5G背景下BIM技術在建筑抗震減災中的應用

朱爭光 張 童 李 娜

(昆明工業職業技術學院 昆明 650302)

遇到大型地震時，建筑物的設防將顯得不堪一擊。災后的救災工作變得更為重要。根據唐山大地震和日本阪神大地震的情況統計，搶救時間與救活率的關系為：第一天救活率為78%左右，第四天的救活率下降到15%左右。[1]以上數據說明，救援的時間越早，幸存者生存的希望就越大。地震發生后往往當地的救援設施也被損壞。如何在最短時間內完成最大的救災效果，信息技術是最有效的技術手段。

1 地震作用下的內力與位移

對于地震的成因，學術界有球運動、大陸漂移、海底擴張等不同的見解，但表現在構造上是巖層在不斷運動和變化，逐漸積累了巨大的能量，在地殼某些地帶，造成地層突然發生破壞，產生波動，繼而引起附著物的劇烈運動。[2]體現在運動波上有橫波、縱波和沿地球表面傳播的面波。由于幾種波在傳播上的不同，導致建筑物在地震發生時一顛二抖三搖。建筑物產生的災害等級包括[3]：

(1)建筑物輕微搖晃，不產生構造損傷；

(2)建筑物明顯搖晃，室內或室外裝飾構件造成破壞，對人員造成輕微傷害；

(3)建筑物劇烈搖晃，房屋構件損壞，部分構件脫落，建筑物損毀，人員受傷；

(4)建筑物部分傾倒，房屋整體損壞，人員傷亡嚴重，周圍基礎設施可修復，易于救援；

(5)建筑物幾乎全部傾倒，房屋整體損壞，人員傷亡極其嚴重，周圍設施破壞，救援困難。

人類無法阻止地震的發生，當大地震來臨時。建筑在地震中只能任由其摧殘，輕則建筑產生裂縫，重則建筑倒塌人員傷亡。減輕地震災害的有效手段有兩個：

在地震發生前，進行提前的預測。

(1)提高建筑的安全等級，能夠抵擋足夠大的地震。

(2)地震發生后，進行高效的救援工作，提高救援的成果。

現階段的人類面對地震所能做的更多的是加強抗震等級和及時開展震后的救援工作，對于地震的預測還無法做到。面對幾十年才有可能發生的大地震，提高抗震等級將極大的浪費資源。由于震后災區的道路等基礎設施遭到巨大破壞，無法快速定位需要救援的方位，因此救援工作很難高效的進行。

2 中國網絡發展

2020年三大運營商開始全面建設5G網絡。5G網絡的實現不僅僅是網速的提升，它為中國的基礎建設提供了快速車道。

(1)5G提供更高的傳輸速率。5G網絡的理論峰值可以達到每秒數10Gb。

(2)5G技術提供更多的接入點。IP地址的枯竭必然導致信息技術的應用困難，而5G技術運用新一代IP地址，容納量得到急劇擴大，可以為地球上的每個生物配置一個地址。

(3)5G技術保證更低的網絡延遲。更低的網絡延遲，意味著不同個體間的同步同驅。

每棟建筑可以建設自己的局域網，局域網通過5G技術與互聯網云系統相連。由于5G技術的低延遲性和高速性，可以使這種連接變得接近實時控制。以城市為單位，設置城市總臺，接收城市的建筑信息，總臺將信息反饋給業主，業主根據總臺信息了解建筑的的詳細信息，對潛在的隱患與危險進行控制、處理，并將信息進一步反饋給總臺。5G技術已經到來，6G技術也必將在不久與世人見面。6G技術代表著更高效與更安全的傳輸。6G技術將帶來天地互通，將使連接的范圍極大的擴展。

3 BIM技術的發展

BIM(Building Information Modeling)是一次將虛擬和實體建造過程真正結合的技術革命。在建造實體建筑物與構造物之前利用虛擬技術全過程全方位的進行建筑施工與管理模擬，通過虛擬的模擬發現問題，改進設計和施工工藝從而使實體建造達到最優的效果。[4]在建筑的運營和維護階段，BIM為建筑提供詳細精確的定位。結合相應的傳感器，可以實時記錄構件的變形情況。BIM只是一項為更好的建筑而存在的技術，經過幾十年的發展BIM技術已經可以全方位的展示建筑的各項參數。中國最近幾年也在大力推廣BIM技術，制約BIM技術的因素是其前期需要投入大量的時間和精力。加大BIM技術的后期利用，業主的消費升級，必然會推動BIM技術前期的建設。

4 技術融合

建筑加入信息化技術進行抗震監測研究。地震難于預測的原因在于地震產生的位置位于地面以下幾公里甚至幾十公里的位置，現階段的設備很難實時監測到如此深的巖層。巖層的構造不同，導致其剛度與強度也有很大的差別。[5]巖層何時破壞很難精確判斷，而地震的爆發是在長久的能量積累下，瞬間發生導致巨大破壞。當建筑加入BIM技術后，可獲得長時間監測的大量建筑自身的數據，進行建筑的健康狀況分析和抗震監測研究。現階段國內已經有多家企業可以做到實時監測建筑的信息。對建筑傾斜度、裂縫寬度與深度、建筑的震動頻率、建筑的側移等相關參數進行整合，形成統一的測量標準。

建筑加入信息化技術用于震后的救援。在建筑的重要部位放入類似飛機的黑匣子的硬件，記錄建筑物構件的變形，與內部關鍵節點的影像。當地震發生后黑匣子可以自足供電，救援人員擁有探測儀器，可以與黑匣子形成無線通信，方便救援隊伍的救援工作。當地震發生后黑匣子內的定位系統可以給總臺發送定位信號，救援人員可以利用定位系統分析、規劃出最有效的救援路線，提高救援的效率。

各項技術的融合給地震的預測與地震后的救援工作提供了新的思路。建筑業的特點決定了它的傳統性，因此信息化進程較慢，這大大阻礙了建筑業的發展。BIM技術的加入，使項目的責任情況記錄于BIM系統中，有利于建筑終身負責制的推廣與應用。在工廠的生產階段將傳感器與構建進行匹配，不僅可以為建筑提供建筑的運維信息，還可以為建筑裝配階段的建設精度做技術支持。

5 技術路徑

第一步，將每棟建筑加入智能終端。此處的智能終端包括：建筑定位系統、建筑形變監測系統、建筑內外影像系統、環境監測系統、能耗監測系統、中央集成系統；第二步，利用5G技術使每一棟建筑連入網絡。中央集成系統，即建筑的黑匣子，通過信息高速與總臺連接，產生信息互動，點連成線、線連成面、面交匯成體，形成一個網絡球；第三步，將數據上傳并進行數據分析。總臺接收建筑的信息，通過計算機與專業人員的分析，獲得建筑物體檢的健康數據，傳感器收集到的各項數據可用于研究地震的產生與效應。地震發生后建筑的海量數據可以幫助救援人員分析人員和經濟的損害情況，對人員和設施開展精準救援。第四步，進行環境評估，以確定地震對環境的影響。

國內已經存在一大批優秀的企業在從事建筑智能化的建設。但依然存在一些問題，比如：各個系統的兼容性較差，無法使不同的系統組合形成完美的大管理系統；系統的穩定性還需要時間的檢驗，由于建筑的長效性，要求建筑的各個子系統需要長時間的正常工作，一個良好的系統必須經過實踐的檢驗；網絡覆蓋的不完備，由于中國幅員遼闊，必然會存在網絡信息的閉塞區，必然會存在一定的網絡延遲；監測數據的分析需要重新建立指標體系，由于監測的數據變為各棟建筑的反應信息，與傳統的測量手段有明顯差異，故需要重新積累經驗和更高效的分析；建筑的前期造價將進一步增高，因此實施起來需進一步優化分區；震后黑匣子內的電池存在污染和容量限制的問題，因此黑匣子優先使用無污染高效的電池。

促進行業標準的制定，加強軟件與硬件的建設是普及技術的第一步也是最重要的一步。統一各個企業的方向，讓優秀的更優秀，減少不必要的浪費。以BIM軟件的應用為例：確定優先級，保證兼容度。對于精度高、兼容性好的軟件優先采用，對于問題較多的軟件降低等級，甚至拒絕采用。加強硬件建設，整合資源使產品不僅價廉，更要質優。以房屋震動測量為例：以精度高、能耗低、壽命長作為依據，確定各項指標的等級，優先使用符合當地條件的設備。

6 結語

5G技術的到來，為建筑信息化提供了一條寬闊的高速公路，BIM技術為建筑信息化提供了優秀的載體。通過5G與BIM技術的結合，可以有效的監測、分析建筑的信息情況。地震的預測難點在于有效數據的獲得，通過5G與BIM技術可以獲得大量的數據信息，經過長期專業人員的研究，定會獲得地震預測的有效技術手段。在地震的預測難以實現的情況下，地震發生后，救援搶險工作往往決定了經濟和人員的挽回程度。通過5G與BIM技術可以分析建筑的損害情況，提高救援效率，也可為震后的重建工作提供技術支持。5G技術正在穩步的推進，BIM技術在高速發展，抗震的需求也在不斷加強。技術的結合與創新是必然的結果。經過理論分析5G技術與BIM技術運用于建筑的抗震減災是完全可行的。更是建筑抗震減災的一條新的選擇。各項技術在不斷的實踐與探索中將不斷完善。完善系統的貫通需要大量的時間與實踐，但建筑的信息化建設已經走出了第一步，統一標準、擴大應用面，在災害面前設置一個新的保障。5G結合BIM技術，利用建筑形態傳感器，使人與財產在地震面前減少損失和傷害。