房屋安全动态监测预警系统应用研究

房屋安全直接关系到人民群众的生命安全和财产安全。2008年5月12日14时28分04秒汶川发生里氏8.0级地震，一瞬间天崩地裂、满目疮痍，数万人的生命时钟，在那一天停摆……这场浩劫唤醒了我们对生命的敬畏，也敲响了房屋安全的警钟，我们无法阻止自然灾害的发生，却有能力提升房屋安全等级，为人民生命财产安全多加一道保险。当前，除了自然灾害频发导致的房屋安全问题外，各地大量的违规拆改也同样拉低了房屋安全系数。近年来，全国各地因建筑物年久失修、或不正当使用导致的倒塌事故时有发生，如建筑物裂缝、倾斜、倒塌事故，且日趋严重。房屋安全隐患对人民的生命安全和生活造成了极大影响。众多惨痛的教训表明，对老旧房屋进行安全管理，对房屋结构进行动态监测，及时发现建筑结构存在的安全隐患以便采取相应处置措施、保障工程结构安全使用、减少或避免人员与财产损失，是一项非常重要的工作。

老旧房屋存在的主要问题

老旧房屋倒塌事故多是由地基基础和承重结构的承载力或稳定性不足造成的。具体诱发因素包括施工质量低劣、施工工艺或者施工顺序错误、使用管理不当等。下面对部分倒塌事故主要原因作简要分析：

原因一：房屋地基承载能力不足、整体失稳或变形过大

地基承载能力不足较多见的原因是地基应力超过极限承载力，土地往往出现剪切破坏、地基基础旁侧土隆起、建筑倾斜或倒塌的现象。整体失稳主要是指房屋建造在古老滑坡区或施工过程中引起新的滑坡，造成建筑物整体滑塌事故。地基变形过大主要是指不均匀沉降在上部结构中产生附加应力而造成建筑结构损坏，甚至倒塌。上述这3类原因造成的倒塌事故颇多，而最常见的诱因是未进行地质勘测就进行建筑工程的设计和施工。

原因二：柱、墙等垂直结构破坏或失稳

此类倒塌事故诱因具体表现为：

（1）砖柱、墙设计截面太小，砖柱、砖垛、承重空斗墙、窗间墙首先破坏，造成建筑物整体倒塌。其中有的由于私自加层改造致使截面承载能力严重不足，安全系数低。

（2）结构设计计算方案不合理。如有些砌体房屋开间较大，抗震横墙间距较大、层高较高，砖柱、砖墙可能因设计不合理，导致承载力严重不足而倒塌。部分钢结构和混凝土结构房屋因连接构造不当、整体性构造不足，会产生较大的次应力而倒塌。

（3）施工质量低劣导致柱、墙承载能力不足。从不少倒塌事故现场看，大多数砖呈散状，砖柱、砖墙往往是沿着内外包心或通缝的部位破坏的，砌筑砂浆强度太低，砂浆饱满度差，砌筑方法不良造成上下通缝，包心砌筑。另外，在柱、墙上乱打洞或开槽，致使过多地削弱砌体截面面积。

原因三：梁、板结构破坏倒塌

钢筋混凝土大梁破坏。施工图纸设计人员缺乏结构计算经验，或施工过程中未按设计图纸进行施工，都可能造成混凝土大梁构件截面尺寸或钢筋配置不满足承载能力要求，进而导致构件受荷破坏。

钢筋混凝土楼板破坏。由于装修施工人员缺乏结安全基本知识，盲目蛮干，加之楼板本身质量低劣，在装修过程中，施工人员在楼板上超载堆放材料与构件，都可能造成楼板断裂倒塌。

原因四：悬挑结构破坏

悬挑结构倒塌基本可分为两类，一是悬挑结构整体倾覆倒塌；二是沿悬臂梁或板的根部断裂。主要由于增加悬挑结构端部荷载，如增加广告牌、门楼出现新增加荷载等。

原因五：屋架、屋盖倒塌

屋架、屋盖倒塌的主要原因包括：设计计算不当、未考虑恶劣天气的雪荷载和风荷载影响，以及支撑设置不当，甚至不设置支撑、屋架制作工艺较差、材质不良等。

房屋安全动态监测预警系统

一般房屋在倒塌之前会有一些预兆，例如，宁波徐戎三村某幢住宅倒塌之前，先是楼道信报箱整体掉落，楼梯和墙壁出现裂缝，部分空调外机掉落；诸暨某居民楼倒塌之前，房屋裂缝宽度明显变宽；贵州遵义市汇川区高桥镇鱼芽社区某栋居民楼倒塌前，有居民发现房间一侧的墙壁有裂缝，而且墙面的石灰掉落，且裂缝逐渐变大，并伴随有破裂声响，人员疏散半个小时后房屋倒塌。

房屋排查是对房屋安全隐患和房屋受灾后的情况进行初步的检查。一个地区或区域在发生严重的地震、泥石流、火灾、雪灾等自然灾害后，要对灾害产生的财产损失、人员伤亡、房屋受损情况等房屋普查摸底统计。

目前，有很多房屋建筑结构基本不设防、防震抗震能力相对较弱，加之近年来地震频发，地震作用后，抗震能力差的房屋摇摇欲坠，濒临倒塌。对于房屋能否继续居住，需要有明确的判断方法，以便做出合理的决策，避免发生安全隐患。有安全隐患的建筑，如果不及时进行修复和加固，一旦再次遭到外来不可预测的风暴、泥石流或余震等自然灾害，人民生命财产安全就很难保证。所以要对房屋安全情况进行定期排查或进行动态监测，按照防震要求进行必要的鉴定、加固或重建，排除现有居住房屋的安全隐患，防止因地质灾害造成群死群伤。

房屋安全动态监测预警系统是指利用物联网传感技术，对房屋安全情况进行实时动态采集、分析、监测预警，以及时发现结构存在的安全隐患，全面了解建筑物长期变化，实现对主体结构和构件的连续监测，掌握建筑物的实时变形和构件安全状态，及时发现问题，以便采取应急处置措施，保障建筑结构安全使用，避免人员与财产的损失。由于传统人工巡检的自动化、实时性、数据化程度较低，难以满足房屋安全管理需要。房屋安全动态监测预警系统的构成包括监测仪传感器子系统、数据采集与传输子系统、数据管理分析子系统、预警子系统等功能模块。房屋安全动态监测预警系统示意图如图1所示。

监测仪传感器子系统

监测仪传感器是指能感受规定的被测物理量，并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，其基本功能是检测信号和信号转换，通过传感器将各类监测信号转换为电（光）信号。传感器处于监测系统的最前端，用于获取监测信号，其性能将直接影响整个监测系统，对测量精度起着决定性的作用。传感器子系统主要由倾角传感器、裂缝监测仪、沉降传感器等设备组成，用以感知房屋的实时状态数据，如房屋主体或局部倾斜、地基不均匀沉降、裂缝宽度等变化。

数据采集与传输子系统

数据采集与传输子系统完成传感器的触发、信号采集、信号转换及将采集到的信号从现场传输到控制中心等工作。其主要功能是采集传感器的测量信号，进行信号的调理与转换，将传感器得到的光、电信号转换为计算机可识别的数字信号，并将数据进行本地存储，对传感器信号进行预处理并将预处理后信号传输至控制中心数据服务器，供数据处理与控制系统和结构健康评估系统使用。

数据管理分析子系统

数据管理、分析系统用于对数据采集、传输、存储、查询和显示等进行全面的控制，将监测信号进行预处理以及二次处理以向其他子系统提供有效的信息源或力学指标，根据需要设定程序控制监测参数的采集。通过该子系统可实现整个监测系统所有数据的平台管理工作，完成数据的归档、查询、存储等操作，在系统全寿命周期内统一组织与管理数据信息，为系统维护与管理提供便利。

预警子系统

预警子系统是指根据监测数据进行结构状态安全预警，为业主对于突发事件的决策提供数据支持。系统针对不同级别的用户组推送手机短信和微信安全预警服务。根据房屋或构件关键部位的倾斜、沉降和裂缝开展情况等监测指标，设置物理量的阈值，发布分级报警信息，阈值的设定依据相关标准、统计分析数据、建筑荷载试验、人工观测经验等综合确定。

房屋安全数据采集指标

老旧房屋大多是砌体结构，砌体结构因其建筑年代久远、建筑材料长期老化性能衰减、不合理拆改承重构件等诸多因素，导致其整体性差、结构松散，一旦受外力（如地震、地基沉降）影响，将对房屋安全使用造成巨大隐患，特别是对鉴定为C、D级的危房就更加危险。针对目前老旧房屋的使用现状，建议对房屋倾斜变形、裂缝变形和沉降变形进行数据采集和动态监测预警。

房屋倾斜变形数据采集

上世纪90年代以前，我国城市住宅以多层为主，多为浅基础。到目前为止，少数建筑已出现了不均匀沉降，有的甚至威胁到房屋的使用和安全。从总体上来看，多层住宅楼发生倾斜的原因体现在两个方面：一是房屋本身的问题，如结构设计不合理、施工质量差或地基问题等先天因素；二是外部不利条件引起，如建筑物相邻一定区域内工程活动的影响，如大面积填土、新建建筑物等。随着时间推移，这类建筑物出现倾斜的程度还将增加。

房屋裂缝变形数据采集

房屋裂缝的继续开展与否是判断该房屋的破坏程度是否继续加深、安全性是否继续减小的最直观表现。因此，密切留意裂缝的开展情况是一项十分必要的工作。房屋结构的裂缝损伤可分为受力裂缝和变形裂缝两大类。一般情况下，砌体房屋的裂缝中变形裂缝占80%以上，相对于受力裂缝，变形裂缝的产生机理和影响因素较为复杂，需要进行更为详细的研究。

房屋沉降变形数据采集

房屋地基基础不均匀沉降是引起房屋倾斜、裂缝开展的主要因素，地基基础不均匀沉降的持续发展能够引起房屋结构内力重分布，加剧损伤，最终可能会因为地基失稳或结构承载力严重下降导致房屋倒塌。因此，对于处于薄弱地基或周边有基坑施工、降水等因素干扰的房屋宜进行沉降监测。

房屋安全数据动态采集仪器的布置

房屋安全动态监测预警系统的仪器监测点的布置应能全面反映建筑物最大变形特征，同时应结合建筑结构的特点来确定，还应考虑以下情况的布设：

一是影响建筑安全性的特征构件、变形较显著的关键点、建筑物的四角和大转角处；

二是砌体结构构造连接部位、产生斜向裂缝的纵横墙、支撑梁和屋架的墙或柱；

三是木结构的檩条、搁栅、木柱、主梁和屋架；

四是混凝土结构柱、梁、板和屋架；

五是钢结构屋架杆件、梁和柱。

倾角传感器的布置

对房屋整体倾斜比较严重的方向或局部存在倾斜变形的构件，应采用倾角传感器进行监测。倾角传感器应布置在房屋的四角，且所有布点的倾角传感器应在同一高程，具体位置、数量和距地高度由现场实际情况确定。通过同一高程布点的倾角传感器的数据变化情况，可获得倾斜变化量，从而可以分析房屋的变形趋势，快速对房屋的危险程度做出判断。倾角传感器的布置示意图如2所示。

沉降传感器的布置

根据现场调查结果，可基本判断房屋的地基不均匀沉降开展情况（如两端沉降或中部沉降等），选择确定在房屋的相应位置安装沉降传感器，从而观测房屋的相对沉降变化。通过沉降传感器监测房屋竖向不均匀变形量，可得到结构不均匀沉降的趋势，及时发现异常情况，并做相应的处置。沉降传感器布置的具体位置、数量和距地高度等，应根据现场实际情况确定。

裂缝传感器的布置

裂缝传感器是对房屋承重结构或构件裂缝开展比较严重的部位，或有可能继续发展的部位进行监测。裂缝监测仪主要利用裂缝传感器和图像采集终端来进行，对结构重要受力部位的裂缝开展情况进行跟踪，能够实时了解房屋的安全情况。裂缝监测仪布置的位置与数量应根据现场实际情况确定。裂缝监测仪的布置如图3所示。

图2 裂缝监测仪实物安装图

图3 房屋地图浏览

房屋安全动态监测系统管理平台

房屋安全动态监测管理平台是指通过对房屋安全巡查、排查、鉴定、监测及分析等工作的动态数据进行整合，协同安全管理，并结合政府网格化的安全管理机制，实现对危险房屋全面、实时的一站式管理控制，及时了解房屋处置情况，灵活配置管理工作流程。

房屋安全动态监测预警系统将采集到的相关数据上传到房屋安全动态监测管理平台数据库进行统一管理，建立“一房一档”房屋数据库。实现市区街道三级信息化危房档案管理，实时查看动态观测系统、调查、巡检数据，通过基层政府采取网格化的管理手段，划定片区，落实监管员，确保发现问题后及时有效处置。同时，开展综合保险和安全巡查、动态观测，提高科技管理手段，缩短观测周期，发现异常及时预警，向有关单位负责人报告，并组织技术人员和专家对房屋的安全情况进行检查评估，根据法律法规实施应急处置，减少居民财产和生命安全损失。并同时支持房屋安全管理裂缝、倾斜、沉降等人工巡检记录的数据并入。为房屋当前状况安全情况提供第一手的数据支持。同时对“房屋安全动态监测管理平台”数据库数据定期备份存储。

房屋安全动态数据展示软件分为w eb端和微信端两种。客户只需进入w eb端（指定网站网址、系统用户名、密码）或关注微信公众号平台（房屋安全管理平台）即可查看动态采集到的数据，操作简便易行。

1. 部署“w eb端”管理界面。进入w eb端部分界面如图4、图5所示。

2. 部署“微信端”管理界面。在对房屋进行人工动态巡查和实时观测过程中，通过绑定手机号或关注房屋安全管理微信客户端，可以实时了解房屋当前及过往的巡查、观测记录，当数据出现波动或巡查过程中发现异常情况时，将通过手机微信端或手机短信进行安全预警。

3. 房屋安全数据动态采集周报、月报、年报。房屋安全数据动态采集报告应包括初始调查报告、中间过程报告、安全性评价报告、总结报告。每周提交一次房屋巡查、观测日报，每月提交一次月报，每年提交一次全年的数据年报。

4. 房屋安全动态监测系统的预警。针对每幢房屋，结合具体监测方案设置危险点监测数据日报警戒值，当建筑物因自身原因或受周边施工影响等突然发生加速倾斜、不均匀沉降或结构裂缝持续开展，监测点在24小时内数据波动达到或超过警戒值时，发送报警消息，通知巡检人员现场核查。

当出现以下情况时应该发布预警：

第一，在一段监测周期内监测数据和巡检观测记录分析结果有加速趋势或结构动力特征发生显著变化，振型明显改变时，应及时对地基、重要构件、楼层和房屋整体的危险程度和影响范围进行检查评估。

第二，发现房屋危险点加速变化或出现倒塌前兆等紧急状态，应发布安全预警并立即报告委托人或房屋安全管理部门。

具有下列情况之一的可判定为紧急状态：

第一，已鉴定为危险房屋，主要承重构件出现新的结构性裂缝，裂缝宽度或者长度在继续扩大且呈现加速发展趋势。

图6 传感器设备安装图

第二，地基相对沉降或者房屋整体倾斜超过相关标准规定，并呈现加速发展趋势。

第三，承重构件被拆除或破坏，且已出现倒塌前兆迹象。

第四，经专业人员现场判断短期内具有倒塌风险。

此外，当发布安全预警或出现灾害性天气时，监测系统除确保自动监测仪器设备不间断工作外，还应缩短数据采集间隔时间并增加巡检频次。

房屋安全动态监测预警系统工程应用案例

2014年，浙江奉化倒楼事件发生后，房屋安全动态监测预警系统得到了广泛的关注，先后在浙江奉化、上海闸北区、苏州昆山等地与城市管理部门联合以PPP模式合作设立的“互联网+”第三方房屋数据公共服务平台，得到了广泛的应用。其中，在上海闸北区青云路某弄监测项目中布设了裂缝传感器、倾斜传感器。（图6）

2016年4月15日至2016年5月3日，我们监测了房屋1#点的倾斜率变化情况，监测点各方向（东西、南北）的倾斜率变化都在0.1‰以内，表明监测点区域墙体倾斜未有明显变化；此外，监测过程中发现监测点倾斜数据部分时段有小幅上下波动，这主要是房屋受外界环境干扰导致的。

模态参数（结构自振频率、振型）是结构物理参数的函数，结构质量、刚度、阻尼的改变都会引起结构模态参数的变化。当房屋结构相对之前状态出现明显损伤时，可以引起其自振频率的变化，从而判断结构的损伤。

表1给出了惠政新村某幢建筑不同时间段（相隔一周），在环境激励下的加速度时程及其傅里叶变换再次振动数据的分析结果，即房屋前三阶的模态频率。从表1可知，第二次的分析结果总体比第一次只是略微减小，并无明显下降，因此，可以判断该房屋在此时间段内其整体安全状态基本未发生改变。房屋模态频率如表1所示。

结论

本文通过传感技术、物联网数据采集、远程数据传输、大数据分析、云计算等，实现了老旧房屋的实时动态监测和海量数据集中处理。通过傅里叶变换和贝叶斯方法等数据算法分析，在房屋安全数据动态采集、监测管理、预警等方面，形成一体化服务体系，可以显示建筑物变形和结构损伤发展趋势和速率，从而为灾害预防提供决策辅助参考。房屋安全动态监测预警系统可以实时采集反应结构服役状况的相关数据，采用一定的结构损伤识别算法判断损伤的位置和程度，及时有效地评估结构的安全性并对突发事件进行预警，为政府的决策提供数字支持，为城市房屋提供安全保障。因此，房屋安全动态监测预警系统的研究，具有十分重要的现实意义。

表1 房屋模态频率