基于物聯網的木結構建筑溫濕度監測系統預警機制探討

尹婷婷

上海建工集團工程研究總院 上海 201114

1 背景

木結構建筑因木材的生物質特性，會受到環境中濕度和溫度的影響，產生開裂、腐朽、蟲蝕等影響結構安全的問題。同時防火也是木結構建筑領域廣受關注的問題。因而，為了保護木結構建筑主體、延長其使用壽命以及確保建筑的居住安全，必須對木結構建筑采取防腐、防潮、防火的監測措施。由于信息技術的進步，物聯網技術逐漸應用到建筑工程監測領域，并取代傳統監測手段，使得離線、間斷的數據變為在線、實時，成為建筑信息化的趨勢。本研究建立了基于物聯網的木結構溫濕度監測系統，其中預警功能是監測系統的核心功能之一。通過對各類傳感器實時監測信息加以處理和分析，監測木結構的溫濕度狀況，對于有可能因溫濕度發生的災害或缺陷及時作出預警，采取有效措施來規避或減輕災害帶來的損失。如何設定科學合理的預警體系和監測數據的預警限值是木結構建筑監測系統發揮監測功能的關鍵之一，本文對木結構溫濕度監測系統監測內容和預警限值的設定進行了探討。

2 預警指標確定

在木結構建筑溫濕度監測預警系統中，選取合理的預警指標關乎預警體系的功能實現。國家標準《裝配式木結構建筑技術標準》[1]《多高層木結構建筑技術標準》[2]規定長期監測的內容可包括：環境相對濕度、環境溫度和木材含水率監測。環境溫、濕度變化使木材內部含水率發生變化，監測環境溫、濕度是監測其他指標的前提。木材中水分的質量與木材質量之比的百分數稱之為木材含水率。木材細胞壁含水率（吸著水）在飽和狀態，且細胞腔無自由水時的含水率，稱纖維飽和點，通常為30%。在纖維飽和點以下時，木材材體積和性能隨著含水率變化而變化；當達到纖維飽和點時，木材體積和性能基本不發生變化。木材含水率的變化會導致木材物理力學性能變化，過高、過低或變化嚴重會直接造成干縮裂縫、腐朽，監測含水率可直接監測木構件的健康狀況。同時，來自建筑物外部和內部潮濕源可能使封閉區域如墻體、樓板、屋蓋等內部產生損害性水分的積聚，封閉區域還存在線路著火的風險。因此封閉區域內部溫、濕度也需要被監測，以判斷內部區域是否存在積聚水分、漏水或者著火狀況。因此，本文設計的監測系統對于木結構長期監測指標包括環境相對濕度、環境溫度、封閉區域濕度、封閉區域溫度和木材含水率。以對木結構建筑安全狀況的影響選定3個預警指標，包括：封閉區域濕度、封閉區域溫度和木材含水率。

3 預警機制設計

在監測指標出現異常波動時，如何及時、準確地發現并報警尤其重要。預警方法之一是采用設定閾值上、下限的方式識別異常波動，即監測指標異常識別基于歷史數據，獲取數值范圍，當實際值在該范圍以外或超出某一閾值時，即認為數據異常。另一種預警方法是采用預測模型識別異常波動。通過監測指標歷史數據或者計算模型的輸入，輸出當前時間點的預測值，并通過將預測值和實際值進行比較，檢測數據是否異常。統計學中的中心極限定理認為大量統計獨立的隨機變量的和的分布趨于正態分布，根據這一定理的結論，認為誤差值近似于正態分布[3]。所以可利用歷史監測數據的誤差值來計算當前值的置信區間，當數值落在95%置信區間時，數值正確，超出部分則認為數據異常；或者可參照制定的預警規則進行判斷，及時報警[4]。本系統的預警方法采用設定閾值上、下限的方式進行預警。預警系統方案設計如圖1所示：

圖1 預警系統方案

木結構溫濕度及水分、火災等監測預警系統流程為：

1）采用監測預警系統的數據采集模塊，獲取環境溫濕度，封閉區域溫度、濕度，木材含水率參數。將數據進行預處理并將含水率進行轉換，對相關指標預估。

2）參照木結構含水率、溫度、濕度危害指標閾值，識別異常數據，確定當前的狀態。

3）根據預警規則進行判定，若產生相應的警情，將結果顯示在木結構溫濕度預警系統的預警界面，提醒用戶采取防御措施。

4 預警閾值設計

閾值設置的合理性是預警體系能正常履行預警任務以及擁有一定容錯率的關鍵，閾值設置過低將會導致頻繁誤報警，浪費人力、物力；閾值設置過高時，安全預警體系靈敏度得不到保障。預警閾值根據歷史監測數據樣本統計值、最不利災害值、設計規范限值綜合確定。

4.1 木材含水率預警值設計

在預警指標中，木材含水率是最重要的指標。木材含水率預警值設計可根據歷史監測數據樣本統計值、最不利災害值、設計規范限值綜合確定。

4.1.1 設計規范限值

木材含水率《木結構設計標準》中規定構件木材含水率范圍在8%～20%。具體制作構件時，木材含水率應符合下列規定：板材、規格材和工廠加工的木方不應大于19%； 木方、原木構件不應大于20%；木方、原木受拉構件的連接板不應大于18%；作為連接件時不應大于15%；結構復合材不應大于15%；膠合木層板和正交膠合木層板應為8%～15%，且同一構件各層木板間的含水率差別不應大于5%。

4.1.2 歷史平衡含水率監測統計值

木材具有吸放濕特性，當外界的溫濕度條件發生變化時，木材能從外界吸收水分或向外界釋放水分，從而與外界達到一個新的水分平衡體系，此時木材的含水率為該溫濕度下的平衡含水率[5]。John F. Siau[6]對環境溫度21、61、100 ℃下木材與水分的關系進行了研究，得出木材的水分吸附等溫線。表明隨著環境溫濕度的變化，木材的含水率也變化，從木材吸附等溫線可以推測一定環境下木材的含水率。根據歷史監測數據樣本統計值，生成環境溫度濕度平衡含水率查對表（表1），預測木材含水率，用于采用預測模型識別異常波動的預警方法。

根據歷史監測數據樣本統計值，可以統計監測區域的平衡含水率最大值和最小值，確定預警閾值上、下限。表2是我國各地區的木材平衡含水率值（根據1951—1970年氣象資料查定）[7]，根據全國木材平衡含水率最低值和最高值，確定我國木材平衡含水率范圍區間在7.2%～19.8%。

4.1.3 最不利災害值

木材的含水率必須科學合理地控制在與使用環境空氣狀態下的平衡含水率相適應的程度才能保持質量和尺寸的穩定性及耐久性。當木材含水率等于或小于當地或使用場所木材平衡含水率，如低2%～3%，木材質量和尺寸基本保持穩定，當木材含水率低于10%時，木材容易產生開裂破壞[8]；當木材含水率過大，木材會腐朽，或因含水率變化過快造成開裂等問題。水分含量是生物攻擊木材的一個關鍵因素，通常含水率超過18%～20%的木材容易受到真菌侵害而腐朽。

表1 溫度濕度平衡含水率查對

表2 我國各省份的木材平衡含水率值

綜合以上，按照設計規范限值，木材含水率范圍在8%～20%；按照全國歷史平衡含水率監測統計值木材平衡含水率范圍在7.2%～19.8%；按照最不利災害值低于10%木材容易產生開裂破壞，18%～20%的木材可能存在腐朽風險。因此木材含水率安全預警區間應在10%～18%。根據地區不同、木材含水率安全預警區間或建筑功能不同可進行調整。

4.2 封閉區域溫度預警值設計

封閉區域溫度在木結構相關標準中未要求，且無歷史監測數據，因此本文根據最不利災害值推斷溫度預警值。

溫度的監測是為了預防封閉區域內部著火。結構封閉墻體或屋頂主要由3種材料組成，木材、玻纖保溫棉和刨花板（OSB）。根據最不利災害值應分別確定木材、玻纖保溫棉和刨花板（OSB）引火點溫度或有害溫度。其中，玻纖保溫棉具有不燃性。木材和刨花板（主要材料為木材）的引火點溫度在180 ℃。除此之外，溫度還影響木材的強度。木材主要有纖維素、半纖維素、木質素三大成分組成，試驗證明，纖維素在140 ℃以上受熱發生降解，影響結構強度；高于180 ℃時，纖維互熱裂程度逐漸增大，高于250 ℃時，纖維素會發生劇烈降解。有研究表明木材在130 ℃干燥的情況下，木質素發生了降解作用，從而影響強度，因此，當溫度低于130 ℃時，木材的強度不會受到影響。考慮到目前沒有溫度的歷史監測數據參考，以木材的降解溫度和3大材料的燃點取最小值設置為預警閾值上限為130 ℃。由于低溫的危害較少，因此不設預警值下限。

4.3 封閉區域濕度預警值設計

封閉區域濕度因規范無要求，且缺少歷史監測數據，預警值設計可根據最不利災害值綜合確定。根據最不利災害值，當封閉區域濕氣外泄或漏水，長時間積聚水分時，其狀態應該按100%濕度考慮。雖然封閉區域濕度無長期監測數據，但可參考各地區相對濕度歷史監測數據。根據文獻[9]可知，國內各地區月平均相對濕度范圍最低值15%，最高值90%。因此，綜合考慮設計封閉區域濕度預警閾值上限為90%，同樣低濕度也不會引起危害，因此不設置預警值下限。

以上預警閾值上限90%是考慮全國濕度范圍設計而來，由于各個地區的氣候差異較大，封閉區域濕度預警值設計可根據地區而調整。以上海為例，月平均相對濕度在64%～78%之間，預警閾值上限90%較合理。以呼和浩特為例，月平均相對濕度在29%～58%之間，預警閾值上限90%則可能較大。因此，需要進行長期監測以判斷是否封閉區域的常態濕度與環境濕度的關系，進行預警閾值和災害值的設置。

4.4 預警等級設定

綜合考慮木材含水率預警值、封閉區域溫度預警值、封閉區域濕度預警值及其危害進行預警等級設定。主要根據木材含水率的危害程度將警情分為無警、輕警、中警和重警。木材含水率安全預警區間應在10%～18%，在此區間基本處于所在地區的平衡含水率，木材所處環境安全。當木材長期處于潮濕的環境下，木材的含水率可能會大于18%，18%～20%容易受到真菌侵害。當木材長期處于積水環境的情況下，木材中的水分飽和，其含水率值會達到30%及以上。封閉區域溫度預警值上限為130 ℃，封閉區域濕度預警值上限為90%。設計好預警的等級及各等級的預警限值之后，還要對每一等級所要采取的措施進行預設，以提示工作人員采取適當的措施，實現監測的目的，保證結構的安全。通常可以分為加強對監測點的監視、查看構件的實際狀況等。預警限值及采取的措施設計如表3所示。

表3 木結構溫濕度預警指標和預警規則

5 結語

本文對木結構建筑溫濕度監測系統的預警機制進行了探討，最終設計形成了木結構建筑溫濕度監測系統的預警指標、預警方法、預警體系、預警閾值和預警等級規則，實現了木結構溫濕度監測系統安全預警功能。其中，預警閾值綜合參考文獻和各項研究結果得到了最不利危害指標，為預警級別和預警規則的制定提供了理論依據。而封閉區域因缺乏長期監測的結果，今后應該進行木結構工程的長期監測，研究監測結果與危害的關系，不斷更新和豐富木結構溫濕度監測預警閾值和預警規則，提高預警的準確性。