基于物聯(lián)網的文保建筑健康監(jiān)測

【摘要】

基于物聯(lián)網的健康監(jiān)測技術在某文保建筑于鄰近基礎施工期間的變形監(jiān)測應用。闡述了該監(jiān)測系統(tǒng)的框架、監(jiān)測方法、測點布置及監(jiān)測數(shù)據分析的相關技術，現(xiàn)場實測數(shù)據的分析結果驗證了該健康監(jiān)測系統(tǒng)的有效性，該系統(tǒng)的應用實現(xiàn)了鄰近樁基施工期間該文保建筑變形監(jiān)測的實時監(jiān)測，為其安全了提供保障。

【關鍵詞】文保建筑； 變形監(jiān)測； 物聯(lián)網； 健康監(jiān)測

【中圖分類號】TU196+.1【文獻標志碼】A

［定稿日期］2024-06-17

［作者簡介］耿麗（1986—），女，碩士，高級工程師，從事工程檢測鑒定工作；卓炳燦（1990—），男，本科，工程師，從事工程檢測鑒定工作；吳小波（1978—），男，碩士，教授級高級工程師，從事工程檢測鑒定工作；吳燊（1982—），男，本科，高級工程師，從事工程檢測鑒定工作。

0 引言

建筑遺產的預防性理念日益受到重視，逐漸替代以往以修復為主的保護方式。結構狀態(tài)監(jiān)測是建筑遺產預防性監(jiān)測重要的一部分，其包含變形監(jiān)測和力學響應監(jiān)測兩部分［1］，其中變形監(jiān)測主要內容是結構物的傾斜、沉降、位移開裂等。結構健康監(jiān)測技術可實現(xiàn)結構健康在線實時連續(xù)監(jiān)測、評估與損傷定位的技術，通過數(shù)據處理中心適時報告結構狀態(tài)［2］。

為實現(xiàn)鄰近地塊基礎施工期間對文保建筑健康狀況的有效監(jiān)控管理，利用物聯(lián)網技術，本文設計開發(fā)了的健康監(jiān)測系統(tǒng)，針對該結構的建筑特點提出了相應的測點布置方案，結合監(jiān)測方案設計了多物理量實時采集及多功能數(shù)據分析的系統(tǒng)，分析了鄰近基礎施工期間該文保建筑的變形監(jiān)測數(shù)據。并結合定期人工檢測數(shù)據進行對比，數(shù)據的一致性驗證了監(jiān)測系統(tǒng)的可行性和有效性。

1 工程概況

該文保建筑為磚木混合結構，主要采用木柱、木梁及山墻組成的承重體系。平面上呈“目”字形的三進院落，建于民國初期，占地面積約2 270 m2，房屋原作為住宅使用，目前空置。房屋正房為兩層，廂房為單層，廂房與正房交界處設置變形縫，該文保建筑外觀詳見圖1。鄰近地塊基礎施工前現(xiàn)場檢查正房與廂房交界處墻體明顯脫開，部分墻體沿灰縫開裂，個別墻體嚴重鼓閃或開裂。

鄰近地塊擬建6棟高層住宅，主要采用預應力管樁基礎，靠近文保建筑處基坑支護采用雙排SMW工法樁加鋼筋混凝土支撐，基層與文保建筑最近間距約13 m，為了解鄰近基礎施工期間，該文保建筑的安全狀況，特對其進行健康監(jiān)測。

2 監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 測點布置方案

鄰近建筑基礎施工期間，因樁基施工、基坑開挖產生擾動、擠土效應及地下水位下降等問題導致周邊地面振動、不均勻沉降，對該文保建筑產生傾斜及墻體開裂、倒塌等影響。該建筑年久失修，損壞嚴重，鄰近地塊施工會對其影響較大，為掌握基礎施工期間對該文保建筑變形等影響狀況，分別進行沉降、裂縫位移及傾斜監(jiān)測。在建筑外墻處設置8個沉降觀測點（CD1～CD8），采用靜力水準儀傳感器進行沉降觀測；根據現(xiàn)場墻體開裂狀況及結構布置在該文保建筑正房與廂房交接處、重要承重墻體開裂處，采用高精度裂縫計進行裂縫監(jiān)測，共布設7個裂縫位移監(jiān)測點（LF1～LF7）；并在建筑外圍承重墻體安裝傾角儀傳感器對墻體構件水平徑向和水平切向的變化進行監(jiān)測，共計布設7個傾斜監(jiān)測點（QX1～QX7）。具體布設位置詳見圖2，傳感器現(xiàn)場安裝照片詳見圖3。

2.2 監(jiān)測系統(tǒng)設計

為實現(xiàn)鄰近基礎施工期間對該文保建筑的健康監(jiān)測，基于模塊化設計理念，監(jiān)測系統(tǒng)包含傳感系統(tǒng)、數(shù)據采集、數(shù)據管理、結構健康評估4個子系統(tǒng)模塊。以沉降、裂縫位移、傾斜傳感器為基礎的監(jiān)測系統(tǒng)感知層，構建以傳感器節(jié)點、通信路由器與基站進行數(shù)據信息交互的網絡層，開發(fā)集成數(shù)據查詢、設備管理和報警維護等多種功能的監(jiān)測系統(tǒng)分析層。傳感子系統(tǒng)由3種不同類型共22個傳感器組成。通過網絡將多種監(jiān)測數(shù)據傳輸?shù)交荆涩F(xiàn)場基站向傳感子系統(tǒng)發(fā)送采集指令，實現(xiàn)多種監(jiān)測數(shù)據采集。經內部局域網，基站將原始數(shù)據自動上傳到本地數(shù)據庫實現(xiàn)數(shù)據存儲管理。根據規(guī)范要求及工程情況在健康評估模塊設定預警閾值，當監(jiān)測數(shù)據超過該限值時，系統(tǒng)向項目組發(fā)送短信提醒。

3 監(jiān)測結果

鄰近建筑于2018年11月底開始樁基施工，2019年1月底進行基坑開挖及支護作業(yè)，4月份完成基礎工程。對照鄰近建筑樁基施工情況，該文保建筑健康智能監(jiān)測系統(tǒng)于2018年11月20號開始運行，監(jiān)測至2019年9月初。

監(jiān)測期間沉降及裂縫位移、傾斜曲線詳見圖4、圖5。由圖3可知，18年11月底至19年2月底由于靜壓樁施工產生的擠土效應及基坑開挖過程中導致的水位下降，文保建筑周邊地面出現(xiàn)不均勻沉降，多處沉降點日均變化量超出限值要求［4］，毗鄰工地一側的測點CD3沉降量較大，且累計沉降量已超出限值要求。

由圖5（a）～圖5（c）曲線可知，監(jiān)測期間建筑裂縫位移呈現(xiàn)不同程度的增長，其中正房與廂房交接處的LF2處裂縫位移增長最大，監(jiān)測期間所測裂縫寬度變化量及累計傾斜率已超出規(guī)范限值要求［5］，且持續(xù)發(fā)展。圖5（d）～5（f）曲線表明，靠近工地側監(jiān)測點QX2的Y向（向工地側）傾斜變化量最大，該值與測點QX3、QX4的X向（向工地側）的累計傾斜率超出控制值且監(jiān)測期間持續(xù)發(fā)展［4］。

該監(jiān)測結果與人工測量值進行復核，結果表明在誤差允許范圍內，該監(jiān)測系統(tǒng)的結果具有可行性和有效性。監(jiān)測期間當沉降、裂縫位移及傾斜量超出閾值時監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)出預警通知，項目組通知委托方采取相應措施。

4 結束語

（1）對文保建筑等建設年代久遠的歷史建筑，鄰近基礎施工期間要加強對其變形監(jiān)測，避免因基礎施工、基坑開挖而引起地基不均勻沉降導致結構受損產生安全影響。

（2）鄰近基礎施工對文保建筑的影響，可通過智能監(jiān)測系統(tǒng)進行監(jiān)測，與傳統(tǒng)人工監(jiān)測相比，具有性能穩(wěn)定、實時反映建筑健康狀況，是一種便捷、科學有效的監(jiān)測方式。

參考文獻

［1］ 孟哲.江南地區(qū)傳統(tǒng)木構建筑的結構健康監(jiān)測技術研究［D］.南京：東南大學，2018.

［2］ OU JINGPING， LI HUI. Structural health monitoring in mainland China：review and future trends［J］.Structural Health Monitoring，2010，9（3）：219-231.

［3］ 沈澍，蔣唯樂，單玥，等.基于無線傳感網的古建筑健康監(jiān)測技術［J］.中國測試，2017（11）：64-69.

［4］ 建筑變形測量規(guī)范： JGJ 8-2016［S］.北京：中國工業(yè)建筑出版社，2016.

［5］ 民用建筑可靠性鑒定標準： GB 50292-2015［S］.北京：中國工業(yè)建筑出版社，2015.