基于物聯網平臺的裝配式建筑質量安全監督

劉大君 張紅星 張登銀

摘? 要：近年來，裝配式建筑以其節能環保、施工周期短、節省人工等突出優點在建筑工程中得到廣泛應用，但因裝配式建筑在施工過程中有一定的技術難度，而在投入使用后缺乏維護和監管的措施，使得裝配式建筑在其全壽命周期內缺乏有力的保障。文章將物聯網技術與裝配式建筑有機融合，提出了實現裝配式建筑質量安全監督的物聯網平臺的整體構架和具體的實施方法，為裝配式建筑的持續健康發展提供了科學有效的技術參考。

關鍵詞：裝配式建筑;質量安全;物聯網技術

中圖分類號：TU712.3? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）22-0092-04

Abstract： In recent years， assembly building has been widely used in construction engineering because of its outstanding advantages such as energy saving， environmental protection， short construction period and labor saving. However， due to the technical difficulties in the construction process of assembly building， and the lack of maintenance and supervision measures after putting into use， assembly building lacks a strong guarantee in its life cycle. In this paper， the Internet of things technology and assembly building are organically integrated， and the overall framework and specific implementation methods of the Internet of things platform to achieve the quality and safety supervision of assembly building are proposed， which provides a scientific and effective technical reference for the sustainable and healthy development of assembly building.

Keywords： assembly building; quality safety; Internet of things technology

引言

隨著現代工業技術的發展，建造房屋可以像機器生產那樣，成批成套地制造。裝配式建筑就是將工廠預制好的房屋構件，運到工地裝配而成。[1]裝配式建筑的結構形式包括混凝土結構、鋼結構、木結構和各類型組合結構。本文僅以裝配式混凝土結構建筑為研究對象，以下簡稱裝配式建筑。裝配式建筑的典型特征是標準化設計、工廠化生產、裝配化施工、一體化裝修、信息化管理和智能化應用。裝配式建筑從20世紀40年代后期開始逐步在歐美等發達國家興起和應用。隨著我國城市化進程的加快，預制裝配式建筑也受到了國家的重視與推廣。

目前，物聯網技術在生產線監控、環境監測、農產品追蹤、智慧交通、智慧物流、智慧醫療等方面已經得到廣泛應用。在建筑產業現代化發展的歷史潮流下，物聯網技術也逐漸深入到建筑領域。物聯網技術可實現對目標物體的非接觸自動識別，不受覆蓋物遮擋的干擾，可遠距離通訊，穿透性極強，抗污染能力和耐久性好，為裝配式建筑的安全、能耗等信息的全面采集、可靠傳送、云端共享、深度分析、智能處理和趨勢預測提供了技術基礎。

國內外學者已經嘗試將物聯網技術與裝配式建筑相結合，并取得了階段性的研究成果，但主要的研究方向立足于質量監測、質量追溯和施工管理，對于裝配式建筑投入使用后的運行管理，尤其是安全和預警方面則缺乏較為系統的研究和技術突破。本文面向裝配式建筑的長期運行管理，將物聯網技術應用于裝配式建筑的智慧管理，實現在裝配式建筑的質量安全監督領域的技術突破。

1 裝配式建筑運行管理的需求分析

1.1 裝配式建筑存在的主要問題

隨著大批新型裝配式建筑的紛紛落成并投入使用，裝配式建筑開始面對其全壽命周期中的諸多問題。通過對建設單位、設計單位、施工單位、物業管理單位以及用戶單位的調研走訪，發現裝配式建筑目前主要存在以下問題：

1.1.1 施工節點的質量隱患

裝配式混凝土結構的構件之間的連接多采用現澆節點方式，將預制PC構件的鋼筋伸入現澆構件中錨固連接。預制裝配式剪力墻結構連接、防水保溫連接、現場安裝施工等關鍵技術尚未成熟，施工隊伍的技術水平參差不齊，難以保證連接節點的施工工藝完全符合長期使用的質量要求，項目封頂后，很難檢查出連接點的質量狀況，節點施工存在質量隱患。

其中較為典型的質量隱患有兩種：

（1）裝配式剪力墻套筒的連接對中。目前裝配式剪力墻仍然沿用現澆剪力墻的設計方法，縱向分布鋼筋數量多，裝配過程中數量較多的縱筋套筒連接對中難度大，潛在安全隱患增大。

（2）預制構件之間的連接。通常采用現澆混凝土（或采用鋼筋套筒灌漿），也就是將伸出兩個構件的鋼筋，共同錨固在現澆混凝土中來實現的，現澆混凝土與預制混凝土構件只是粘接而已，因此，構件連接部位是裝配式混凝土結構的薄弱環節，處理不當就會形成安全隱患，還可能發生滲漏。

1.1.2 建筑結構的損傷累積

由于外界惡劣自然條件的影響、內部荷載的作用，以及材料的老化、構件的缺陷等因素的綜合作用，隨著使用時間的推移，裝配式建筑結構將逐漸產生損傷累積，出現諸如沉降、變形、抗震、防水等諸多方面的問題，嚴重影響裝配式建筑的健康安全。

1.1.3 管路之間的相互影響

混凝土結構裝配式建筑中，豎向管線宜集中敷設，滿足維修更換的需要，一般采用綜合管井的方式集中敷設。綜合管井內敷設的管線主要有電力電纜、通信光纜、上水管道、中水管道以及熱力管道等管線設施。如果其中某一管道出現故障，則有可能對集中敷設的其他管道造成一定影響，使得各種管道之間相互干擾的概率上升。隨著年限的增加，水、暖、電及通信的管路會逐漸出現腐蝕和老化現象，一旦發生“跑、冒、滴、漏”等故障極易相互影響，使損失擴大。

1.1.4 缺乏科學的運管措施

裝配式建筑在投入使用前，在無法準確估算實際使用情況的前提下，往往一次性地完成了各智能化系統的調試和參數設置工作，而在其真正投入使用后，由于環境、人員、負荷等因素的改變，最初設定的運行管理模式往往不適應多變的環境及復雜的實際使用要求，使得預期的節能減排效果大打折扣，運行管理工作缺乏持續的改進和優化機制。

1.2 物聯網智能管控平臺的設計目標

鑒于裝配式建筑在全壽命周期內所無法避免的質量缺陷、損傷累積、內部影響以及管理措施不利等問題，亟待建立一個科學、有效的裝配式建筑智能管控平臺，充分發揮物聯網技術的優勢，將各類傳感器、移動終端、智能設施、視頻監控系統等末端設備和貼上RFID的各種資產、攜帶無線終端的個人等“智能化物件或個體”，通過各種無線或有線的通訊網絡實現互聯互通。在互聯網環境下，面向裝配式建筑質量安全監督的物聯網智能管控平臺采用埋入或表面粘貼的傳感器作為神經系統，可對材料、結構、設備等進行無損評估。可以提供安全可控乃至個性化的實時在線監測、定位追溯、報警聯動、遠程控制、統計分析、決策支持等管理和服務功能。[2]為裝配式建筑的質量安全監督等提供科學的決策依據。

2 平臺的框架設計

面向裝配式建筑質量安全監督的物聯網智能管控平臺由感知層、網絡層和應用層三層結構組成。平臺結構示意圖如圖1所示。

感應層由各類傳感器組成，如：應變儀、傾斜儀、沉降計、位移計、壓力傳感器、溫度傳感器、流量計、火災探測器、燃氣探測器、入侵探測器和電力變送器等，用于感知和獲取裝配式建筑的基本信息及運行狀態;網絡層的主要功能是實現信息在感知層和應用層之間的互相傳遞。采用有線網絡和無線網絡相結合的方式，利用互聯網或移動通信網來傳輸獲取信息。應用層將物聯網技術與裝配式建筑的管理需求深度融合，實現對終端設備和資產的“管、控、營”一體化，為裝配式建筑提供全面的服務，包括：數據處理與挖掘、仿真與優化、業務流程和應用整合、通信管理、設備服務與預測預警等。[3]

3 平臺的功能設計

面向裝配式建筑質量安全監督的物聯網智能管控平臺主要針對裝配式建筑的運行管理階段，采用物聯網技術進行全方位的參數采集、信息可靠傳輸、數據智能化處理，能夠為使用者提供詳實精準的監管及預警服務。作為一種云平臺的使用模式，對外可以共享資源供給與使用信息，便于協調和平衡社會資源，實現統籌管理;對內能夠實時監測裝配式建筑的結構、設備、環境及用戶行為，保障裝配式建筑的安全、健康、節能運行。

裝配式建筑的質量安全監督是指運用預制在構件的傳感器，通過長期監測建筑物荷載及環境變量，并分析結構安全性能、結構動力響應等一系列結構特性，經過數據分析和復雜計算得到建筑結構是否安全與健康的評估結果。[4]

裝配式建筑的結構健康主要表現在安全性和耐久性兩個方面：

安全性是通過合理的施工過程使得建筑物在有限的使用期中滿足人們對其的各種需求，即在正常施工和正常使用的條件下，結構應能承受可能出現的各種荷載作用和變形而不發生破壞;在偶然事件發生后，結構仍能保持必要的整體穩定性。例如，建筑結構平時受自重、內部設備、風和積雪等荷載作用時，均應堅固不壞，而在遇到強烈地震、爆炸等偶然事件時，容許有局部的損傷，但應保持結構的整體穩定而不發生倒塌。[5]

耐久性指的是在正常維護的條件下，結構應能在預計的使用年限內滿足各項功能要求。例如，不致因混凝土的老化、腐蝕或鋼筋的銹蝕等而影響結構的使用壽命。裝配式建筑的安全性與耐久性有著非常緊密的聯系，建筑結構的耐久性可以保持建筑結構的整體穩定性，使之在受到局部破壞的同時保持主體結構的穩定，減少建筑被破壞所造成的損失。[6]

裝配式建筑結構的安全性和耐久性監測應能準確的在損傷發生的初期，發現損傷并能夠定位及確定損傷的程度，進而提供結構的安全性評估，并能預測損傷結構的剩余壽命。當遇到突發事故或危險環境，系統可通過調節與控制使整個結構系統恢復到最佳工作狀態。系統還可通過自動改變和調節結構的形狀、位置、強度、剛度、阻尼或振動頻率使結構在危險時能自我保護，并繼續生存下去。結構的安全性和耐久性監測將貫穿于建筑的全壽命周期，提供持續的健康安全保障。

建筑結構的健康監測需要監測若干個不同內容的數據信息，并且要保證數據的采集量和準確性，并進行精確的傳送，利用先進的物聯網技術對數據進行合理的處理和分析，才能做出準確的評估。

3.1 監測內容

鑒于裝配式建筑結構健康的內在及外在表現，其監測的內容不僅是載荷應力的監測，也包括了結構損傷檢測、快速損傷定位、結構剩余壽命預測等。裝配式建筑的結構健康監測的對象主要有：應力、應變、位移、壓力、溫度、結構損傷等多種參數。結構健康監測常用傳感器與指標對照表如表1所示。

最常用的傳感器有：光纖傳感器、壓電元件和應變元件。光纖傳感器有電絕緣、耐腐蝕、能在強電磁干擾等條件下工作等優點，但成本較高，設備也比較復雜;壓電元件既可以作為傳感器也可以用作驅動器，靈敏度高，動態性能好，但它有脆性大、不易埋入結構中，低頻特性等缺點;應變元件具有靈敏度較高、靜態性能好和性能穩定等特點。鑒于裝配式建筑特殊的生產工藝，需要在模塊化構件的工廠生產過程中將監測所需要的各類傳感器植入構件內或預制在構件表層，因此光纖傳感器作為預制傳感器是較為合適的選擇。