房屋健康監測系統評述

孫彬洋，高霖，王明振，馮文靈

（重慶文理學院 土木工程學院，重慶 402160）

1 引言

我國社會、經濟正處于一個高速發展的狀態，基礎設施和城鎮建設系統正在逐漸完善。目前，國內一部分房屋已經開始進入老化階段，新的房屋數量正在大幅增長，房屋結構的安全問題逐漸引起社會的廣泛關注。房屋結構安全與人們的生命、財產安全緊緊相連。因此，需高度重視房屋結構的安全性，最大限度地減少房屋垮塌等安全事故。

房屋結構安全鑒定一般由專業人員通過對現場進行勘察、檢測、結構分析及驗算等方式綜合評定出房屋結構的安全狀況，評定過程煩瑣，所需時間長，人工工作量大。合理使用動態監測系統對房屋結構狀態的安全情況進行實時自動化監測分析，可隨時掌握房屋結構安全的情況，及時對房屋結構異常發出預警，留出采取解決措施的黃金時間，以避免災難的發生，延長房屋的安全使用年限。

隨著時代的變遷，人們的生活越發便利，智能化已經成為未來發展的趨勢，房屋結構安全監測也由曾經低效率的人工監測開始向儀器自動實時監測轉變。為提高房屋安全性，建立一套實時在線、可遠程操作的房屋健康安全監測系統尤為重要。自動監測系統大幅度克服了傳統人工高成本、低效率的缺點，并且實時掌握房屋結構的安全狀態，能及時有效地發現其存在的安全隱患，及時采取解決措施，以保障人們的生命、財產安全。

2 房屋結構安全監測指標

房屋結構安全事故多出現房屋坍塌、倒塌等狀況，經過對多例相關安全事故的研究及分析，可知發生此類事故是多種危險因素共同造成的。在一定范圍內結構變形或墻體開裂是允許的，但如果超過這個允許值，就可能會導致結構安全事故。

房屋結構安全監測分為內部和外部兩種監測。外部監測是指對房屋外形上的變化進行監測；內部監測是指對房屋結構構件的承載力、強度、穩定性變化的監測。因為房屋結構構件損壞大多會在建筑外部有所體現，所以現有監測通常以外部監測為主，主要監測指標有以下3個方面。

2.1 傾斜

在房屋安全監測中，傾斜需要重點監測，它是判定房屋安全等級的重要指標，也是房屋倒塌的主要特征。傾斜的發生主要源于房屋外部施工或地質發生改變導致地基形成不均勻的沉降，還有房屋內結構構件拆改導致結構的承載力減弱。監測房屋傾斜的傳統方法是在房屋表面設置擺式傾角傳感器或加速式傾角傳感器或光纖光柵式傾角傳感器，將房屋的傾斜程度轉換成電或者光信號的變化，然后經過放大信號、轉換等步驟以輸出模擬信號或脈沖信號。這3類傾角傳感器的區別在于角度敏感元件不同，所以各類傾角傳感器的適用范圍也不盡相同。

2.2 沉降

沉降分為均勻沉降和不均勻沉降兩種，它是房屋在垂直方向上發生的位置變化。均勻沉降對于房屋本身來說是安全的，它不會因為房屋產生的附加應力而出現結構開裂，但是對于房屋內的管道等引入房屋內的設施和周邊建筑的影響比較大。不均勻沉降比均勻沉降對房屋本身造成的危害更大，不均勻沉降會導致房屋開裂或者傾斜，給房屋帶來極大的安全隱患。不均勻沉降在房屋傾斜監測和裂縫監測中也能有所體現。監測房屋沉降的傳統方法是安裝靜力水準系統，其中靜力水準儀又分為液壓式靜力水準儀、磁致伸縮液位式靜力水準儀、光纖光柵液壓式靜力水準儀，這3類靜力水準儀中液壓式靜力水準儀在智能化建筑的領域運用最為廣泛。

2.3 裂縫

裂縫的產生大多由于地基不均勻沉降、溫度變化以及荷載變化，還有一類常見的裂縫是技術問題導致的混凝土墻體開裂。裂縫的形成往往和房屋坍塌密切聯系在一起，所以裂縫的監測是房屋健康監測中非常重要的一環。監測裂縫的實質就是測量裂縫寬度，即測量裂縫兩側墻體相隔的距離。監測房屋裂縫的常見方法是在裂縫兩側安裝帶滑動拉桿的振弦式裂縫傳感器或光纖光柵式裂縫傳感器，通過監測拉桿長度的變化量得出房屋裂縫的寬度。但是裂縫傳感器并不能預測新裂縫出現的具體時間和具體位置，它一般只能安裝在已發現的裂縫的最寬處[1]。

3 現有房屋健康監測系統

傳統人工監測房屋結構安全的方式效率較低、時效性較差，房屋健康安全監測系統則大大提高了檢測效率，實時對房屋結構進行監測，及時發現房屋存在的安全隱患，掌握房屋結構的狀態，為人們提供了采取解決措施的時間，以保障人們的生命財產安全。近年來，越來越多的專家學者對房屋健康監測系統的設計引起重視，通過他們的探索及研究，目前，房屋結構健康監測系統有以下幾種類型。

3.1 基于云平臺或物聯網傳感技術的房屋結構智能監測系統

基于云平臺的遠程在線房屋結構智能監測系統[2]經過實驗證實可以應用于結構損傷的識別。此系統利用LabView平臺的傳感器子系統實現實時數據的展示和歷史數據的分析等核心板塊，設計實現了基于JavaEE平臺的房屋結構后臺管理系統、基于MVP設計模式動態搭建的穩定的Android客戶端系統。

該系統的數據傳輸和流程如下：布置傳感器優化測量數據，數據采集儀采集各類傳感器數據到房屋控制室工控機中，傳輸接口包括RS-485、RS-232、TCP，將數據集成，處理后備份到數據庫，再通過本地交換機使用可靠的傳輸協議TCP將數據傳輸到遠程應用服務器，并存儲在服務器端的數據庫中。通過瀏覽器和Android客戶端可以遠程訪問服務器，實時查看監控監測數據，通過數據融合的結果以確定房屋結構的安全性。該系統的關鍵技術有：傳感監測、數據采集、分析處理、多傳感器信息融合與損傷識別等相關算法、LabView程序設計中相關技術、JaveEE和Android平臺架構設計及數據庫優化技術等[3-5]。

物聯網傳感技術是通過射頻識別、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約將某物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理。基于物聯網傳感技術的監測系統[6]則是采用DTU組網方式將監測的數據分析處理后傳至云平臺，工作人員可以通過終端及時查看房屋結構安全狀況，及時進行處理，保障居民的安全。該系統分為物理層、信息層和應用層3個板塊。物理層指安裝在現場的監測硬件系統，包括傾角傳感器、靜力水準儀、裂縫傳感器等傳感器，以及采集儀、無線傳輸模塊，起到采集監測數據并上傳至云平臺的功能。信息層即云平臺，用于接收、存儲、分析、管理各類監測數據。應用層即通過各類終端查看監測數據，使數據通過圖表的形式直觀地呈現出來[7]。

3.2 基于BIM的房屋安全監測系統

基于BIM的房屋安全監測系統[8]利用BIM三維建模軟件Revit和管理軟件Navisworks，將房屋模型和實際建筑中的傳感器位置一一對應，監測到的信息可以及時轉到可視化的模型上，使監測信息體現得更加直觀，容易理解，信息讀取更加便捷準確高效。該系統的組成主要有兩大板塊：房屋模型和監測信息數據庫。首先，使用Revit建立房屋三維模型和傳感器模型，然后將該模型導出為nwc標準文件，再將此文件導入Navisworks管理軟件中。房屋模型建立后，利用Microsoft Access以房屋模型中的傳感器的屬性為基礎建立相對應的數據庫，數據庫再通過Navisworks進行開發及管理。將傳感器數據錄入建立好的數據庫，從而使數據庫中的監測結果轉化為可視化的房屋模型的信息，之后就可從房屋模型中選中相應位置的傳感器直接查看監測信息。

3.3 基于無線傳感器網絡的房屋健康監測系統

基于無線傳感器網絡的監測系統[9]是基于雙向無線通信技術中近距離、低復雜度、低功耗、低成本的ZigBee技術設計的高精度遠距離無線傳感器網絡系統，通過直接采集傳感器的數據完成對房屋結構健康的實時監測。無線傳感并不是傳感器本身無線，而是將傾角傳感器、靜力水準儀、裂縫傳感器等傳感器連接在一個節點上，進行數據處理和無線傳輸。無線傳感器節點包括微處理器模塊、電源模塊、傳感器模塊這3大模塊。設備節點硬件設計主要是無線傳感器節點硬件設計和協調器節點與路由器節點硬件設計兩個部分。基于無線傳感器網絡的監測系統相比使用傳統的有線傳感器的監測系統成本更低，不用布置煩瑣的線路，沒有線路的后期維護成本，無線傳感整體監測效率也遠高于傳統有線傳感器[10]。

4 結語

在科技飛速發展的如今，房屋結構安全的實時監測系統越來越智能高效，利用云平臺、BIM模型、無線傳感器網絡等方法，通過對建筑結構安全數據的高精度動態采集，及時自動發出預警，為人們應對突發建筑安全事故贏得緩沖時間，保障了人們生命及財產的安全。并且通過實時監控房屋健康狀況，及時發現并解決所出現的問題，也能有效保證房屋的服役年限。