多源要素融合驅動的城鄉建筑群安全管理模式與實踐

楊新，焦柯，袁輝，彭子祥

（廣東省建筑設計研究院有限公司）

1 引言

隨著我國城鄉建設的發展和時間推移，以多、高層住宅小區為主要特點的城鄉建筑群公共管理問題日益增多，圍繞全生命周期信息管理、安全鑒定、修繕、決策等方面的服務需求逐漸凸顯。如何廣泛運用現代信息技術、管理手段，實現統籌服務與集約管理，成為目前城市化發展的重要一環。

基于目前主流大數據類型與采集方式，圍繞建筑物安全管理的多種來源要素，進行單棟建筑關鍵要素的特征提取與評價。基于各單棟結果，進行城市時空分布推演，通過多種智慧城市技術，實現城鄉建筑群的規模化安全管理，建立針對不同類別建筑的差異化預警管理體系。

2 建筑安全管理現狀分析

上世紀80年代至今，已經有相當數量的房屋服役了30a～40a，這部分房屋有較多的構件缺陷，安全使用埋下了很大的隱患。盡管我國已構建了完善的建筑物在建設施工階段的質量管理體系，但對使用階段的質量管理，雖然各地區已開始嘗試探索質量管理的思路與方法，但國家缺乏統籌指導。

對比新加坡、美國、日本，已有對使用期建筑物要求進行強制周期性鑒定，并配有相應的法律、法規或標準。如新加坡的建筑控制法（Building Control Act）規定在建造后5a進行強制鑒定，以后每隔 5a進行一次；日本制定了《抗震建筑的維護管理基準》， 要求竣工檢查、定期檢查、應急檢查和詳細檢查，在建筑物竣工后第5年、10年及之后每 10a，對建筑物進行一次全面檢查。

目前隨著國內互聯網的發展，我國針對城市公共管理措施手段也逐步發展形成多種數字化應用，如各類政務平臺、微信服務平臺、地理城鄉規劃、衛星遙感等，在公共服務、規劃、國土資源應用領域已經得到十分成熟的應用。基于智慧城市相關數據基礎，在垂直化、條塊化發展的同時，本文提出沿橫向融合化的實現方式，充分發揮數據交叉融合應用的優勢，實現建筑群的精細化安全管理，與城市綜合管理各方面實現環環 相扣。

3 建筑群安全管理的要素與來源

數據是進行各類科學分析決策的依托。大數據體系建立后，能對各類決策提供數據支撐，實現科學決策，依據合理，分析有序，成效可估，結果可指導后續其他工作的開展。

在智慧城市發展過程中，由于傳統行業無數據沉淀作為支撐，數據來源窄，數據采集成本高，頻率低，數據采用私有化協議，數據不開放，無規范接口，成為目前城鄉建筑管理數據來源的 障礙。

建筑物要素分為地理時空信息與樓棟信息。其中地理時空信息不依賴于建筑物，以地理空間進行組織，以場地地貌、社會功能劃分、危險源分布、氣象與歷史遙感資料為主；樓棟信息以單棟建筑物為單位，進行基本屬性、結構安全信息、消防與設備安全信息、裝飾構件信息為主。建筑物要素構成見表1。

對于要素的獲取來源分散而困難的問題，本文提出分散采集、特征針對性提取、要素融合的方式進行實現。如利用已有的存檔資料、人工巡檢建檔、既有數據庫匹配錄入、遙感資料、實時傳感器記錄等。通過各類手段和設備采集大范圍、深層次的結構安全管理數據，構建建筑物聯網平臺的數據基礎。通過大數據和數字化的作用，實現對影像、記錄、監控數據的實時分析采集，基于5G網絡實現數據實時接收與回傳，逐步完善底層數據體系。

表1 多源要素的構成及特征

4 多源安全要素特征的融合評估方法

針對城鄉建設中分布廣泛而多樣的數據，通過以技術為主導分析手段的完善，多變量評價方法，實現對人文公共領域，通過數理統計手段進行定性定量地決策與主觀彈性目標的兼容，實現彈性決策。

在實踐過程中，針對廣州市城區十萬余棟建筑，采用智能化的決策方案，分層級采用不同的要素分析方法，如基于剛度損傷、直接評估法、模糊綜合評價法、人工智能專家系統、等效剛度模型等方法，實現多層級的建筑群安全評估。其中采用四類具有代表性的數據分析評價方法的基本原理如下。

1）直接評估法

結構安全直接評估方法是基于已有的存檔資料，現場人工查看，檢測和設備的實時監控數據的各類要素屬性進行人工打分。結構安全直接評估包括上部結構安全直接評估和地基基礎安全直接評估，最后綜合上部結構安全直接評估和地基基礎安全直接評估結果得到結構的整體評估結果，為評價已有建筑的安全和健康狀態提供依據。

2）模態損傷特征評估法

針對缺乏歷史資料的建筑，按結構模態響應實測數據，建立簡化的結構模型，為結構承載能力分析與特殊災害評價提供分析基礎，并通過多次測量修正，使得損傷識別不需要結構的質量和剛度信息，適用于實際建筑的損傷評估。

3）貝葉斯網絡專家系統

采用貝葉斯網絡概率圖模型，建立了融合專家經驗知識及數據訓練所得規則的結構安全評估專家系統，基于貝葉斯參數學習、推理診斷算法進行結構安全評估，形成基于變分貝葉斯網絡的結構安全評估專家系統。

4）建筑群時空要素推演補全

基于建筑各項安全評價相關的要素值，建立建筑群畫像，實現類型、年代、地域相近的建筑物歸類，對歸類后的建筑進行空間特征擬合與補全，實現大數據的集約化采集與錄入。以廣州市老城區為例，對建成時間、建筑高度、建筑體系進行聚類分析后，可實現在時空分布上的建筑要素特征的補全，得到結構體系、耐久性、抗震性能評 價值。

通過時空描述建立建筑圖譜，實現片區集約化評估，基于建筑的基本屬性，建立建筑群畫像，通過圖譜實現時空數據的擬合評估（見圖1）。

5 大數據驅動的信息化管理模式

建筑物作為公民活動的載體，在我國多高層住宅小區的居住特點下，主要以多個責任主體共同組成的管理，因此在管理過程中，主要難點在于在長周期、多因素糅合的管理內容中，通過彈性的方式系解決統籌協調分散責任的難點，考慮不同群體的公正化分配，平衡個體間的利益。

本文提出采用圍繞建筑物及其使用者下，數據驅動的建筑物全周期安全管理模式。該模式主要有四大核心環節，分別為數據管理、安全評估、區域決策、實施落實（見圖2）。對建筑數據建檔與全周期跟蹤，采用技術手段完善分析效率與精度，以技術帶動決策、以物業協調平臺實現落地閉環，并通過區域統籌實現全過程監管。

圖1 基于時空分布的建筑群要素擬合推演補全

5.1 數據管理與維護環節

基于大數據特點，建立圍繞建筑全壽命周期的檔案庫，對涵括建筑建設信息、建筑使用信息、建筑經濟活動信息、建筑改造維護信息、建筑周邊關系信息在內的全方位建筑物檔案。

在日常數據采集階段，建立安全信息巡檢員制度，統籌建筑結構安全、消防安全、燃氣安全、供電安全、裝飾安全的集中巡檢制度。提供多種建筑安全監測手段（如物聯網實時監測平臺、基于剛度特征的定期模態響應監測、現場結構安全信息采集與處理），對重點監測建筑實現自動化監測。

圖2 數據驅動管理的四個核心環節

5.2 評估決策環節

獲得評估結果后，基于數據結論，定義建筑功能及狀態分層級的建筑安全評估模式，分層級采用不同深度的數據要素監測手段（見表2）。對重點建筑采用實時監測、定期巡訪；對次重點建筑采用定期剛度動力檢測、表觀裂縫情況巡查；對片區同年代同類型建筑，采用抽樣檢查，統籌評估（基于直接分析法、模糊積分法）；對于其他未覆蓋建筑，按遙感樓層輪廓及樓層數，采用等效剛度模型，進行批量 評估。

表2 各類型建筑(群)的評估與決策內容

5.3 區域統籌管理環節

基于時空地理信息系統和空間分析統計算法實現片區數據綜合挖掘與分析，實現抽樣結果在空間分布中的插值、擬合與推演，對城鄉片區實現覆蓋面更廣泛的建筑安全評估與災害評估。數據采集根據安全類別，采用對應的評估手段及決策內容（見表3）。

根據所屬評估狀態及結果，定義建筑功能及狀態分層級的建筑安全評估模式。一為滿足正常使用的建筑安全處置，按評估不能滿足原設計用途及荷載的正常使用。分等級進行加密監測、局部構件鑒定、整體鑒定、拆除等。二為特殊狀態的建筑安全應急處置，如臺風、地震、基坑開挖大變形等特殊情況下的處置機制。采集居住人，實現預警通知，實時評估，配合消防等部門提供建筑物分布等信息，公眾參與等。

在處置階段，建立對應等級安全處置機制，對應部門及聯系責任人建立即時聯絡機制，對于發現潛在的建筑不安全因素時進行處理，并跟蹤處理結果。針對廣東省內中小學校舍與公立醫院，進行數據獲取與區域評價，實現粗粒度的統籌管理（見圖3）。

表3 特征與層級監控

5.4 物業管理決策服務環節

在物業服務環節，通過現代信息技術，圍繞建筑物建立全壽命周期的檔案庫，以專業化數據基礎作為工作的基礎，建立物業安全咨詢與顧問服務，通過理順權責過程，建立住建環節暢通的管理機制。通過建立信息互通機制，實現現場拍攝、安全評估、郵寄整改通知。并將處理結果與個人征信掛鉤，個人征信積分與后續市場行為和買房購房掛鉤，并在房產交易過程中將建筑信息檔案進行同步跟蹤遷移，實現機制順暢的 過程。

圖3 重點監控建筑（校園醫院）統籌管理

6 結語

本文提出了在大數據應用模式下，圍繞城鄉建筑群開展數據驅動的安全管理模式。該模式主要分為數據基礎、評估分析、區域統籌、決策實施四大環節。通過建立建筑安全評估大數據體系及多種方式完善建筑建檔，對建筑安全關鍵要素進行特征融合與提取，通過建筑群時空推演與交叉分析評價，實現城鄉建筑群安全管理，并通過物業服務管理實現管理與決策閉環。