福州某城鎮既有建筑安全管理信息系統構建

晁鵬飛

(福建省永正工程質量檢測有限公司 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，加強對既有建筑的安全跟蹤管理、保障人民生命財產安全刻不容緩。

隨著我國社會生產力水平的提高，各級建設主管部門對新建建筑的全過程監督和管理的現代化程度也日益提高，對單體結構性能檢測、安全鑒定技術日益完善，專業檢測機構數量日益增加，但目前對于建筑的檢測、安全評估等技術還只是針對建筑單體，對建筑安全的管理多是碎片式的，在全局層面缺乏統一的安全管理體系。要避免房屋倒塌事故對生命和財產的破壞，必須建立覆蓋面廣、動態跟蹤的城市既有建筑安全管理系統，對城市房屋進行主動管理、甄別和危險預警。該系統宜包含以下功能[1]：房屋安全信息數據采集、數據庫處理分析、安全評價與預警、管理決策系統、公共數據云平臺。

1 既有建筑安全現狀及原因分析

隨著社會經濟的發展，我國社會漸漸告別“大拆大建”的建設方式，房屋建筑進入“存量時代”；既有建筑的安全隱患問題日益凸顯，主要表現在以下幾點：

(1)由于城市化發展的歷史原因，雖然各級政府已經下了大力氣進行棚戶區改造的拆遷置換工作，但城鄉結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驗施工，而且往往采用性能不可靠的原材料，隨著使用年限增加，承重結構耐久性喪失，加上經濟利益驅動房主隨意分隔改造、附加荷載，各種不利因素疊加，這類房屋結構承載安全儲備極低；而且，這些房屋多為磚混結構，結構整體延性差，破壞形式多為粉碎性崩塌，易造成大量人員傷亡。

(2)隨著城市房價提高，為增加使用面積，無論新舊房屋，毫無安全意識的房主隨意對原結構進行改擴建、私挖地下室、加層，并將房屋隨意分隔租賃，甚至改為生產經營使用，在缺乏專業設計與施工的情況下，這些房屋存在嚴重安全隱患。

(3)部分地區仍存在無規劃、無設計、無監督的違章施工建筑，由于各個環節失控，安全往往讓步給經濟利益，在施工過程中以及后續使用過程中，這些房屋都不同程度潛存安全隱患。

(4)近幾十年來，隨著我國建筑設計規范在進行了多次換版，但受限于當時經濟水平和原材料生產水平，老舊標準的安全儲備低，先前建造的建筑結構安全度不足，施工工藝落后，工程管理水平不高。因此，即使是20世紀八九十年代正規設計、正規施工的老舊房屋，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構安全性。

(5)即使是正式規劃、報建的建筑物，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構安全性下降，以及在建筑壽命周期過程中存在可能的改造、使用功能改變需求、自然災害和環境的影響，對建筑安全均有可能形成較大影響[2-3]。我國沿海地區已出現多起老舊民房倒塌事故，如表1、圖1～圖2所示。

因此，國外的規范法規目前多采用定期檢查、強制鑒定結合保險維修的方式進行建筑安全管理。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年以后進行一次強制鑒定[4]。在我國浙江、上海等地局部地區已開始對危險房屋采用物聯網進行實時監測。但目前國內外均未有類似的系統解決方案的相關文獻記錄。

表1 2014年～2020年部分房屋倒塌事故

圖1 磚混結構倒塌

圖2 泉州鋼結構酒店倒塌

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，實時更新的、準確的建筑安全動態數據庫的建立是管理基礎。由于物聯網傳感器技術限制，目前對于既有建筑的安全信息采集，采取人工排查鑒定和物聯網實時監測結合的辦法。

2.1 既有房屋安全隱患排查

房屋結構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過正規設計、審查、施工和驗收，在體系和結構上發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生率陡增，為避免安全事故發生，福建省開展全省房屋結構安全隱患大排查、大整治百日攻堅專項行動，以消除各類房屋安全隱患，遏制防范安全事故發生。全省組織排查力量，通過對結構體系現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構，由于初期篩查工作大，由區、鄉鎮、街道組織本轄區具有一定結構知識的工程從業人員進行過網格式拉網排查。首批排查對象主要為無正規設計、規劃施工的，私自改造等非正規建筑物。調查房屋基本信息，通過目測和簡單的測量，由專業技術人員采集安全相關數據與信息；在排查時，通過手機、平板電腦等移動端，通過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信息。

此外，為建立全覆蓋、無死角的城市既有建筑安全管理體系，由于傳感器壽命、成本和技術限制，無法全部進行物聯網實時監測，周期性人工復查必不可少。因此，各級主管部門宜對既有建筑按照年限、隱患等級分類定期檢查管理，制定周期性數據更新的相關管理規定，確保既有建筑的信息的時效性。

對于建設程序正規的小區、辦公樓和商業建筑，可采用無人機巡查，對接城市房屋管理系統，如城管局或房管局的數據庫，定期進行數據比對分析其改造與使用情況，實現既有建筑安全信息管理全覆蓋，實現既有建筑物全壽命周期狀況跟蹤更新和安全管理的基礎數據，便于從安全角度及時發現和排除安全隱患。

2.2 既有建筑結構安全性鑒定

對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，可由專業機構進行既有建筑結構安全性鑒定。安全性鑒定是對民用建筑的結構承載力和結構整體穩定性所進行的調查、檢測、驗算、分析和評定等一系列活動。因此，要對民用建筑在應急、法規規定的安全性統一檢查、延長使用期限和使用性鑒定中發現安全問題等4種情況進行安全性鑒定[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化的使用性鑒定，發現安全隱患的進行安全性鑒定，與規范規定的技術路線基本一致。

結構安全性結構鑒定按規范標準進行，按構件、子單元和鑒定單元各分為3個層次，每一層次又分為3個使用性等級，逐層進行，如表2所示。

表2 安全性鑒定等級

2.3 基于物聯網的實時監測體系

既有建筑的安全排查和安全性鑒定，成本高、耗時長，且安全等級的鑒定，主要依靠技術人員所掌握的專業知識和專業素養；然而，由于現階段專業技術人員的水平參差不齊，專業人員的主觀判斷行為往往也會與實際的客觀事實存在一定程度的偏差；另一方面，房屋結構的崩塌往往是在短時間發生的，其結構失去承載能力的表征在整體崩塌前短時間內大幅增加，而周期性的人工排查鑒定難以起到實時預警作用。

結構監測物聯網，利用各種物聯網傳感技術，即通過射頻識別(RFID)、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，把房屋、橋梁、隧道和大壩等大型結構與互聯網連接起來，隨著云平臺和智能傳感器技術的發展，使得房屋安全在線監測系統應用日益廣泛。房屋安全物聯網體系在結構健康實時監測預警方面，具有24小時不間斷、人工成本低等優勢，可作為城市安全信息管理系統的重要組成部分[7]。

城市房屋安全在線監測系統作為既有建筑安全管理信息系統重要模塊，主要由硬件模塊和軟件展示模塊構成。硬件層采用無線DTU組網方式，即通過采集儀、遠程無線傳輸模塊將數據傳輸至云平臺。軟件展示模塊采用B/S方式構建，B/S的房屋安全監測系統負責接收監測設備數據[8]，并對數據進行實時處理，因此將可以實時房屋安全數據推送給客戶、城市管理者和系統管理員，達到實時展示、預警目的。圖3為城市房屋安全物聯網系統工作流程圖。

圖3 物聯網系統工作流程

3 城市房屋安全管理信息系統

采用關系型數據庫建模技術以及時序數據緩存技術，建立房屋安全數據庫系統平臺，在Eclipse、Android Studio和Visual Studio 2013開發環境下，使用Java，C#語言，用戶交互經由JSP完成，物聯網數據傳輸協議根據各個傳感器設備供應商提供的數據接口進行適配性定制，根據TCP/IP數據傳輸協議，構建傳感器-數據集成收發器-4G網絡傳輸-接收服務器解碼-數據分析-人機交互的物聯網體系。建立房屋安全管理信息系統，系統由數據庫綜合管理模塊、數據錄入采集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

數據庫綜合管理模塊設置了房屋管理系統，含用戶注冊登錄日志管理、用戶權限分級系統、菜單管理、用戶數據庫管理、部門機構劃分管理(內外部機構)、數據庫檢視與歸類功能等，可對大量房屋安全數據信息進行分門別類管理，并根據用戶權限進行授權管理。

信息錄入模塊分為以下幾類：

(1)移動終端錄入信息，移動端多用于人工排查場景，直接采用移動手機端上APP程序或微信內置程序，可不用另外安裝程序文件，擴展使用方便，利用GSM/3G/4G網絡甚至未來的5G網絡進行移動端與數據庫之間的數據、圖片傳輸，便于房屋現場安全信息的采集，同時充分利用移動設備的硬件性能，建立數據交互渠道，通過GPS定位信息獲取房屋精確位置信息。

(2)傳感器錄入信息，采用物聯網技術，利用各種安全數據監測傳感器，通過專業評估后安裝在危險隱患房屋或重大影響的房屋不同位置，構建物聯網體系。各采集模塊實時采集傳感器數據，采集力、位移、應變或振動數據，服務器軟件對數據進行處理后存儲并展現，終端為PC端以及移動端展示。

(3)PC端輸入整理，數據庫將采集到的數據經過整理、分析和匯總后，以房屋結構為單位形成數據條目，在PC端上可進行查閱、補充輸入、數據提煉分析、按權限進行修訂等操作，多用于數據后處理階段。

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

人機交互通涵蓋數據整理、分析和修訂功能模塊，包括數據展示和數據應用模塊，通過授權PC的WEB端，信息控制中心、移動端顯示以及信息推送形成顯示終端，業務應用層通過網頁和APP的方式展示，負責與用戶進行交互處理。

4 城市房屋安全管理信息系統應用實例

受福州市部分區縣政府委托，對無房屋建設許可證、無國有土地使用證、無建筑規劃許可證的“三無”房屋，房齡較老的房屋，改造改功能房屋等進行全面拉網式走訪排查，并對初期排查出隱患的房屋進行安全性鑒定。通過信息平臺對龐大的數據進行管理，既實時跟蹤一房一檔的個體信息，也能給管理者提供大數據分析結果。圖5和圖6為現場采集數據的多種終端錄入界面。

圖5 移動終端錄入

圖6 WEB端錄入

通過對福州市某鎮房屋進行排查管理，總計對5000余棟既有建筑進行排查后錄入到數據庫，圖7為房屋排查數據分析的部分結果。通過對大量數據的自動統計和篩查，可以對該鎮存在安全隱患的建筑進行靶向精準管理，節約行政成本，提高風險防范能力。

(a)各種結構形式占比 (b)房屋隱患評級統計圖7 城鎮既有建筑排查數據分析

在房屋安全排查過程中，對出現一定隱患的人員密度較大的某建筑，經排查檢測發現，因其地基不均勻沉降造成的裂縫，雖然檢測時房屋尚未構成危房標準，但無法判斷后續風險，貿然遷出房屋內數十戶居民將帶來極大的行政和經濟壓力，對于城市管理者而言，需要綜合考慮安全、經濟與社會影響等多方因素，不能一拆了之。因此，采用物聯網手段監測房屋安全情況，為城市管理者決策提供實時的數據支持安全預警。

對需要進行實時監測的隱患建筑物，采用靈敏度8″，精度8′，量程±15°的傾角傳感器監測傾斜情況，并進行裂縫寬度監測。為提高系統集成性，將數據采集模塊及無線傳輸模塊集成至自動采集傳輸系統，信號類型為RS485數字信號，每棟樓在角點設置兩套監測系統，采用太陽能加不間斷蓄電池供電。圖8為物聯網監測儀器安裝情況示范，圖9為某點持續一年的監測數據。經過一年的持續監測，基本可以判定該建筑地基不均勻沉降已趨于穩定，對該建筑已有裂縫進行處理后即可正常使用。

圖8 物聯網監測與數據傳輸現場安裝示范

圖9 房屋傾斜物聯網監測

5 結論

經過整體設計和科學規劃，初步建立了城市既有建筑安全管理信息系統，并得到以下結論：

(1)傳統的房屋排查、監測與鑒定為技術手段，與物聯網、大數據等新興信息技術相結合，可以極大地提高房屋安全管理的效率和覆蓋率。

(2)該系統在實踐中的應用證明，該系統可以很好地為城市管理者提供系統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)通過排查、數據分析和物聯網監測等手段在實踐中的應用，可以分層分類地解決城市房屋風險甄別、安全管理、風險預警等難點問題。