建筑物結構中的安全監測技術研究

田俊峰，顏曉華

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

近年來，涉及建筑結構性倒塌的事件引起了一個普遍的關注，結構監測、建模和管理提供了實現建筑結構缺陷早期預警的措施。這些措施是在結構性健康監測(SHM)的廣泛領域開展的活動，它應用科學和工程監測措施來防止生命和財產的損失。結構性健康監測屬于建筑信息學領域，該領域側重于信息處理活動、可視化和建筑信息的傳遞，并為解決建筑結構安全挑戰提供了一種可行的方法。建筑信息學的快速發展和廣泛應用，促進了建筑監控行業進步，提高了管理效率和有效性。然而，大多數基于建筑信息學的信息系統都是專門為管理建筑建設過程而設計的，很少有人真正解決SHM工程實踐[1]。基于物聯網和BIM的新型集成信息系統(IIS)可以為SHM的實現提供一種策略，能夠檢測建筑結構缺陷的發展，并為SHM活動帶來新的活力。提出了基于物聯網的集成信息系統應用程序，作為SHM的相關應用程序開發的新范例。建筑結構缺陷監測旨在提高建筑安全監測和管理任務的效率，結果表明，所提出的安全系統對建筑監測和管理有著重要意義。

1 建筑信息學技術分析

1.1 建筑信息學

建筑信息學，也稱為建筑信息技術(IT)或建筑中的通信和信息技術，首次在信息模型中提出。它主要關注于建筑領域中使用的特定信息的處理、表示和交換相關的具體問題。自引入以來，建筑信息學已發展成為一種方法，促進許多信息學技術的集成和協調。它改進了決策能力，將信息學知識與建筑、土木工程、結構工程、AEC(建筑、工程、建筑)和其他與建筑環境塑造相關的學科緊密聯系起來[2]。與信息學相關的主題適用于一些土木工程學科，例如產品建模、集成、并發工程、各種分析和監測方法，以及遠程工作和學習。因此，在各種類型的結構問題中，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 建筑領域IIS系統發展背景

IIS系統已經從集成范圍、集成工具、集成角度、集成角度、架構和技術等各個角度進行了研究。在文中已經討論了核心IIS技術和典型的應用，而 IIS已被證明為結構監測和管理中的復雜任務提供了有前途的解決方案。本文采用IIS系統中的建筑信息管理(BIM)，聯合物聯網中的數據集成和決策系統對建筑物結構進行分析。建筑信息管理通過以分布式和自我管理的方式提供傳感，包括一組促進信息集成過程的基本概念和技術，并包括解決構建信息學應用程序開發中復雜問題的方法。此外，Web服務和集成模型已被用于創建可訪問的接口和管理IIS系統中的集成數據集。值得注意的是，這些研究主要是為了開發針對特定應用程序的IIS；然而，關于IIS構建信息學的工作較少。以往BIM的架構和應用都存在一些缺陷，基于物聯網的數據產生的異質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)、信號處理和通信設施組成的多功能系統，旨在提供及時的信息，以安排維修和維護，以最大限度地減少結構退化的影響。BIM結合了廣泛的傳感器和評估方法，以提供準確的預測，使用戶能夠提高應急準備水平，并為建筑物用戶和企業提供更智能的服務[4]。目前，針對BIM在建筑物遙感中的應用方面，開展了大量的研究工作，主要集中于遙感技術利用水平和未來電子遙感系統的潛在趨勢。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的應用在IIS方面取得了顯著的成就，而物聯網集成IIS方法的應用有望促進IIS集成的增加。然而，建立一個實用和先進的IIS仍然需要相當多的工作，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 建筑物監測系統架構設計

2.1 架構層級

過去10年，IT和信息通信技術(ICT)的快速發展為IIS中實現構建信息學應用的集成信息架構奠定了基礎。IIS的體系結構如圖2所示。

圖2 IIS的體系結構Fig.2 IIS architecture

該IIS的架構包括以下4個層級[5]：傳感器數據收集層、數據處理的橋接層、數據集合層、數據監測層。傳感器數據采集層是整個網絡的基礎，其功能如圖3所示。這一層使用了許多不同類型的傳感器，固定在一個大規模、復雜的結構的關鍵位置，以獲取反映該結構的壓力和健康狀態的數據。該層包括數據感測和采集設備、信號調節和處理單元、數據存儲設備和有線/無線傳輸模塊。從傳感器獲得的模擬或數字信號在傳輸到數據處理和管理層之前，在本地數據處理和控制單元中設置條件。這一層也是一個多標準的通信計算平臺，它兼容不同的有線/無線協議，如以太網、ZigBee、WiFi和4G/5G網絡中使用的協議[6]。

圖3 施工數據關聯性示意Fig.3 Schematic diagram of construction data relevance

數據管理層作為一個過渡輔助層，涉及到對結構性健康數據的高效管理和管理，并促進監控服務系統的平穩運行。該層使用的數據管理模塊統一了數據包格式，并根據基于可擴展標記語言(XML)語法的預定義語義描述模型(DSDM)來描述數據包，支持靜態和動態數據管理[7]。因此，可以根據模型來解析建筑物安全性數據。此外，云計算服務還面向監管部門和第三方機構，為確保數據安全提供了一種有效的方法。

2.2 數據采集和傳輸

大量不同類型的分布式傳感器通常被用于實際的SHM應用程序。在這種情況下，管理各種分布式傳感器和融合傳感器實際檢測到的各種數據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與所提議的應用程序中的數據采集和傳輸進行了集成。iDataBox是SHM集成系統的中心終端。

2.3 iDataBox的架構

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，因為iDataBox完全可用于建筑檢查人員和現場風險檢查人員進行日常監控。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據盒的蓋子中。該數據傳輸模塊包括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，用于進行各種測量，如振動測量、電阻測量和電壓測量，以指示結構的健康狀態[8]。這32個終端端口被設計為與所有類型的傳感器兼容，如鋼應力計、接地壓力單元和其他第三方傳感器/設備兼容，這些傳感器可以通過各種有線/無線技術連接到iDataBox。

2.4 數據通信協議

本文設計了一個自定義協議來在iDataBox和主站之間傳輸數據。數據通信包括一系列協議，如查詢命令(Info)、開始數據收集命令(開始)、結束數據收集命令(結束)和讀取采集結果命令(讀取)。讀取命令接受來自測量模塊的數據，并添加一個創建數據段的頭。然后將數據段封裝成一個數據包，并與主站進行交換。

與Read命令相關聯的數據處理如圖5所示，并包含了以下數據段[9]：①模塊類型(2個字節)標識測量模塊的類型。該字段的默認值為ZX，表示振動線傳感器。②數據類型(1個字節)字段具有雙重角色。如果設置了SYN標志(N)，則該數據表示新的傳感器收集數據。如果SYN標志為清除(0)，則該數據段已被主站接收。③D1(2個字節)指定測量模塊中的第一個傳感器的數據值。④T1(2個字節)指定測量模塊中的第1個溫度傳感器的數據值。

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

2.5 方法流程設計

用于數據包分析的UDP框架的一般處理方法是沿著一個數據轉換鏈，根據語法和語義將原始數據轉換為通用數據，最后的結構化數據被存儲在一個數據庫中。數據轉換的關鍵任務是解析原始數據，并通過通用語法統一訪問。根據數據包描述和解析過程，將UDP方法分為多個階段，包括數據包描述文件配置、數據采集、數據包分析和后處理[10]。數據包分析UDP框架流程如圖6所示。

圖6 數據包分析UDP框架流程示意Fig.6 Schematic diagram of data packet analysis UDP framework flow

2.6 基于XML標準的DSDM表達

XML正在迅速成為機器之間數據交換的標準。XML模式表達了共享的詞匯表，并允許機器通過提供一種用來定義XML文檔的結構、內容和語義的方法來執行用戶定義的規則，XML對于在物聯網環境中集成有結構化、半結構化和非結構化的數據非常有用。因此，DSDM表示法是基于XML語法的。一般來說，語義是指對數據符號的解釋，如類、元素和約束的含義。在本文中，DSDM描述了設備數據包中這些特性的含義。DSDM是設備數據包的抽象表達式和定義，包括一組預定義的關鍵字、內置的模式類型、表達式和操作符函數等特性，并且具有以下特點[11]：①UnifiedDef(UD)，語義描述模型的根節點，具有屬性格式和device_type；②數據包只有一個主節點標記，并具有分隔符屬性；③數據要素表示數據元素的結構信息，并具有分隔符、element_size、開始和結束等屬性，并具有名稱、大小和模式等屬性。

3 系統預警模型設計

建筑物安全監測的警告規則是基于根據用戶定義的警告模型的監控項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。建筑物結構預警方法如圖7所示。

圖7 建筑物結構預警方法Fig.7 Early warning method of building structure

這3個警告級別分別為藍色、黃色和紅色。當超過為監測項目設定的給定閾值時，必須將警告信號發送給相關方，以便采取適當的應對措施。黃色警告級別向施工項目的安全主管發送警告信息。橙色的警告級別會將安全問題發送給項目經理。當系統發出紅色警告時，這是三級警告中最高的一個系統中，安全問題可能代表一個重大的安全風險，可能導致極其嚴重的安全狀況。因此，紅色警告信息將危險通知發送給監督部門。此外，預警系統在提供實時通知的同時，也記錄報警信息和相應的數據流，供以后查詢。

4 物聯網結合BIM方法應用實踐分析

4.1 安全監測系統總覽

本文以某大型建筑結構為研究對象，該建筑物結構的總建筑面積為59 313 m2。整體建筑物的基礎采用的是樁基礎結構，通過預制管插入地層形成了堅實的地基。由于該建筑物為商用建筑，其使用年限設計為50年。該建筑物結構的整體面積具有復雜性，需要通過動態實時監測并采用預警方法對體結構的安全性進行監測。基于IIS系統的BIM方法可有效地對其結構關鍵部位應力進行監測，建筑物傳感器采用振弦式應變計，數據采集站通過分布式布局可在建筑物內部分散式地獲取有效數據，數據采集站的分布方式為BGK-MICRO-MCU，主要對該建筑物的鋼結構部件的應力變化情況進行監測，總體布局22個應力監測的主要部位，每一個部位布置多個監測傳感器測試點。

4.2 BIM監測平臺

將監測系統的架構以及設計完成后，需要對其監測平臺進行可視化設計，并且建立起數據庫。采用IIS系統的BIM監測平臺對信息集成、動態響應、多類型數據的監測模塊進行設計，利用SQL創建監測對象的數據庫，實現BIM監測平臺對某個建筑物全施工周期的安全動態實時監測以及預警功能。

4.3 施工過程中的動態監測

基于BIM監測平臺的建筑物施工過程動態實時安全監測具有重要性，對整體建筑物的使用壽命有著至關重要的影響。通過可視化的監測，可以動態地監測結構施工中所存在的安全風險。該過程中將不斷地切換傳感器信號，實現對每個測點的應力監測，還可以在監測界面中查閱每個測點的應力狀況，系統將通過折線圖的形式展現給技術人員，對建筑物結構安全的監管人員提供最及時、最準確的安全動態信息。

4.4 結構安全預警

針對研究對象的建筑物，監測構件的屈服強度為235 MPa，根據構件屈服強度的50%設定為預警臨界值，通過在動態實時安全監測插件的內嵌程序中調整預警臨界值為117.50 MPa，進而運行結構監測構件安全預警功能，監測到珠海歌劇院實際施工過程中并沒有發生異常。為了驗證本文所提方法和開發插件的有效性，將編號為S1_H1W的傳感器監測數據輸入為117.55 MPa，驗證預警功能。當監測到結構響應值為117.55 MPa，立即發出警報聲，預警內容提示編號為S1_H1W的傳感器采集的應力發生異常，對應的結構監測構件處于不安全狀態，而且，基于BIM的監測平臺追蹤到該構件，定位于場景視圖中央并高亮顯示如圖8所示。通過上述驗證，基于BIM平臺的預警功能可以根據實際項目的需要，設定預警臨界值，并在動態實時安全監測過程中，實現實時預警并定位到異常構件。

圖8 結構異常構件的定位Fig.8 Location of structural abnormal components

5 結語

本文提出了一種基于物聯網和BIM的新型集成信息系統(IIS)，旨在提高構建建筑信息學應用中復雜任務的效率。本工作的主要結論如下。

(1)iDataBox數據采集終端的開發用于連接各種類型的傳感器設備，并收集、預處理和轉發傳感器數據。iDataBox通過提供強大的交互操作功能和物聯網網絡連接，可供建筑檢查員和現場風險檢查員進行日常監控。

(2)本文提出了一個統一的數據解析框架來解決與數據源異質性相關的問題。定義了一個基于數據圖的語義描述，可以深刻地增強應用程序開發效率，特別是當將新的異構傳感器設備與監控平臺相結合時。

(3)擬議IIS的預警功能用于監測建筑物結構。該系統被證明具有高度模塊化和可擴展的性能。IIS允許設置多個報警級別，并內聯修改單個閾值；因此，它被證明是一個非常靈活的系統。因此，在這項工作中引入的新IIS有效地提高了建筑物結構安全監測準確性，通過BIM平臺為結構監測和早期預警應用的未來發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應用于其他智能城市應用中，如城市安全監測和基礎設施監督。