建筑物结构中的安全监测技术研究

田俊峰，颜晓华

(1.河北建筑科技学院 资源系，河北 邯郸 056038； 2.桂林工学院 土木系，广西 桂林 541004)

近年来，涉及建筑结构性倒塌的事件引起了一个普遍的关注，结构监测、建模和管理提供了实现建筑结构缺陷早期预警的措施。这些措施是在结构性健康监测(SHM)的广泛领域开展的活动，它应用科学和工程监测措施来防止生命和财产的损失。结构性健康监测属于建筑信息学领域，该领域侧重于信息处理活动、可视化和建筑信息的传递，并为解决建筑结构安全挑战提供了一种可行的方法。建筑信息学的快速发展和广泛应用，促进了建筑监控行业进步，提高了管理效率和有效性。然而，大多数基于建筑信息学的信息系统都是专门为管理建筑建设过程而设计的，很少有人真正解决SHM工程实践[1]。基于物联网和BIM的新型集成信息系统(IIS)可以为SHM的实现提供一种策略，能够检测建筑结构缺陷的发展，并为SHM活动带来新的活力。提出了基于物联网的集成信息系统应用程序，作为SHM的相关应用程序开发的新范例。建筑结构缺陷监测旨在提高建筑安全监测和管理任务的效率，结果表明，所提出的安全系统对建筑监测和管理有着重要意义。

1 建筑信息学技术分析

1.1 建筑信息学

建筑信息学，也称为建筑信息技术(IT)或建筑中的通信和信息技术，首次在信息模型中提出。它主要关注于建筑领域中使用的特定信息的处理、表示和交换相关的具体问题。自引入以来，建筑信息学已发展成为一种方法，促进许多信息学技术的集成和协调。它改进了决策能力，将信息学知识与建筑、土木工程、结构工程、AEC(建筑、工程、建筑)和其他与建筑环境塑造相关的学科紧密联系起来[2]。与信息学相关的主题适用于一些土木工程学科，例如产品建模、集成、并发工程、各种分析和监测方法，以及远程工作和学习。因此，在各种类型的结构问题中，使用该方法可以提供更有效的建筑安全前瞻性的解决方案。

1.2 建筑领域IIS系统发展背景

IIS系统已经从集成范围、集成工具、集成角度、集成角度、架构和技术等各个角度进行了研究。在文中已经讨论了核心IIS技术和典型的应用，而 IIS已被证明为结构监测和管理中的复杂任务提供了有前途的解决方案。本文采用IIS系统中的建筑信息管理(BIM)，联合物联网中的数据集成和决策系统对建筑物结构进行分析。建筑信息管理通过以分布式和自我管理的方式提供传感，包括一组促进信息集成过程的基本概念和技术，并包括解决构建信息学应用程序开发中复杂问题的方法。此外，Web服务和集成模型已被用于创建可访问的接口和管理IIS系统中的集成数据集。值得注意的是，这些研究主要是为了开发针对特定应用程序的IIS；然而，关于IIS构建信息学的工作较少。以往BIM的架构和应用都存在一些缺陷，基于物联网的数据产生的异质性和集成问题尚未得到很好的解决[3]。

1.3 建筑传感通信概述

建筑信息管理是由传感器(图1)、信号处理和通信设施组成的多功能系统，旨在提供及时的信息，以安排维修和维护，以最大限度地减少结构退化的影响。BIM结合了广泛的传感器和评估方法，以提供准确的预测，使用户能够提高应急准备水平，并为建筑物用户和企业提供更智能的服务[4]。目前，针对BIM在建筑物遥感中的应用方面，开展了大量的研究工作，主要集中于遥感技术利用水平和未来电子遥感系统的潜在趋势。各类建筑物传感器如图1所示。

图1 各类建筑物传感器示意Fig.1 Schematic diagram of various building sensors

同时，BIM的应用在IIS方面取得了显著的成就，而物联网集成IIS方法的应用有望促进IIS集成的增加。然而，建立一个实用和先进的IIS仍然需要相当多的工作，必须考虑许多问题，特别是那些涉及理论研究和警告策略的方面。

2 建筑物监测系统架构设计

2.1 架构层级

过去10年，IT和信息通信技术(ICT)的快速发展为IIS中实现构建信息学应用的集成信息架构奠定了基础。IIS的体系结构如图2所示。

图2 IIS的体系结构Fig.2 IIS architecture

该IIS的架构包括以下4个层级[5]：传感器数据收集层、数据处理的桥接层、数据集合层、数据监测层。传感器数据采集层是整个网络的基础，其功能如图3所示。这一层使用了许多不同类型的传感器，固定在一个大规模、复杂的结构的关键位置，以获取反映该结构的压力和健康状态的数据。该层包括数据感测和采集设备、信号调节和处理单元、数据存储设备和有线/无线传输模块。从传感器获得的模拟或数字信号在传输到数据处理和管理层之前，在本地数据处理和控制单元中设置条件。这一层也是一个多标准的通信计算平台，它兼容不同的有线/无线协议，如以太网、ZigBee、WiFi和4G/5G网络中使用的协议[6]。

图3 施工数据关联性示意Fig.3 Schematic diagram of construction data relevance

数据管理层作为一个过渡辅助层，涉及到对结构性健康数据的高效管理和管理，并促进监控服务系统的平稳运行。该层使用的数据管理模块统一了数据包格式，并根据基于可扩展标记语言(XML)语法的预定义语义描述模型(DSDM)来描述数据包，支持静态和动态数据管理[7]。因此，可以根据模型来解析建筑物安全性数据。此外，云计算服务还面向监管部门和第三方机构，为确保数据安全提供了一种有效的方法。

2.2 数据采集和传输

大量不同类型的分布式传感器通常被用于实际的SHM应用程序。在这种情况下，管理各种分布式传感器和融合传感器实际检测到的各种数据的方法是一个特别困难的问题，必须得到充分解决。为此，将iDataBox与所提议的应用程序中的数据采集和传输进行了集成。iDataBox是SHM集成系统的中心终端。

2.3 iDataBox的架构

iDataBox配备了高性能和基于开放平台的平板电脑和无线传输单元，因为iDataBox完全可用于建筑检查人员和现场风险检查人员进行日常监控。iDataBox的组件和接口如图4所示。

图4 iDataBox的组件和接口示意Fig.4 iDataBox components and interfaces

一个带有显示模块的主控制器模块和键盘被嵌入到数据盒的盖子中。该数据传输模块包括WiFi单元、ZigBee单元和RS-485端口。4个64针插孔(M1—M4)集成在iDataBox的中间，用于安装测量模块，用于进行各种测量，如振动测量、电阻测量和电压测量，以指示结构的健康状态[8]。这32个终端端口被设计为与所有类型的传感器兼容，如钢应力计、接地压力单元和其他第三方传感器/设备兼容，这些传感器可以通过各种有线/无线技术连接到iDataBox。

2.4 数据通信协议

本文设计了一个自定义协议来在iDataBox和主站之间传输数据。数据通信包括一系列协议，如查询命令(Info)、开始数据收集命令(开始)、结束数据收集命令(结束)和读取采集结果命令(读取)。读取命令接受来自测量模块的数据，并添加一个创建数据段的头。然后将数据段封装成一个数据包，并与主站进行交换。

与Read命令相关联的数据处理如图5所示，并包含了以下数据段[9]：①模块类型(2个字节)标识测量模块的类型。该字段的默认值为ZX，表示振动线传感器。②数据类型(1个字节)字段具有双重角色。如果设置了SYN标志(N)，则该数据表示新的传感器收集数据。如果SYN标志为清除(0)，则该数据段已被主站接收。③D1(2个字节)指定测量模块中的第一个传感器的数据值。④T1(2个字节)指定测量模块中的第1个温度传感器的数据值。

图5 字段寄存分布示意Fig.5 Schematic diagram of field registration distribution

2.5 方法流程设计

用于数据包分析的UDP框架的一般处理方法是沿着一个数据转换链，根据语法和语义将原始数据转换为通用数据，最后的结构化数据被存储在一个数据库中。数据转换的关键任务是解析原始数据，并通过通用语法统一访问。根据数据包描述和解析过程，将UDP方法分为多个阶段，包括数据包描述文件配置、数据采集、数据包分析和后处理[10]。数据包分析UDP框架流程如图6所示。

图6 数据包分析UDP框架流程示意Fig.6 Schematic diagram of data packet analysis UDP framework flow

2.6 基于XML标准的DSDM表达

XML正在迅速成为机器之间数据交换的标准。XML模式表达了共享的词汇表，并允许机器通过提供一种用来定义XML文档的结构、内容和语义的方法来执行用户定义的规则，XML对于在物联网环境中集成有结构化、半结构化和非结构化的数据非常有用。因此，DSDM表示法是基于XML语法的。一般来说，语义是指对数据符号的解释，如类、元素和约束的含义。在本文中，DSDM描述了设备数据包中这些特性的含义。DSDM是设备数据包的抽象表达式和定义，包括一组预定义的关键字、内置的模式类型、表达式和操作符函数等特性，并且具有以下特点[11]：①UnifiedDef(UD)，语义描述模型的根节点，具有属性格式和device_type；②数据包只有一个主节点标记，并具有分隔符属性；③数据要素表示数据元素的结构信息，并具有分隔符、element_size、开始和结束等属性，并具有名称、大小和模式等属性。

3 系统预警模型设计

建筑物安全监测的警告规则是基于根据用户定义的警告模型的监控项目和功能中的特征化，以满足不同层次的需求紧急性，每种类型的警告模型被分为3个级别。建筑物结构预警方法如图7所示。

图7 建筑物结构预警方法Fig.7 Early warning method of building structure

这3个警告级别分别为蓝色、黄色和红色。当超过为监测项目设定的给定阈值时，必须将警告信号发送给相关方，以便采取适当的应对措施。黄色警告级别向施工项目的安全主管发送警告信息。橙色的警告级别会将安全问题发送给项目经理。当系统发出红色警告时，这是三级警告中最高的一个系统中，安全问题可能代表一个重大的安全风险，可能导致极其严重的安全状况。因此，红色警告信息将危险通知发送给监督部门。此外，预警系统在提供实时通知的同时，也记录报警信息和相应的数据流，供以后查询。

4 物联网结合BIM方法应用实践分析

4.1 安全监测系统总览

本文以某大型建筑结构为研究对象，该建筑物结构的总建筑面积为59 313 m2。整体建筑物的基础采用的是桩基础结构，通过预制管插入地层形成了坚实的地基。由于该建筑物为商用建筑，其使用年限设计为50年。该建筑物结构的整体面积具有复杂性，需要通过动态实时监测并采用预警方法对体结构的安全性进行监测。基于IIS系统的BIM方法可有效地对其结构关键部位应力进行监测，建筑物传感器采用振弦式应变计，数据采集站通过分布式布局可在建筑物内部分散式地获取有效数据，数据采集站的分布方式为BGK-MICRO-MCU，主要对该建筑物的钢结构部件的应力变化情况进行监测，总体布局22个应力监测的主要部位，每一个部位布置多个监测传感器测试点。

4.2 BIM监测平台

将监测系统的架构以及设计完成后，需要对其监测平台进行可视化设计，并且建立起数据库。采用IIS系统的BIM监测平台对信息集成、动态响应、多类型数据的监测模块进行设计，利用SQL创建监测对象的数据库，实现BIM监测平台对某个建筑物全施工周期的安全动态实时监测以及预警功能。

4.3 施工过程中的动态监测

基于BIM监测平台的建筑物施工过程动态实时安全监测具有重要性，对整体建筑物的使用寿命有着至关重要的影响。通过可视化的监测，可以动态地监测结构施工中所存在的安全风险。该过程中将不断地切换传感器信号，实现对每个测点的应力监测，还可以在监测界面中查阅每个测点的应力状况，系统将通过折线图的形式展现给技术人员，对建筑物结构安全的监管人员提供最及时、最准确的安全动态信息。

4.4 结构安全预警

针对研究对象的建筑物，监测构件的屈服强度为235 MPa，根据构件屈服强度的50%设定为预警临界值，通过在动态实时安全监测插件的内嵌程序中调整预警临界值为117.50 MPa，进而运行结构监测构件安全预警功能，监测到珠海歌剧院实际施工过程中并没有发生异常。为了验证本文所提方法和开发插件的有效性，将编号为S1_H1W的传感器监测数据输入为117.55 MPa，验证预警功能。当监测到结构响应值为117.55 MPa，立即发出警报声，预警内容提示编号为S1_H1W的传感器采集的应力发生异常，对应的结构监测构件处于不安全状态，而且，基于BIM的监测平台追踪到该构件，定位于场景视图中央并高亮显示如图8所示。通过上述验证，基于BIM平台的预警功能可以根据实际项目的需要，设定预警临界值，并在动态实时安全监测过程中，实现实时预警并定位到异常构件。

图8 结构异常构件的定位Fig.8 Location of structural abnormal components

5 结语

本文提出了一种基于物联网和BIM的新型集成信息系统(IIS)，旨在提高构建建筑信息学应用中复杂任务的效率。本工作的主要结论如下。

(1)iDataBox数据采集终端的开发用于连接各种类型的传感器设备，并收集、预处理和转发传感器数据。iDataBox通过提供强大的交互操作功能和物联网网络连接，可供建筑检查员和现场风险检查员进行日常监控。

(2)本文提出了一个统一的数据解析框架来解决与数据源异质性相关的问题。定义了一个基于数据图的语义描述，可以深刻地增强应用程序开发效率，特别是当将新的异构传感器设备与监控平台相结合时。

(3)拟议IIS的预警功能用于监测建筑物结构。该系统被证明具有高度模块化和可扩展的性能。IIS允许设置多个报警级别，并内联修改单个阈值；因此，它被证明是一个非常灵活的系统。因此，在这项工作中引入的新IIS有效地提高了建筑物结构安全监测准确性，通过BIM平台为结构监测和早期预警应用的未来发展提供了一个新的范例。同时，未来的工作可以集中在将拟议的IIS应用于其他智能城市应用中，如城市安全监测和基础设施监督。