礎(chǔ)采用的是樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，通過預(yù)制管插入地層形成了堅(jiān)實(shí)的地基。由于該建筑物為商用建筑，其使用年限設(shè)計(jì)為50年。該建筑物結(jié)構(gòu)的整體面積具有復(fù)雜性，需要通過動態(tài)實(shí)時監(jiān)測并采用預(yù)警方法對體結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行監(jiān)測。基于IIS系統(tǒng)的BIM方法可有效地對其結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測，建筑物傳感器采用振弦式應(yīng)變計(jì)，數(shù)據(jù)采集站通過分布式布局可在建筑物內(nèi)部分散式地獲取有效數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集站的分布方式為BGK-MICRO-MCU，主要對該建筑物的鋼結(jié)構(gòu)部件的應(yīng)力變化情況進(jìn)行監(jiān)測，總體布局22個應(yīng)力監(jiān)測的主要部位，每一個部位布置多個監(jiān)測傳感器測試點(diǎn)。

4.2 BIM監(jiān)測平臺

將監(jiān)測系統(tǒng)的架構(gòu)以及設(shè)計(jì)完成后，需要對其監(jiān)測平臺進(jìn)行可視化設(shè)計(jì)，并且建立起數(shù)據(jù)庫。采用IIS系統(tǒng)的BIM監(jiān)測平臺對信息集成、動態(tài)響應(yīng)、多類型數(shù)據(jù)的監(jiān)測模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用SQL創(chuàng)建監(jiān)測對象的數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)BIM監(jiān)測平臺對某個建筑物全施工周期的安全動態(tài)實(shí)時監(jiān)測以及預(yù)警功能。

4.3 施工過程中的動態(tài)監(jiān)測

基于BIM監(jiān)測平臺的建筑物施工過程動態(tài)實(shí)時安全監(jiān)測具有重要性，對整體建筑物的使用壽命有著至關(guān)重要的影響。通過可視化的監(jiān)測，可以動態(tài)地監(jiān)測結(jié)構(gòu)施工中所存在的安全風(fēng)險(xiǎn)。該過程中將不斷地切換傳感器信號，實(shí)現(xiàn)對每個測點(diǎn)的應(yīng)力監(jiān)測，還可以在監(jiān)測界面中查閱每個測點(diǎn)的應(yīng)力狀況，系統(tǒng)將通過折線圖的形式展現(xiàn)給技術(shù)人員，對建筑物結(jié)構(gòu)安全的監(jiān)管人員提供最及時、最準(zhǔn)確的安全動態(tài)信息。

4.4 結(jié)構(gòu)安全預(yù)警

針對研究對象的建筑物，監(jiān)測構(gòu)件的屈服強(qiáng)度為235 MPa，根據(jù)構(gòu)件屈服強(qiáng)度的50%設(shè)定為預(yù)警臨界值，通過在動態(tài)實(shí)時安全監(jiān)測插件的內(nèi)嵌程序中調(diào)整預(yù)警臨界值為117.50 MPa，進(jìn)而運(yùn)行結(jié)構(gòu)監(jiān)測構(gòu)件安全預(yù)警功能，監(jiān)測到珠海歌劇院實(shí)際施工過程中并沒有發(fā)生異常。為了驗(yàn)證本文所提方法和開發(fā)插件的有效性，將編號為S1_H1W的傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)輸入為117.55 MPa，驗(yàn)證預(yù)警功能。當(dāng)監(jiān)測到結(jié)構(gòu)響應(yīng)值為117.55 MPa，立即發(fā)出警報(bào)聲，預(yù)警內(nèi)容提示編號為S1_H1W的傳感器采集的應(yīng)力發(fā)生異常，對應(yīng)的結(jié)構(gòu)監(jiān)測構(gòu)件處于不安全狀態(tài)，而且，基于BIM的監(jiān)測平臺追蹤到該構(gòu)件，定位于場景視圖中央并高亮顯示如圖8所示。通過上述驗(yàn)證，基于BIM平臺的預(yù)警功能可以根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目的需要，設(shè)定預(yù)警臨界值，并在動態(tài)實(shí)時安全監(jiān)測過程中，實(shí)現(xiàn)實(shí)時預(yù)警并定位到異常構(gòu)件。

圖8 結(jié)構(gòu)異常構(gòu)件的定位Fig.8 Location of structural abnormal components

5 結(jié)語

本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)和BIM的新型集成信息系統(tǒng)(IIS)，旨在提高構(gòu)建建筑信息學(xué)應(yīng)用中復(fù)雜任務(wù)的效率。本工作的主要結(jié)論如下。

(1)iDataBox數(shù)據(jù)采集終端的開發(fā)用于連接各種類型的傳感器設(shè)備，并收集、預(yù)處理和轉(zhuǎn)發(fā)傳感器數(shù)據(jù)。iDataBox通過提供強(qiáng)大的交互操作功能和物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)連接，可供建筑檢查員和現(xiàn)場風(fēng)險(xiǎn)檢查員進(jìn)行日常監(jiān)控。

(2)本文提出了一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)解析框架來解決與數(shù)據(jù)源異質(zhì)性相關(guān)的問題。定義了一個基于數(shù)據(jù)圖的語義描述，可以深刻地增強(qiáng)應(yīng)用程序開發(fā)效率，特別是當(dāng)將新的異構(gòu)傳感器設(shè)備與監(jiān)控平臺相結(jié)合時。

(3)擬議IIS的預(yù)警功能用于監(jiān)測建筑物結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)被證明具有高度模塊化和可擴(kuò)展的性能。IIS允許設(shè)置多個報(bào)警級別，并內(nèi)聯(lián)修改單個閾值；因此，它被證明是一個非常靈活的系統(tǒng)。因此，在這項(xiàng)工作中引入的新IIS有效地提高了建筑物結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測準(zhǔn)確性，通過BIM平臺為結(jié)構(gòu)監(jiān)測和早期預(yù)警應(yīng)用的未來發(fā)展提供了一個新的范例。同時，未來的工作可以集中在將擬議的IIS應(yīng)用于其他智能城市應(yīng)用中，如城市安全監(jiān)測和基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)督。