基于物联网平台的装配式建筑质量安全监督

刘大君 张红星 张登银

摘  要：近年来，装配式建筑以其节能环保、施工周期短、节省人工等突出优点在建筑工程中得到广泛应用，但因装配式建筑在施工过程中有一定的技术难度，而在投入使用后缺乏维护和监管的措施，使得装配式建筑在其全寿命周期内缺乏有力的保障。文章将物联网技术与装配式建筑有机融合，提出了实现装配式建筑质量安全监督的物联网平台的整体构架和具体的实施方法，为装配式建筑的持续健康发展提供了科学有效的技术参考。

关键词：装配式建筑;质量安全;物联网技术

中图分类号：TU712.3       文献标志码：A         文章编号：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

随着现代工业技术的发展，建造房屋可以像机器生产那样，成批成套地制造。装配式建筑就是将工厂预制好的房屋构件，运到工地装配而成。[1]装配式建筑的结构形式包括混凝土结构、钢结构、木结构和各类型组合结构。本文仅以装配式混凝土结构建筑为研究对象，以下简称装配式建筑。装配式建筑的典型特征是标准化设计、工厂化生产、装配化施工、一体化装修、信息化管理和智能化应用。装配式建筑从20世纪40年代后期开始逐步在欧美等发达国家兴起和应用。随着我国城市化进程的加快，预制装配式建筑也受到了国家的重视与推广。

目前，物联网技术在生产线监控、环境监测、农产品追踪、智慧交通、智慧物流、智慧医疗等方面已经得到广泛应用。在建筑产业现代化发展的历史潮流下，物联网技术也逐渐深入到建筑领域。物联网技术可实现对目标物体的非接触自动识别，不受覆盖物遮挡的干扰，可远距离通讯，穿透性极强，抗污染能力和耐久性好，为装配式建筑的安全、能耗等信息的全面采集、可靠传送、云端共享、深度分析、智能处理和趋势预测提供了技术基础。

国内外学者已经尝试将物联网技术与装配式建筑相结合，并取得了阶段性的研究成果，但主要的研究方向立足于质量监测、质量追溯和施工管理，对于装配式建筑投入使用后的运行管理，尤其是安全和预警方面则缺乏较为系统的研究和技术突破。本文面向装配式建筑的长期运行管理，将物联网技术应用于装配式建筑的智慧管理，实现在装配式建筑的质量安全监督领域的技术突破。

1 装配式建筑运行管理的需求分析

1.1 装配式建筑存在的主要问题

随着大批新型装配式建筑的纷纷落成并投入使用，装配式建筑开始面对其全寿命周期中的諸多问题。通过对建设单位、设计单位、施工单位、物业管理单位以及用户单位的调研走访，发现装配式建筑目前主要存在以下问题：

1.1.1 施工节点的质量隐患

装配式混凝土结构的构件之间的连接多采用现浇节点方式，将预制PC构件的钢筋伸入现浇构件中锚固连接。预制装配式剪力墙结构连接、防水保温连接、现场安装施工等关键技术尚未成熟，施工队伍的技术水平参差不齐，难以保证连接节点的施工工艺完全符合长期使用的质量要求，项目封顶后，很难检查出连接点的质量状况，节点施工存在质量隐患。

其中较为典型的质量隐患有两种：

（1）装配式剪力墙套筒的连接对中。目前装配式剪力墙仍然沿用现浇剪力墙的设计方法，纵向分布钢筋数量多，装配过程中数量较多的纵筋套筒连接对中难度大，潜在安全隐患增大。

（2）预制构件之间的连接。通常采用现浇混凝土（或采用钢筋套筒灌浆），也就是将伸出两个构件的钢筋，共同锚固在现浇混凝土中来实现的，现浇混凝土与预制混凝土构件只是粘接而已，因此，构件连接部位是装配式混凝土结构的薄弱环节，处理不当就会形成安全隐患，还可能发生渗漏。

1.1.2 建筑结构的损伤累积

由于外界恶劣自然条件的影响、内部荷载的作用，以及材料的老化、构件的缺陷等因素的综合作用，随着使用时间的推移，装配式建筑结构将逐渐产生损伤累积，出现诸如沉降、变形、抗震、防水等诸多方面的问题，严重影响装配式建筑的健康安全。

1.1.3 管路之间的相互影响

混凝土结构装配式建筑中，竖向管线宜集中敷设，满足维修更换的需要，一般采用综合管井的方式集中敷设。综合管井内敷设的管线主要有电力电缆、通信光缆、上水管道、中水管道以及热力管道等管线设施。如果其中某一管道出现故障，则有可能对集中敷设的其他管道造成一定影响，使得各种管道之间相互干扰的概率上升。随着年限的增加，水、暖、电及通信的管路会逐渐出现腐蚀和老化现象，一旦发生“跑、冒、滴、漏”等故障极易相互影响，使损失扩大。

1.1.4 缺乏科学的运管措施

装配式建筑在投入使用前，在无法准确估算实际使用情况的前提下，往往一次性地完成了各智能化系统的调试和参数设置工作，而在其真正投入使用后，由于环境、人员、负荷等因素的改变，最初设定的运行管理模式往往不适应多变的环境及复杂的实际使用要求，使得预期的节能减排效果大打折扣，运行管理工作缺乏持续的改进和优化机制。

1.2 物联网智能管控平台的设计目标

鉴于装配式建筑在全寿命周期内所无法避免的质量缺陷、损伤累积、内部影响以及管理措施不利等问题，亟待建立一个科学、有效的装配式建筑智能管控平台，充分发挥物联网技术的优势，将各类传感器、移动终端、智能设施、视频监控系统等末端设备和贴上RFID的各种资产、携带无线终端的个人等“智能化物件或个体”，通过各种无线或有线的通讯网络实现互联互通。在互联网环境下，面向装配式建筑质量安全监督的物联网智能管控平台采用埋入或表面粘贴的传感器作为神经系统，可对材料、结构、设备等进行无损评估。可以提供安全可控乃至个性化的实时在线监测、定位追溯、报警联动、远程控制、统计分析、决策支持等管理和服务功能。[2]为装配式建筑的质量安全监督等提供科学的决策依据。

2 平台的框架设计

面向装配式建筑质量安全监督的物联网智能管控平台由感知层、网络层和应用层三层结构组成。平台结构示意图如图1所示。

感应层由各类传感器组成，如：应变仪、倾斜仪、沉降计、位移计、压力传感器、温度传感器、流量计、火灾探测器、燃气探测器、入侵探测器和电力变送器等，用于感知和获取装配式建筑的基本信息及运行状态;网络层的主要功能是实现信息在感知层和应用层之间的互相传递。采用有线网络和无线网络相结合的方式，利用互联网或移动通信网来传输获取信息。应用层将物联网技术与装配式建筑的管理需求深度融合，实现对终端设备和资产的“管、控、营”一体化，为装配式建筑提供全面的服务，包括：数据处理与挖掘、仿真与优化、业务流程和应用整合、通信管理、设备服务与预测预警等。[3]

3 平台的功能设计

面向装配式建筑质量安全监督的物联网智能管控平台主要针对装配式建筑的运行管理阶段，采用物联网技术进行全方位的参数采集、信息可靠传输、数据智能化处理，能够为使用者提供详实精准的监管及预警服务。作为一种云平台的使用模式，对外可以共享资源供给与使用信息，便于协调和平衡社会资源，实现统筹管理;对内能够实时监测装配式建筑的结构、设备、环境及用户行为，保障装配式建筑的安全、健康、节能运行。

装配式建筑的质量安全监督是指运用预制在构件的传感器，通过长期监测建筑物荷载及环境变量，并分析结构安全性能、结构动力响应等一系列结构特性，经过数据分析和复杂计算得到建筑结构是否安全与健康的评估结果。[4]

装配式建筑的结构健康主要表现在安全性和耐久性两个方面：

安全性是通过合理的施工过程使得建筑物在有限的使用期中满足人们对其的各种需求，即在正常施工和正常使用的条件下，结构应能承受可能出现的各种荷载作用和变形而不发生破坏;在偶然事件發生后，结构仍能保持必要的整体稳定性。例如，建筑结构平时受自重、内部设备、风和积雪等荷载作用时，均应坚固不坏，而在遇到强烈地震、爆炸等偶然事件时，容许有局部的损伤，但应保持结构的整体稳定而不发生倒塌。[5]

耐久性指的是在正常维护的条件下，结构应能在预计的使用年限内满足各项功能要求。例如，不致因混凝土的老化、腐蚀或钢筋的锈蚀等而影响结构的使用寿命。装配式建筑的安全性与耐久性有着非常紧密的联系，建筑结构的耐久性可以保持建筑结构的整体稳定性，使之在受到局部破坏的同时保持主体结构的稳定，减少建筑被破坏所造成的损失。[6]

装配式建筑结构的安全性和耐久性监测应能准确的在损伤发生的初期，发现损伤并能够定位及确定损伤的程度，进而提供结构的安全性评估，并能预测损伤结构的剩余寿命。当遇到突发事故或危险环境，系统可通过调节与控制使整个结构系统恢复到最佳工作状态。系统还可通过自动改变和调节结构的形状、位置、强度、刚度、阻尼或振动频率使结构在危险时能自我保护，并继续生存下去。结构的安全性和耐久性监测将贯穿于建筑的全寿命周期，提供持续的健康安全保障。

建筑结构的健康监测需要监测若干个不同内容的数据信息，并且要保证数据的采集量和准确性，并进行精确的传送，利用先进的物联网技术对数据进行合理的处理和分析，才能做出准确的评估。

3.1 监测内容

鉴于装配式建筑结构健康的内在及外在表现，其监测的内容不仅是载荷应力的监测，也包括了结构损伤检测、快速损伤定位、结构剩余寿命预测等。装配式建筑的结构健康监测的对象主要有：应力、应变、位移、压力、温度、结构损伤等多种参数。结构健康监测常用传感器与指标对照表如表1所示。

最常用的传感器有：光纤传感器、压电元件和应变元件。光纤传感器有电绝缘、耐腐蚀、能在强电磁干扰等条件下工作等优点，但成本较高，设备也比较复杂;压电元件既可以作为传感器也可以用作驱动器，灵敏度高，动态性能好，但它有脆性大、不易埋入结构中，低频特性等缺点;应变元件具有灵敏度较高、静态性能好和性能稳定等特点。鉴于装配式建筑特殊的生产工艺，需要在模块化构件的工厂生产过程中将监测所需要的各类传感器植入构件内或预制在构件表层，因此光纤传感器作为预制传感器是较为合适的选择。