基于物聯(lián)網(wǎng)的房建項(xiàng)目試驗(yàn)檢測(cè)方法研究

曾巍偉

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司，天津 300222)

住宅建設(shè)項(xiàng)目建設(shè)階段的復(fù)雜性直接影響到住宅建設(shè)項(xiàng)目結(jié)構(gòu)的安全性，提高施工風(fēng)險(xiǎn)概率，降低使用壽命，因此，建設(shè)單位既要保證住宅結(jié)構(gòu)安全，又要加快施工進(jìn)度，這就導(dǎo)致了施工安全、工程進(jìn)度和經(jīng)濟(jì)效益之間的矛盾。為了解決這一問(wèn)題，有必要對(duì)住宅建設(shè)項(xiàng)目的檢測(cè)方法進(jìn)行研究，通過(guò)試驗(yàn)獲得最佳的施工方案和材料，保證住宅建設(shè)項(xiàng)目的實(shí)際效益。

房建項(xiàng)目出現(xiàn)事故的原因是無(wú)證設(shè)計(jì)、施工，管理制度不完善，人員對(duì)房建項(xiàng)目結(jié)構(gòu)性能安全的認(rèn)知不夠，缺乏選擇結(jié)構(gòu)類(lèi)型與施工技術(shù)等，對(duì)此，張仕山等[1]提出一種基于對(duì)象的集成DS證據(jù)理論和模糊集的建筑物檢測(cè)方法，在對(duì)象分割的基礎(chǔ)上進(jìn)行建筑物自動(dòng)檢測(cè)，使其適用于高分影像復(fù)雜場(chǎng)景。吳珍云等[2]開(kāi)展了江蘇農(nóng)居建筑現(xiàn)場(chǎng)抽樣調(diào)查及結(jié)構(gòu)特征分析，建設(shè)和推廣具有抗震設(shè)防措施的集中住宅區(qū)，為有效提高農(nóng)居建筑整體抗震性能提供保障。

本文總結(jié)以往研究成果，以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一個(gè)房建項(xiàng)目試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，利用混凝土回彈儀檢測(cè)混凝土強(qiáng)度與彈性模量，利用無(wú)線(xiàn)式墻體傳熱系數(shù)檢測(cè)裝置檢測(cè)墻體保溫性能，利用鋼筋計(jì)及配套讀數(shù)儀檢測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)與模板的支撐性能，基于物聯(lián)網(wǎng)中的無(wú)線(xiàn)傳感器技術(shù)，設(shè)計(jì)傳輸程序，利用藍(lán)牙、BDS等實(shí)時(shí)采集和傳輸檢測(cè)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)中心服務(wù)器內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并存儲(chǔ)，利用SAP2000軟件計(jì)算并輸出試驗(yàn)報(bào)告。測(cè)試結(jié)果證明本文研究的基于物聯(lián)網(wǎng)的房建項(xiàng)目試驗(yàn)檢測(cè)方法，能夠精準(zhǔn)檢測(cè)分析房建項(xiàng)目各項(xiàng)性能，為建設(shè)更具安全舒適的建筑提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 工程概況

試驗(yàn)中所用的房建項(xiàng)目試驗(yàn)檢測(cè)用地9396 m2，總占地面積72 352 m2，項(xiàng)目高82.9 m。該工程共包含兩棟樓，均為15層；使用年限是60年，抗震強(qiáng)度為7度，防水等級(jí)是Ⅱ級(jí)，1層層高是5.2 m，2～3層的層高是4.2 m，剩下層高均是3.4 m，結(jié)構(gòu)類(lèi)型是鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，梁截面大小為360 m×800 m，剪力墻厚度是310 mm，支撐架是鋼管立柱，橫桿在離樓板190 mm處安裝掃地桿，第二層水平桿與地面的距離是1600 mm，為提升承重架的穩(wěn)定性，需令其形成一個(gè)整體；在一號(hào)樓底部安裝疊層橡膠隔振支座，對(duì)比分析框-剪結(jié)構(gòu)與框-剪隔振結(jié)構(gòu)的抗震性能。隔振支座為半徑是510 mm的NRB與LRB，具體參數(shù)如表1所示。

表1 支座參數(shù)

該工程墻體設(shè)計(jì)共分成兩種類(lèi)型，東西北三個(gè)方向的立面外墻是抹灰飾面外墻，從里至外依次是石膏板層、保溫層、竹材料墻板、水泥砂漿與涂料[3]。為符合建筑防水與節(jié)能需求，通過(guò)水泥砂漿與外墻涂料飾面墻壁最外層；其中保溫層由竹材龍骨與巖棉形成，龍骨大小是36 mm×50 mm，間距是660～710 mm。南面的立面外墻采用掛板飾面外墻，從里至外依次是石膏板層、保溫層、竹材料墻板與竹簾膠合板。墻體構(gòu)建材料的熱物理性能參數(shù)如表2所示。

表2 熱物理性能參數(shù)

該工程一號(hào)樓與二號(hào)樓5層與8層澆筑混凝土?xí)r，預(yù)留部分試件，檢測(cè)其抗壓強(qiáng)度與彈性模量，混凝土由C40的硅酸鹽水泥構(gòu)成，分別采用相同的標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)這些試件，在施工場(chǎng)地展開(kāi)相同條件養(yǎng)護(hù)(同護(hù))，在攪拌混凝土的地方展開(kāi)標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)(標(biāo)護(hù))，分別在4天、8天、15天與29天的時(shí)候檢測(cè)試件的有關(guān)指標(biāo)，5層與8層每層混凝土試件的預(yù)留情況如表3所示。

表3 混凝土試件預(yù)留情況

1.2 試驗(yàn)方法

以房建項(xiàng)目檢測(cè)需求為目標(biāo)，塑造檢測(cè)過(guò)程管理信息的平臺(tái)，完成計(jì)劃預(yù)報(bào)、分發(fā)、上傳現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)等操作，該平臺(tái)的主要功能是完成檢測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸，增強(qiáng)房建項(xiàng)目試驗(yàn)檢測(cè)效果?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備混凝土回彈儀、無(wú)線(xiàn)式墻體傳熱系數(shù)檢測(cè)裝置與鋼筋計(jì)及配套讀數(shù)儀，其作用分別是檢測(cè)混凝土強(qiáng)度與彈性模量、檢測(cè)墻體保溫性能、檢測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)與模板的支撐性能[4]。

傳統(tǒng)的檢測(cè)方法難以穿透多層墻體檢測(cè)相關(guān)性能，而本文以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)[5]，設(shè)計(jì)應(yīng)用程序，利用無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)布置在現(xiàn)場(chǎng)的多個(gè)檢測(cè)設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)傳輸，傳輸示意圖，如圖1所示。該程序能夠連接安裝在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備的藍(lán)牙，實(shí)時(shí)采集檢測(cè)數(shù)據(jù)，利用手機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸至服務(wù)器。經(jīng)由移動(dòng)設(shè)備的攝像頭、GPS(北斗導(dǎo)航系統(tǒng))采集現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)，再打包數(shù)據(jù)傳到服務(wù)器內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸圖

以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的室內(nèi)檢測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸示意圖如圖2所示。在接收試驗(yàn)任務(wù)后，試驗(yàn)開(kāi)始，安裝在設(shè)備中的傳感器開(kāi)始實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，每接收一個(gè)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)就封包處理，通過(guò)數(shù)據(jù)中心服務(wù)器傳遞數(shù)據(jù)至房建項(xiàng)目監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)監(jiān)管系統(tǒng)，利用監(jiān)控?cái)z像頭錄制試驗(yàn)過(guò)程；每次試驗(yàn)結(jié)束后，在數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的硬盤(pán)內(nèi)存儲(chǔ)錄制文件；采集的數(shù)據(jù)傳輸至試驗(yàn)軟件中，利用該軟件計(jì)算并輸出試驗(yàn)報(bào)告?，F(xiàn)場(chǎng)與室內(nèi)整套設(shè)備安裝完成后，能夠?qū)崟r(shí)采集試驗(yàn)過(guò)程的數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)存儲(chǔ)混凝土強(qiáng)度測(cè)試與應(yīng)力值曲線(xiàn)等。

圖2 室內(nèi)設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸圖

房建項(xiàng)目試驗(yàn)位置如圖3所示。根據(jù)圖3將檢測(cè)儀器放在指定位置后，利用物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)，實(shí)時(shí)采集和傳輸溫度數(shù)據(jù)、抗壓數(shù)據(jù)和抗震彈性數(shù)據(jù)，采用服務(wù)器計(jì)算建筑的保溫性能、抗壓強(qiáng)度與抗震性能。

圖3 房建項(xiàng)目試驗(yàn)結(jié)構(gòu)

令剪力墻第i層材料厚度是δi，墻體傳熱阻的計(jì)算公式如下：

(1)

其中，導(dǎo)熱系數(shù)是λi；內(nèi)、外表面換熱阻是Ri、Re，取值是0.12(m2·K)/W、0.06(m2·K)/W。

空氣間層厚度是26 mm，熱阻為0.15 (m2·K)/W。

(2)

其中，保溫巖棉層的面積是S棉，竹材龍骨層的面積是S龍。

保溫層平均熱阻的計(jì)算公式如下：

(3)

混凝土彈性模量與強(qiáng)度間的關(guān)系如下[6-8]：

(4)

其中，彈性模量是EC；抗壓強(qiáng)度是f′；混凝土自重是w。

利用試驗(yàn)軟件中彈塑性時(shí)程分析法檢測(cè)房建項(xiàng)目的抗震性能，通過(guò)SAP2000軟件構(gòu)建該項(xiàng)目的三維模型，如圖4所示。

圖4 三維模型

在該模型中分別輸入EI Centro-NS、San Fernando-NS、Park Field-NS三個(gè)地震記錄，最大加速度峰值改成410 cm/s2，地震記錄的詳細(xì)內(nèi)容如表4所示。

表4 地震波輸入記錄

由此完成對(duì)建筑的保溫性能、抗壓性能、抗震性能的分析。

2 試驗(yàn)分析

2.1 外墻保溫性能分析

利用式(1)～(3)求解外墻熱傳阻理論值，并與常見(jiàn)外墻類(lèi)別的熱傳阻展開(kāi)對(duì)比，各外墻類(lèi)別熱傳阻對(duì)比結(jié)果如表5所示。

表5 不同外墻類(lèi)別熱傳阻對(duì)比結(jié)果

分析表5可知，抹灰飾面與掛板飾面的熱傳阻值均高于其他常見(jiàn)外墻類(lèi)別，說(shuō)明抹灰飾面與掛板飾面的外墻類(lèi)別保溫效果較優(yōu)，抹灰飾面外墻的熱傳阻相比三種常見(jiàn)外墻類(lèi)別分別高出1.2倍、1.1倍、1.5倍；掛板飾面外墻的熱傳阻相比三種常見(jiàn)外墻類(lèi)別分別高出2.0倍、1.8倍、2.4倍；經(jīng)過(guò)對(duì)比可知，掛板飾面外墻的保溫效果最優(yōu)。

2.2 混凝土抗壓強(qiáng)度分析

為了解早期混凝土強(qiáng)度、變形的變化趨勢(shì)，利用混凝土回彈儀測(cè)試預(yù)留混凝土試件在同護(hù)與標(biāo)護(hù)下第4天、8天、15天與29天齡期的抗壓強(qiáng)度演化結(jié)果，如圖4所示，主要特征量測(cè)試結(jié)果如表6所示。

圖5 抗壓強(qiáng)度演化結(jié)果

表6 主要特征量測(cè)試結(jié)果(單位：MPa)

根據(jù)圖5與表6可知，兩種養(yǎng)護(hù)條件下，前期混凝土試件的抗壓強(qiáng)度提升幅度均較大，標(biāo)護(hù)在第4天時(shí)的平均抗壓強(qiáng)度已占29天的44.6 %，在第8天時(shí)的平均抗壓強(qiáng)度已占29天的68.8 %；同護(hù)在第4天時(shí)的平均抗壓強(qiáng)度已占29天的47.6 %，在第8天時(shí)的平均抗壓強(qiáng)度已占29天的75.1 %；超過(guò)8天后，兩種條件養(yǎng)護(hù)下的混凝土抗壓強(qiáng)度整體提升幅度逐漸變小，說(shuō)明施工過(guò)程中混凝土早期提升速度較快，提升新澆筑樓層的抗力，能夠承受較多的荷載，降低下面每層模板支撐與樓板承受的荷載，可提升施工速度，增強(qiáng)施工時(shí)的安全控制效果。在齡期一致時(shí)，標(biāo)護(hù)試件的強(qiáng)度值大于同護(hù)試件的強(qiáng)度值，標(biāo)護(hù)試件的變異性較小，原因是其試件受環(huán)境影響較小。兩種養(yǎng)護(hù)條件下的變異系數(shù)均與齡期成反比，代表齡期延長(zhǎng)，外界對(duì)混凝土的影響不斷降低，其強(qiáng)度的提升趨勢(shì)不斷平穩(wěn)。

利用混凝土回彈儀測(cè)試預(yù)留混凝土試件在同護(hù)與標(biāo)護(hù)下第4天、8天、15天與29天齡期的彈性模量演化結(jié)果，如圖6所示，主要特征量測(cè)試結(jié)果如表7所示。

圖6 不同齡期的混凝土彈性模量變化趨勢(shì)

表7 主要統(tǒng)計(jì)特征量測(cè)試結(jié)果(單位：MPa)

根據(jù)圖6與表7可知，兩種養(yǎng)護(hù)條件下的彈性模量前期時(shí)其提升幅度均較大，標(biāo)護(hù)在第4天時(shí)的平均抗壓強(qiáng)度已占29天的66.5 %；同護(hù)在第4天時(shí)的平均抗壓強(qiáng)度已占29天的65.0 %；說(shuō)明在施工過(guò)程中，前期新澆筑樓層混凝土的彈性模量提升速度較快，增強(qiáng)梁與樓板的變形抗裂效果。依據(jù)剛度分配樓層間荷載的傳遞，前期新澆筑混凝土彈性模量提升幅度較大，利于為上面樓層承擔(dān)較多的荷載，降低下面樓層每層樓板支撐與樓板承受的荷載。在齡期一致時(shí)，標(biāo)護(hù)的試件相比同護(hù)的試件，其彈性模量略高，變異性較小，兩種條件養(yǎng)護(hù)下，其變異系數(shù)均與齡期成反比，標(biāo)護(hù)下的試件變異性較小的原因是其受環(huán)境影響較小。

2.3 混凝土結(jié)構(gòu)與模板的支撐性能分析

利用鋼筋計(jì)及配套讀數(shù)儀檢測(cè)1號(hào)樓與2號(hào)樓2至5層每層梁跨中的應(yīng)力值，如圖7、圖8所示，其中1號(hào)樓2、3層的施工周期為7天，4、5層的施工周期為9天，2號(hào)樓各層的施工周期均為14天，在施工過(guò)程中會(huì)不斷搭建與拆除支模架，1號(hào)樓搭建支模架時(shí)間長(zhǎng)于2號(hào)樓，拆除支模架時(shí)間短于2號(hào)樓。

圖7 1號(hào)樓每層梁跨中應(yīng)力值檢測(cè)結(jié)果

圖8 2號(hào)樓每層梁跨中應(yīng)力值檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)圖7與圖8可知，1號(hào)樓與2號(hào)樓每層應(yīng)力變化趨勢(shì)大致一樣，但是各工序?qū)е碌膽?yīng)力變化情況存在細(xì)微差別，各層混凝土澆筑完成后，混凝土的收縮現(xiàn)象導(dǎo)致鋼筋呈現(xiàn)受壓情況。前幾道工序中，各樓層梁跨中應(yīng)力值逐漸提升，在處于最高應(yīng)力值時(shí)，拆除上部支模架，樓板不會(huì)承受上部的荷載，僅剩樓板的自重，因此，應(yīng)力值呈下降趨勢(shì)，且不斷平穩(wěn)。

1號(hào)樓的2、3層施工周期短于4、5層，2、3層支模架上層混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間較短，降低其強(qiáng)度與承載效果，上層承受荷載減少，造成這兩個(gè)樓層的應(yīng)力值整體偏低，其臨時(shí)受力體系的底層荷載隨上部支模架搭建呈上升現(xiàn)象。2號(hào)樓最大應(yīng)力值整體高于1號(hào)樓；綜合分析可知，工期時(shí)間越長(zhǎng)，混凝土養(yǎng)護(hù)效果越好，可提升其承受荷載的能力，減少樓板承受的最大施工荷載。但2號(hào)樓的施工周期多于1號(hào)樓，其最大應(yīng)力值卻高于1號(hào)樓，原因是2號(hào)樓拆除支模架的時(shí)間短于1號(hào)樓，拆模時(shí)間越短，混凝土的齡期越短，其上部承載能力隨之降低，在臨時(shí)受力體系支模架拆除情況下，混凝土可承受的荷載變少，導(dǎo)致2號(hào)樓的最大應(yīng)力值高于1號(hào)樓。

2.4 房建項(xiàng)目抗震性能分析

利用試驗(yàn)軟件中彈塑性時(shí)程分析法檢測(cè)房建項(xiàng)目的抗震性能，框-剪結(jié)構(gòu)與框-剪隔振結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)檢測(cè)結(jié)果如圖9所示。

圖9 加速度響應(yīng)檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)圖9可知，在不同地震波時(shí)，框-剪結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)幅度均顯著高于框-剪抗震結(jié)構(gòu)，框-剪抗震結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)一致，均比較平穩(wěn)；框-剪結(jié)構(gòu)的最大加速度分別是1180 cm/s2、1400 cm/s2、500 cm/s2；框-剪抗震結(jié)構(gòu)的最大加速度均是34.9 cm/s2；在出現(xiàn)地震時(shí)，房建項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)剛度會(huì)提升，導(dǎo)致地震加速度響應(yīng)提升，在樓層底部安裝隔震結(jié)構(gòu)會(huì)使房建項(xiàng)目結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)明顯下降，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)使用期限，可確保房建項(xiàng)目功能完善，增強(qiáng)人們的安全感。

3 結(jié)論

研究房建項(xiàng)目的安全性非常重要，其安全性直接影響人們的生命與財(cái)產(chǎn)安全，在世界各國(guó)中的關(guān)注度均較高，為此研究基于物聯(lián)網(wǎng)的房建項(xiàng)目試驗(yàn)檢測(cè)方法?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)中的無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)傳輸流程，在布置現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)裝置上安裝藍(lán)牙，經(jīng)由移動(dòng)設(shè)備的攝像頭、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集和傳輸現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)，再打包數(shù)據(jù)傳到服務(wù)器內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。實(shí)驗(yàn)證明本文能夠從不同角度分析房建項(xiàng)目的外墻保溫性能、混凝土抗壓強(qiáng)度性能、混凝土結(jié)構(gòu)與模板的支撐性能、房建項(xiàng)目抗震性能，為提升房建項(xiàng)目安全性提供科學(xué)依據(jù)，確保房建項(xiàng)目功能完善，增強(qiáng)人們使用的安全感。