基于BIM的建筑裝配式鋼結構抗震性能檢測系統設計

羅海艷 顏軍 蔣連接

摘 要： 針對建筑裝配式鋼結構抗震性能檢測，由于采用傳統系統信息采集不詳細問題，導致檢測效果較差，提出基于BIM的建筑裝配式鋼結構抗震性能檢測系統設計。根據BIM抗震檢測系統結構，分析傳感節點基本功能，并設計傳感器節點電路圖，通過射頻通信方式進行處理，可將數據傳輸到檢測基站中。利用掃描信道來構建檢測基站，可收集全部數據，通過RS 232總線接口傳輸到PC主機中。依據BIM抗震性能檢測模型對硬件結構進行程序設計，將入網節點傳送給檢測基站，再由PC主機進行處理，由此實現抗震性能檢測系統的設計。通過實驗對比結果可知，該系統最高檢測效果可達到90%以上，為促進鋼結構抗震應用提供指導。

關鍵詞： BIM； 鋼結構； 建筑裝配式； 抗震； 檢測； 傳感器； 檢測基站

中圖分類號： TN911?34； TU3 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）19?0108?05

Abstract： Since the traditional building assembly steel structure seismic performance detection system can′t acquire the detailed information， and has poor detection effect， the design of BIM?based building assembly steel structure seismic performance detection system is proposed. According to the structure of the seismic detection system based on BIM， the basic functions of the sensor nodes are analyzed， and the circuit diagram of the sensor nodes is designed. The data can be transmitted to the detection base station by means of the radio frequency communication. The scanning channel is used to construct the detection base station， collect all the data， and then the data is transmitted to PC through the RS 232 bus interface. According to the BIM seismic performance detection model， the hardware structure is programmed， in which the network node is transmitted to the detection base station， and processed by PC to realize the design of the seismic performance detection system. The experimental contrast results show that the maximum detection effect of the system can reach up to 90%， and can provide the guidance for the seismic application of steel structure.

Keywords： BIM； steel structure； building assembly； aseismic structure； detection； sensor； detection base station

0 引 言

我國屬于多地震國家，許多地方發生的地震會對地面建筑物產生重大損失，甚至出現人員傷亡現象，因此對建筑物抗震性能檢測是至關重要的。在已有的建筑體系中，鋼結構作為主要建筑結構，在裝配式建筑中得到了廣泛應用。不同的結構形式，抗震性能明顯不同。以往混凝土建筑結構房屋受壓能力較好，但是抗震效果較差，房屋在地震循環負荷情況下容易發生整體塌陷。而鋼結構具有良好的延展性，可抵消地震產生的地震波，憑借自身特有的高延展性減輕了地震反應。為了檢驗鋼結構抗震性能，設計抗震性能檢測系統，在抗震性能檢測實驗里，模擬地震振動信號要經過必要的處理，應用信號傳輸設備進行分析，可有效檢測建筑裝配式鋼結構抗震效果。傳統方法采用雙絞線綜合布線方式對建筑裝配式鋼結構抗震性能進行分析，通過互相絞合方式抵抗一部分電磁波的干擾，但無法抵御全部電磁波，導致抗震性能檢測效果較差，為了解決該問題，本文提出基于BIM的建筑裝配式鋼結構抗震性能檢測系統設計。

1 建筑裝配式鋼結構抗震性能檢測系統設計

基于BIM建筑裝配式鋼結構抗震性能檢測與傳統檢測不同，該方法是以鋼結構項目信息數據作為核心，供多個專業協同評估與管理。

1.1 檢測系統硬件設計

在建筑裝配式鋼結構檢測系統上添加傳感器，并將其與檢測基站設備連接在一起，可構成檢測系統硬件結構，具體結構設計如圖1所示。

由圖1可知：在BIM建筑模型下，使用微處理器對采集到的數據進行處理，并傳送到基站設備中，可檢測建筑裝配式鋼結構抗震性能。

1.1.1 傳感器節點設計

針對無線傳感節點進行設計，基本框圖如圖2所示。

由圖2可知，設計無線傳感節點可采集地震信號，利用射頻通信方式對信號進行處理，將處理后的數據全部傳輸到檢測基站設備中。具體傳輸電路設計如圖3所示。

由圖3可知，傳感器節點由處理節點、數據存儲節點、傳感節點組成。存儲器選擇FLASHAT45DB041型號芯片，具有功率消耗低，電路連接簡單的優勢，適合傳感器節點使用。

1.1.2 檢測基站設備設計

檢測基站設備是為了構建網絡，接收來自傳感器節點的數據，同時將數據進行融合，并轉發給PC主機。針對檢測基站設備進行設計，基本框圖如圖4所示。

由圖4可知，檢測基站通過掃描信道來組件通信網絡，等待上述傳感器節點的加入。傳感器節點加入網絡后，檢測基站立即進入休眠狀態，直到產生振動信號為止，可收集全部數據，通過RS 232總線接口傳輸到PC主機中。

1.2 系統軟件流程設計與實現

基于BIM的建筑裝配式鋼結構抗震性能檢測系統軟件設計主要是對硬件中的傳感器節點程序和檢測基站程序進行設計。建筑信息模型BIM以建筑工程項目數據為基礎，通過數字信息仿真所具有的真實信息，利用三維建筑模型，實現數字化管理。BIM模型構建如圖5所示。

基于二維圖紙模型信息，構建受力結構三維BIM模型。該模型的構建在Revit軟件平臺上進行，對于建筑鋼結構抗震性能檢測的細節，主要依據建筑專業施工圖紙中局部詳細內容進行細化處理，由此提高系統檢測可靠性。

1.2.1 傳感器節點軟件流程設計

傳感器節點軟件流程主要是實現地震信號采集、處理和基站通信的過程，傳感器節點軟件流程設計如圖6所示。

由圖6可知：對傳感器節點進行初始化處理，等待請求連接命令的下達，如果連接成功，傳感器則接收到休眠請求，否則返回到上一步驟。與此同時，連接成功使數據全部發送出去，此時解除休眠。

當傳感器節點接收到數據發送信號后，開始向檢測基站發送請求分配命令，等待接收地址分配信號的下達。如果沒有接收到分配信號，則需經過隨機延時再次發出分配請求，不斷重復該步驟，直到接收到地址分配信息即可。當收到地址分配信息以后，需記錄自身節點地址，并傳送給檢測基站，直到返回一個地址確認信號可完成節點入網過程。

1.2.2 檢測基站軟件流程設計

檢測基站作為主要節點，能夠接收來自射頻模塊的初始化、查詢信道、接收傳感器等數據，針對該部分程序設計如下所示：

1） 開始加電；

2） 設備初始化處理；

3） 初始化是否成功，如果成功，則需要查詢信道；如果失敗，則需返回到步驟2）；

4） 檢驗查詢是否成功，如果成功，則需設置自身節點；如果失敗，則需繼續查詢。如果查詢次數大于設定的固定值，則進入休眠狀態，否則返回到步驟3）；

5） 允許傳感器節點入網；

6） 將傳感器節點設置為休眠狀態，如果設置成功，則查看節點是否有需要發送的數據。如果失敗，則需返回到步驟5）；

7） 如果節點有需要發送的數據，則查看是否收到數據，若收到，則轉發數據。若沒有收到，則需需返回到步驟6）。

當檢測基站接收到傳感器節點傳輸的數據，則需將其傳輸給電腦端主機進行處理，并繼續對網絡進行檢測，保證其他節點發送的數據不會缺失，多次迭代，直至全部數據都被檢測出來。

根據BIM抗震檢測系統結構框圖，使用中央微處理器對傳感器節點上獲得的數據進行處理，應用無線通信方法把數據傳送到基站設備中。依據該原理，分析無線傳感節點基本結構，并對其電路圖進行設計。而檢測基站通過掃描信道來組件通信網絡，等待上述傳感器節點加入，方便系統檢測。針對這兩部分的功能進行軟件程序設計，保證在二維圖紙上，構建受力結構的三維模型，使系統具有可靠的檢測效果。

2 實 驗

為了驗證基于BIM的建筑裝配式鋼結構抗震性能檢測系統設計研究是否合理，做出下述實驗。

2.1 實驗參數設置

實驗參數設置如表1所示。

2.2 實驗環境分析

據統計，我國地震局接收到的地震次數每年可達到200多萬次，也就是每天都要發生上千次，其中絕大多數都是太小或距離地面太遠，以至于人體感覺不到，必須使用地震儀才可記錄下來。針對實驗環境設置，可選擇2017年5月某天地震數據，大致方位可確定為距離地面12 km處，地震源發射情況如圖7所示。

根據圖7所示地震環境，可進行實驗驗證分析。

2.3 實驗結果與分析

根據上述實驗環境，將傳統系統與基于BIM的抗震性能檢測系統對比分析。

采用這兩種系統檢測到的地震波形如圖8所示。

通過無線通信連接檢測基站設備，利用RS 232接口將數據傳送至PC主機。通過圖8對比結果可知，采用傳統系統獲取的地震波形不明顯，且波動范圍較小，而采用基于BIM系統獲取的地震波形較為明顯，且波動范圍較大。

依據上述兩種系統檢測的地震波形可知，傳統系統地震波形不如基于BIM系統獲取的地震波形明顯，為了驗證BIM系統對建筑裝配式鋼結構抗震性能檢測效果良好，做出分析，具體結果如圖9所示。

由圖9對比可知，當檢測時間為0.1 s時，采用傳統系統的檢測效果為50%，而基于BIM系統的檢測效果為79%；當檢測時間為0.3 s時，采用傳統系統的檢測效果為46%，而基于BIM系統的檢測效果為68%；當檢測時間為0.6 s時，采用傳統系統的檢測效果為58%，而基于BIM系統的檢測效果為83%；當檢測時間為0.8 s時，采用傳統系統的檢測效果為55%，而基于BIM系統的檢測效果為79%。由此可知，采用BIM系統檢測效果較好。

2.4 實驗結論

根據上述實驗內容，可得出實驗結論：當檢測時間在0.1 s以內時，采用傳統系統與BIM系統的檢測效果都有較大幅度變化，當時間超過0.1 s時，兩種系統檢測效果變化幅度較小，且當時間為0.68 s時，基于BIM系統的檢測效果達到90%以上。

3 結 語

本文通過實驗驗證了基于BIM系統的檢測效果較好，最高可達到90%以上。利用高效率檢測系統，結合BIM建筑模型可準確檢測鋼結構抗震性能，使建筑裝配式鋼結構在房屋建設中達到良好的使用效果。

雖然該系統檢測效果較好，但去除干擾回波是急需解決的問題，因此，后續還需結合相關地震資料，進一步研究地震信息特征。

參考文獻

[1] 張健，李夢，劉學春，等.基于類型的裝配式高層鋼結構住宅戶型模塊化設計[J].工業建筑，2017，47（5）：62?67.

ZHANG Jian， LI Meng， LIU Xuechun， et al. Modular design for the house layout of prefabricated high?rise steel structure residence based on typology [J]. Industrial construction， 2017， 47（5）： 62?67.

[2] 雷宏剛，邱斌，姬艷玲.裝配式輕鋼結構住宅中自攻螺絲連接受力性能研究評述[J].太原理工大學學報，2017，48（3）：265?274.

LEI Honggang， QIU Bin， JI Yanling. An overview study on bearing capacity properties of self?tapping screw connection in prefabricated light?guage steel structure residence [J]. Journal of Taiyuan University of Technology， 2017， 48（3）： 265?274.

[3] 晏金洲.100 m裝配式高層鋼結構住宅關鍵施工技術[J].施工技術，2017，46（12）：102?106.

YAN Jinzhou. Construction technology of 100 meters precast high?rise steel residence [J]. Construction technology， 2017， 46（12）： 102?106.

[4] 閆亞杰，趙俊臣.裝配式鋼結構住宅中陶粒混凝土預制墻板研發[J].新型建筑材料，2017，44（3）：45?50.

YAN Yajie， ZHAO Junchen. The research and development of precast ceramsite concrete wall in assembled steel structure house [J]. New building materials， 2017， 44（3）： 45?50.

[5] 尹義松，霸虎，韓月濤.鋼結構裝配式住宅造價分析及降低措施[J].施工技術，2017，46（7）：53?56.

YIN Yisong， BA Hu， HAN Yuetao. Analysis and reducing measures of steel structure fabricated house cost [J]. Construction technology， 2017， 46（7）： 53?56.

[6] 曹啟光，張永輝.某裝配式鋼結構住宅項目施工技術[J].施工技術，2017，46（18）：8?10.

CAO Qiguang， ZHANG Yonghui. Construction of assembled steel structure residence [J]. Construction technology， 2017， 46（18）： 8?10.

[7] 劉學春，周小俊，張譯文.外掛整體裝配式墻體及連接抗震性能研究[J].工業建筑，2017，47（7）：34?39.

LIU Xuechun， ZHOU Xiaojun， ZHANG Yiwen. Experimental study of seismic performance of integral assembled cladding panels and connections [J]. Industrial construction， 2017， 47（7）： 34?39.

[8] 張愛林，吳靚，姜子欽，等.端板型裝配式鋼結構梁柱節點受力機理研究[J].工業建筑，2017，47（7）：6?12.

ZHANG Ailin， WU Jing， JIANG Ziqin， et al. Stress mechanism of prefabricated beam?column connection of steel structure with end plate [J]. Industrial construction， 2017， 47（7）： 6?12.

[9] 張愛林，郭志鵬，劉學春，等.懸臂梁段不同拼接方式下延性節點靜力性能分析[J].北京工業大學學報，2017，43（5）：770?779.

ZHANG Ailin， GUO Zhipeng， LIU Xuechun， et al. Analysis on static behavior of the ductile connections with different cantilever beam splices [J]. Journal of Beijing University of Technology， 2017， 43（5）： 770?779.

[10] 陳鑫，李翔，于安林，等.蘇州世乒賽裝配式看臺盤扣節點非線性力學性能分析[J].建筑鋼結構進展，2017，19（3）：25?34.

CHEN Xin， LI Xiang， YU Anlin， et al. Analysis on nonlinear mechanical performance of disk?pin joints in the demountable grandstands of Suzhou World Table Tennis Championships [J]. Progress in steel building structures， 2017， 19（3）： 25?34.

[11] 史慶軒，陳坤，田園.全鋼裝配式屈曲約束支撐有限元分析及試驗對比[J].鋼結構，2017，32（2）：1?6.

SHI Qingxuan， CHEN Kun， TIAN Yuan. Finite element analysis and experiment comparison of all?steel assembled buckling?restrained brace [J]. Steel construction， 2017， 32（2）： 1?6.

[12] 張愛林，高增俊，劉學春，等.帶懸臂梁段端板連接裝配式鋼結構節點非線性靜力分析[J].鋼結構，2017，32（8）：66?71.

ZHANG Ailin， GAO Zengjun， LIU Xuechun， et al. Nonlinear static analysis of assembled connection joint of end plate with cantilever beam [J]. Steel construction， 2017， 32（8）： 66?71.

[13] 張艷霞，張賀昕，劉安然，等.可恢復功能的裝配式預應力鋼框架性能化設計研究[J].建筑鋼結構進展，2017，19（4）：1?9.

ZHANG Yanxia， ZHANG Hexin， LIU Anran， et al. Performance?based design research of resilient prefabricated prestressed steel frames [J]. Progress in steel building structures， 2017， 19（4）： 1?9.

[14] 常博.基于可變有限元算法的軌道車輛抗震設計[J].電子設計工程，2016，24（14）：7?11.

CHANG Bo. Seismic design of rail vehicles based on variable finite element method [J]. Electronic design engineering， 2016， 24（14）： 7?11.