福州某城鎮(zhèn)既有建筑安全管理信息系統(tǒng)構(gòu)建

晁鵬飛

(福建省永正工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司 福建福州 350012)

0 引言

2020年3月7日，福建省泉州市欣佳酒店在建成約7年后倒塌，造成人員重大傷亡，給人們敲響警鐘，加強(qiáng)對(duì)既有建筑的安全跟蹤管理、保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全刻不容緩。

隨著我國(guó)社會(huì)生產(chǎn)力水平的提高，各級(jí)建設(shè)主管部門對(duì)新建建筑的全過(guò)程監(jiān)督和管理的現(xiàn)代化程度也日益提高，對(duì)單體結(jié)構(gòu)性能檢測(cè)、安全鑒定技術(shù)日益完善，專業(yè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)數(shù)量日益增加，但目前對(duì)于建筑的檢測(cè)、安全評(píng)估等技術(shù)還只是針對(duì)建筑單體，對(duì)建筑安全的管理多是碎片式的，在全局層面缺乏統(tǒng)一的安全管理體系。要避免房屋倒塌事故對(duì)生命和財(cái)產(chǎn)的破壞，必須建立覆蓋面廣、動(dòng)態(tài)跟蹤的城市既有建筑安全管理系統(tǒng)，對(duì)城市房屋進(jìn)行主動(dòng)管理、甄別和危險(xiǎn)預(yù)警。該系統(tǒng)宜包含以下功能[1]：房屋安全信息數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)庫(kù)處理分析、安全評(píng)價(jià)與預(yù)警、管理決策系統(tǒng)、公共數(shù)據(jù)云平臺(tái)。

1 既有建筑安全現(xiàn)狀及原因分析

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)社會(huì)漸漸告別“大拆大建”的建設(shè)方式，房屋建筑進(jìn)入“存量時(shí)代”；既有建筑的安全隱患問(wèn)題日益凸顯，主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

(1)由于城市化發(fā)展的歷史原因，雖然各級(jí)政府已經(jīng)下了大力氣進(jìn)行棚戶區(qū)改造的拆遷置換工作，但城鄉(xiāng)結(jié)合部及城市繁華地段均存在大量的自建房屋和“城中村”，這些自建房屋的大部分僅憑經(jīng)驗(yàn)施工，而且往往采用性能不可靠的原材料，隨著使用年限增加，承重結(jié)構(gòu)耐久性喪失，加上經(jīng)濟(jì)利益驅(qū)動(dòng)房主隨意分隔改造、附加荷載，各種不利因素疊加，這類房屋結(jié)構(gòu)承載安全儲(chǔ)備極低；而且，這些房屋多為磚混結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)整體延性差，破壞形式多為粉碎性崩塌，易造成大量人員傷亡。

(2)隨著城市房?jī)r(jià)提高，為增加使用面積，無(wú)論新舊房屋，毫無(wú)安全意識(shí)的房主隨意對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行改擴(kuò)建、私挖地下室、加層，并將房屋隨意分隔租賃，甚至改為生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)使用，在缺乏專業(yè)設(shè)計(jì)與施工的情況下，這些房屋存在嚴(yán)重安全隱患。

(3)部分地區(qū)仍存在無(wú)規(guī)劃、無(wú)設(shè)計(jì)、無(wú)監(jiān)督的違章施工建筑，由于各個(gè)環(huán)節(jié)失控，安全往往讓步給經(jīng)濟(jì)利益，在施工過(guò)程中以及后續(xù)使用過(guò)程中，這些房屋都不同程度潛存安全隱患。

(4)近幾十年來(lái)，隨著我國(guó)建筑設(shè)計(jì)規(guī)范在進(jìn)行了多次換版，但受限于當(dāng)時(shí)經(jīng)濟(jì)水平和原材料生產(chǎn)水平，老舊標(biāo)準(zhǔn)的安全儲(chǔ)備低，先前建造的建筑結(jié)構(gòu)安全度不足，施工工藝落后，工程管理水平不高。因此，即使是20世紀(jì)八九十年代正規(guī)設(shè)計(jì)、正規(guī)施工的老舊房屋，隨著使用年限增加，房屋承載的使用功能也更加豐富，加上地基沉降等不利因素疊加，這部分建筑也可能喪失結(jié)構(gòu)安全性。

(5)即使是正式規(guī)劃、報(bào)建的建筑物，隨著使用年限的增加，建筑材料逐漸老化、耐久性降低造成原結(jié)構(gòu)安全性下降，以及在建筑壽命周期過(guò)程中存在可能的改造、使用功能改變需求、自然災(zāi)害和環(huán)境的影響，對(duì)建筑安全均有可能形成較大影響[2-3]。我國(guó)沿海地區(qū)已出現(xiàn)多起老舊民房倒塌事故，如表1、圖1～圖2所示。

因此，國(guó)外的規(guī)范法規(guī)目前多采用定期檢查、強(qiáng)制鑒定結(jié)合保險(xiǎn)維修的方式進(jìn)行建筑安全管理。如，新加坡采用特殊建筑物及完全用于居住的建筑物等在建造后每隔10年以后進(jìn)行一次強(qiáng)制鑒定[4]。在我國(guó)浙江、上海等地局部地區(qū)已開(kāi)始對(duì)危險(xiǎn)房屋采用物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。但目前國(guó)內(nèi)外均未有類似的系統(tǒng)解決方案的相關(guān)文獻(xiàn)記錄。

表1 2014年～2020年部分房屋倒塌事故

圖1 磚混結(jié)構(gòu)倒塌

圖2 泉州鋼結(jié)構(gòu)酒店倒塌

2 既有建筑安全信息采集路徑

為建立全覆蓋全周期的既有建筑安全管理系統(tǒng)，實(shí)時(shí)更新的、準(zhǔn)確的建筑安全動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立是管理基礎(chǔ)。由于物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)限制，目前對(duì)于既有建筑的安全信息采集，采取人工排查鑒定和物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)合的辦法。

2.1 既有房屋安全隱患排查

房屋結(jié)構(gòu)倒塌的直接原因都是主要承重體系崩潰[5]，這些建筑物通常也均經(jīng)過(guò)正規(guī)設(shè)計(jì)、審查、施工和驗(yàn)收，在體系和結(jié)構(gòu)上發(fā)生安全事故的可能性大大降低。

隨著近期既有建筑的安全事故發(fā)生率陡增，為避免安全事故發(fā)生，福建省開(kāi)展全省房屋結(jié)構(gòu)安全隱患大排查、大整治百日攻堅(jiān)專項(xiàng)行動(dòng)，以消除各類房屋安全隱患，遏制防范安全事故發(fā)生。全省組織排查力量，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)體系現(xiàn)狀的排查以及承重體系失效的先兆性表觀的篩查，篩選出具有安全隱患的房屋結(jié)構(gòu)，由于初期篩查工作大，由區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、街道組織本轄區(qū)具有一定結(jié)構(gòu)知識(shí)的工程從業(yè)人員進(jìn)行過(guò)網(wǎng)格式拉網(wǎng)排查。首批排查對(duì)象主要為無(wú)正規(guī)設(shè)計(jì)、規(guī)劃施工的，私自改造等非正規(guī)建筑物。調(diào)查房屋基本信息，通過(guò)目測(cè)和簡(jiǎn)單的測(cè)量，由專業(yè)技術(shù)人員采集安全相關(guān)數(shù)據(jù)與信息；在排查時(shí)，通過(guò)手機(jī)、平板電腦等移動(dòng)端，通過(guò)APP、微信小程序等多種前端輸入接口，錄入房屋排查得到的各項(xiàng)信息。

此外，為建立全覆蓋、無(wú)死角的城市既有建筑安全管理體系，由于傳感器壽命、成本和技術(shù)限制，無(wú)法全部進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，周期性人工復(fù)查必不可少。因此，各級(jí)主管部門宜對(duì)既有建筑按照年限、隱患等級(jí)分類定期檢查管理，制定周期性數(shù)據(jù)更新的相關(guān)管理規(guī)定，確保既有建筑的信息的時(shí)效性。

對(duì)于建設(shè)程序正規(guī)的小區(qū)、辦公樓和商業(yè)建筑，可采用無(wú)人機(jī)巡查，對(duì)接城市房屋管理系統(tǒng)，如城管局或房管局的數(shù)據(jù)庫(kù)，定期進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)分析其改造與使用情況，實(shí)現(xiàn)既有建筑安全信息管理全覆蓋，實(shí)現(xiàn)既有建筑物全壽命周期狀況跟蹤更新和安全管理的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，便于從安全角度及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除安全隱患。

2.2 既有建筑結(jié)構(gòu)安全性鑒定

對(duì)于初步篩查存在安全隱患或可能影響公共安全的重要建筑，可由專業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行既有建筑結(jié)構(gòu)安全性鑒定。安全性鑒定是對(duì)民用建筑的結(jié)構(gòu)承載力和結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性所進(jìn)行的調(diào)查、檢測(cè)、驗(yàn)算、分析和評(píng)定等一系列活動(dòng)。因此，要對(duì)民用建筑在應(yīng)急、法規(guī)規(guī)定的安全性統(tǒng)一檢查、延長(zhǎng)使用期限和使用性鑒定中發(fā)現(xiàn)安全問(wèn)題等4種情況進(jìn)行安全性鑒定[6]，本文介紹的房屋安全管理體系，其房屋的排查程序可視為簡(jiǎn)化的使用性鑒定，發(fā)現(xiàn)安全隱患的進(jìn)行安全性鑒定，與規(guī)范規(guī)定的技術(shù)路線基本一致。

結(jié)構(gòu)安全性結(jié)構(gòu)鑒定按規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，按構(gòu)件、子單元和鑒定單元各分為3個(gè)層次，每一層次又分為3個(gè)使用性等級(jí)，逐層進(jìn)行，如表2所示。

表2 安全性鑒定等級(jí)

2.3 基于物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)體系

既有建筑的安全排查和安全性鑒定，成本高、耗時(shí)長(zhǎng)，且安全等級(jí)的鑒定，主要依靠技術(shù)人員所掌握的專業(yè)知識(shí)和專業(yè)素養(yǎng)；然而，由于現(xiàn)階段專業(yè)技術(shù)人員的水平參差不齊，專業(yè)人員的主觀判斷行為往往也會(huì)與實(shí)際的客觀事實(shí)存在一定程度的偏差；另一方面，房屋結(jié)構(gòu)的崩塌往往是在短時(shí)間發(fā)生的，其結(jié)構(gòu)失去承載能力的表征在整體崩塌前短時(shí)間內(nèi)大幅增加，而周期性的人工排查鑒定難以起到實(shí)時(shí)預(yù)警作用。

結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)，利用各種物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)，即通過(guò)射頻識(shí)別(RFID)、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把房屋、橋梁、隧道和大壩等大型結(jié)構(gòu)與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，隨著云平臺(tái)和智能傳感器技術(shù)的發(fā)展，使得房屋安全在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用日益廣泛。房屋安全物聯(lián)網(wǎng)體系在結(jié)構(gòu)健康實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警方面，具有24小時(shí)不間斷、人工成本低等優(yōu)勢(shì)，可作為城市安全信息管理系統(tǒng)的重要組成部分[7]。

城市房屋安全在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為既有建筑安全管理信息系統(tǒng)重要模塊，主要由硬件模塊和軟件展示模塊構(gòu)成。硬件層采用無(wú)線DTU組網(wǎng)方式，即通過(guò)采集儀、遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸模塊將數(shù)據(jù)傳輸至云平臺(tái)。軟件展示模塊采用B/S方式構(gòu)建，B/S的房屋安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)負(fù)責(zé)接收監(jiān)測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)[8]，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，因此將可以實(shí)時(shí)房屋安全數(shù)據(jù)推送給客戶、城市管理者和系統(tǒng)管理員，達(dá)到實(shí)時(shí)展示、預(yù)警目的。圖3為城市房屋安全物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)工作流程圖。

圖3 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)工作流程

3 城市房屋安全管理信息系統(tǒng)

采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)建模技術(shù)以及時(shí)序數(shù)據(jù)緩存技術(shù)，建立房屋安全數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)平臺(tái)，在Eclipse、Android Studio和Visual Studio 2013開(kāi)發(fā)環(huán)境下，使用Java，C#語(yǔ)言，用戶交互經(jīng)由JSP完成，物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議根據(jù)各個(gè)傳感器設(shè)備供應(yīng)商提供的數(shù)據(jù)接口進(jìn)行適配性定制，根據(jù)TCP/IP數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，構(gòu)建傳感器-數(shù)據(jù)集成收發(fā)器-4G網(wǎng)絡(luò)傳輸-接收服務(wù)器解碼-數(shù)據(jù)分析-人機(jī)交互的物聯(lián)網(wǎng)體系。建立房屋安全管理信息系統(tǒng)，系統(tǒng)由數(shù)據(jù)庫(kù)綜合管理模塊、數(shù)據(jù)錄入采集APP和小程序模塊、WEB端編輯管理模塊、終端顯示和推送模塊組成，如圖4所示。

圖4 房屋排查與鑒定采集信息系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫(kù)綜合管理模塊設(shè)置了房屋管理系統(tǒng)，含用戶注冊(cè)登錄日志管理、用戶權(quán)限分級(jí)系統(tǒng)、菜單管理、用戶數(shù)據(jù)庫(kù)管理、部門機(jī)構(gòu)劃分管理(內(nèi)外部機(jī)構(gòu))、數(shù)據(jù)庫(kù)檢視與歸類功能等，可對(duì)大量房屋安全數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分門別類管理，并根據(jù)用戶權(quán)限進(jìn)行授權(quán)管理。

信息錄入模塊分為以下幾類：

(1)移動(dòng)終端錄入信息，移動(dòng)端多用于人工排查場(chǎng)景，直接采用移動(dòng)手機(jī)端上APP程序或微信內(nèi)置程序，可不用另外安裝程序文件，擴(kuò)展使用方便，利用GSM/3G/4G網(wǎng)絡(luò)甚至未來(lái)的5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行移動(dòng)端與數(shù)據(jù)庫(kù)之間的數(shù)據(jù)、圖片傳輸，便于房屋現(xiàn)場(chǎng)安全信息的采集，同時(shí)充分利用移動(dòng)設(shè)備的硬件性能，建立數(shù)據(jù)交互渠道，通過(guò)GPS定位信息獲取房屋精確位置信息。

(2)傳感器錄入信息，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，利用各種安全數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)傳感器，通過(guò)專業(yè)評(píng)估后安裝在危險(xiǎn)隱患房屋或重大影響的房屋不同位置，構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)體系。各采集模塊實(shí)時(shí)采集傳感器數(shù)據(jù)，采集力、位移、應(yīng)變或振動(dòng)數(shù)據(jù)，服務(wù)器軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后存儲(chǔ)并展現(xiàn)，終端為PC端以及移動(dòng)端展示。

(3)PC端輸入整理，數(shù)據(jù)庫(kù)將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)整理、分析和匯總后，以房屋結(jié)構(gòu)為單位形成數(shù)據(jù)條目，在PC端上可進(jìn)行查閱、補(bǔ)充輸入、數(shù)據(jù)提煉分析、按權(quán)限進(jìn)行修訂等操作，多用于數(shù)據(jù)后處理階段。

(4)打通城市管理信息渠道，充分利用行政管理信息，補(bǔ)充完善房屋信息，力爭(zhēng)全覆蓋城市房屋安全管理。

人機(jī)交互通涵蓋數(shù)據(jù)整理、分析和修訂功能模塊，包括數(shù)據(jù)展示和數(shù)據(jù)應(yīng)用模塊，通過(guò)授權(quán)PC的WEB端，信息控制中心、移動(dòng)端顯示以及信息推送形成顯示終端，業(yè)務(wù)應(yīng)用層通過(guò)網(wǎng)頁(yè)和APP的方式展示，負(fù)責(zé)與用戶進(jìn)行交互處理。

4 城市房屋安全管理信息系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

受福州市部分區(qū)縣政府委托，對(duì)無(wú)房屋建設(shè)許可證、無(wú)國(guó)有土地使用證、無(wú)建筑規(guī)劃許可證的“三無(wú)”房屋，房齡較老的房屋，改造改功能房屋等進(jìn)行全面拉網(wǎng)式走訪排查，并對(duì)初期排查出隱患的房屋進(jìn)行安全性鑒定。通過(guò)信息平臺(tái)對(duì)龐大的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，既實(shí)時(shí)跟蹤一房一檔的個(gè)體信息，也能給管理者提供大數(shù)據(jù)分析結(jié)果。圖5和圖6為現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)的多種終端錄入界面。

圖5 移動(dòng)終端錄入

圖6 WEB端錄入

通過(guò)對(duì)福州市某鎮(zhèn)房屋進(jìn)行排查管理，總計(jì)對(duì)5000余棟既有建筑進(jìn)行排查后錄入到數(shù)據(jù)庫(kù)，圖7為房屋排查數(shù)據(jù)分析的部分結(jié)果。通過(guò)對(duì)大量數(shù)據(jù)的自動(dòng)統(tǒng)計(jì)和篩查，可以對(duì)該鎮(zhèn)存在安全隱患的建筑進(jìn)行靶向精準(zhǔn)管理，節(jié)約行政成本，提高風(fēng)險(xiǎn)防范能力。

(a)各種結(jié)構(gòu)形式占比 (b)房屋隱患評(píng)級(jí)統(tǒng)計(jì)圖7 城鎮(zhèn)既有建筑排查數(shù)據(jù)分析

在房屋安全排查過(guò)程中，對(duì)出現(xiàn)一定隱患的人員密度較大的某建筑，經(jīng)排查檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，因其地基不均勻沉降造成的裂縫，雖然檢測(cè)時(shí)房屋尚未構(gòu)成危房標(biāo)準(zhǔn)，但無(wú)法判斷后續(xù)風(fēng)險(xiǎn)，貿(mào)然遷出房屋內(nèi)數(shù)十戶居民將帶來(lái)極大的行政和經(jīng)濟(jì)壓力，對(duì)于城市管理者而言，需要綜合考慮安全、經(jīng)濟(jì)與社會(huì)影響等多方因素，不能一拆了之。因此，采用物聯(lián)網(wǎng)手段監(jiān)測(cè)房屋安全情況，為城市管理者決策提供實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)支持安全預(yù)警。

對(duì)需要進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的隱患建筑物，采用靈敏度8″，精度8′，量程±15°的傾角傳感器監(jiān)測(cè)傾斜情況，并進(jìn)行裂縫寬度監(jiān)測(cè)。為提高系統(tǒng)集成性，將數(shù)據(jù)采集模塊及無(wú)線傳輸模塊集成至自動(dòng)采集傳輸系統(tǒng)，信號(hào)類型為RS485數(shù)字信號(hào)，每棟樓在角點(diǎn)設(shè)置兩套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用太陽(yáng)能加不間斷蓄電池供電。圖8為物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)儀器安裝情況示范，圖9為某點(diǎn)持續(xù)一年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)一年的持續(xù)監(jiān)測(cè)，基本可以判定該建筑地基不均勻沉降已趨于穩(wěn)定，對(duì)該建筑已有裂縫進(jìn)行處理后即可正常使用。

圖8 物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)傳輸現(xiàn)場(chǎng)安裝示范

圖9 房屋傾斜物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)

5 結(jié)論

經(jīng)過(guò)整體設(shè)計(jì)和科學(xué)規(guī)劃，初步建立了城市既有建筑安全管理信息系統(tǒng)，并得到以下結(jié)論：

(1)傳統(tǒng)的房屋排查、監(jiān)測(cè)與鑒定為技術(shù)手段，與物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新興信息技術(shù)相結(jié)合，可以極大地提高房屋安全管理的效率和覆蓋率。

(2)該系統(tǒng)在實(shí)踐中的應(yīng)用證明，該系統(tǒng)可以很好地為城市管理者提供系統(tǒng)性的建筑安全管理路線和方案，可以有效提高城市安全管理水平。

(3)通過(guò)排查、數(shù)據(jù)分析和物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)等手段在實(shí)踐中的應(yīng)用，可以分層分類地解決城市房屋風(fēng)險(xiǎn)甄別、安全管理、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警等難點(diǎn)問(wèn)題。