基于BIM的建筑装配式钢结构抗震性能检测系统设计

罗海艳 颜军 蒋连接

摘 要： 针对建筑装配式钢结构抗震性能检测，由于采用传统系统信息采集不详细问题，导致检测效果较差，提出基于BIM的建筑装配式钢结构抗震性能检测系统设计。根据BIM抗震检测系统结构，分析传感节点基本功能，并设计传感器节点电路图，通过射频通信方式进行处理，可将数据传输到检测基站中。利用扫描信道来构建检测基站，可收集全部数据，通过RS 232总线接口传输到PC主机中。依据BIM抗震性能检测模型对硬件结构进行程序设计，将入网节点传送给检测基站，再由PC主机进行处理，由此实现抗震性能检测系统的设计。通过实验对比结果可知，该系统最高检测效果可达到90%以上，为促进钢结构抗震应用提供指导。

关键词： BIM； 钢结构； 建筑装配式； 抗震； 检测； 传感器； 检测基站

中图分类号： TN911?34； TU3 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）19?0108?05

Abstract： Since the traditional building assembly steel structure seismic performance detection system can′t acquire the detailed information， and has poor detection effect， the design of BIM?based building assembly steel structure seismic performance detection system is proposed. According to the structure of the seismic detection system based on BIM， the basic functions of the sensor nodes are analyzed， and the circuit diagram of the sensor nodes is designed. The data can be transmitted to the detection base station by means of the radio frequency communication. The scanning channel is used to construct the detection base station， collect all the data， and then the data is transmitted to PC through the RS 232 bus interface. According to the BIM seismic performance detection model， the hardware structure is programmed， in which the network node is transmitted to the detection base station， and processed by PC to realize the design of the seismic performance detection system. The experimental contrast results show that the maximum detection effect of the system can reach up to 90%， and can provide the guidance for the seismic application of steel structure.

Keywords： BIM； steel structure； building assembly； aseismic structure； detection； sensor； detection base station

0 引 言

我国属于多地震国家，许多地方发生的地震会对地面建筑物产生重大损失，甚至出现人员伤亡现象，因此对建筑物抗震性能检测是至关重要的。在已有的建筑体系中，钢结构作为主要建筑结构，在装配式建筑中得到了广泛应用。不同的结构形式，抗震性能明显不同。以往混凝土建筑结构房屋受压能力较好，但是抗震效果较差，房屋在地震循环负荷情况下容易发生整体塌陷。而钢结构具有良好的延展性，可抵消地震产生的地震波，凭借自身特有的高延展性减轻了地震反应。为了检验钢结构抗震性能，设计抗震性能检测系统，在抗震性能检测实验里，模拟地震振动信号要经过必要的处理，应用信号传输设备进行分析，可有效检测建筑装配式钢结构抗震效果。傳统方法采用双绞线综合布线方式对建筑装配式钢结构抗震性能进行分析，通过互相绞合方式抵抗一部分电磁波的干扰，但无法抵御全部电磁波，导致抗震性能检测效果较差，为了解决该问题，本文提出基于BIM的建筑装配式钢结构抗震性能检测系统设计。

1 建筑装配式钢结构抗震性能检测系统设计

基于BIM建筑装配式钢结构抗震性能检测与传统检测不同，该方法是以钢结构项目信息数据作为核心，供多个专业协同评估与管理。

1.1 检测系统硬件设计

在建筑装配式钢结构检测系统上添加传感器，并将其与检测基站设备连接在一起，可构成检测系统硬件结构，具体结构设计如图1所示。

由图1可知：在BIM建筑模型下，使用微处理器对采集到的数据进行处理，并传送到基站设备中，可检测建筑装配式钢结构抗震性能。

1.1.1 传感器节点设计

针对无线传感节点进行设计，基本框图如图2所示。

由图2可知，设计无线传感节点可采集地震信号，利用射频通信方式对信号进行处理，将处理后的数据全部传输到检测基站设备中。具体传输电路设计如图3所示。

由图3可知，传感器节点由处理节点、数据存储节点、传感节点组成。存储器选择FLASHAT45DB041型号芯片，具有功率消耗低，电路连接简单的优势，适合传感器节点使用。

1.1.2 检测基站设备设计

检测基站设备是为了构建网络，接收来自传感器节点的数据，同时将数据进行融合，并转发给PC主机。针对检测基站设备进行设计，基本框图如图4所示。

由图4可知，检测基站通过扫描信道来组件通信网络，等待上述传感器节点的加入。传感器节点加入网络后，检测基站立即进入休眠状态，直到产生振动信号为止，可收集全部数据，通过RS 232总线接口传输到PC主机中。

1.2 系统软件流程设计与实现

基于BIM的建筑装配式钢结构抗震性能检测系统软件设计主要是对硬件中的传感器节点程序和检测基站程序进行设计。建筑信息模型BIM以建筑工程项目数据为基础，通过数字信息仿真所具有的真实信息，利用三维建筑模型，实现数字化管理。BIM模型构建如图5所示。

基于二维图纸模型信息，构建受力结构三维BIM模型。该模型的构建在Revit软件平台上进行，对于建筑钢结构抗震性能检测的细节，主要依据建筑专业施工图纸中局部详细内容进行细化处理，由此提高系统检测可靠性。

1.2.1 传感器节点软件流程设计

传感器节点软件流程主要是实现地震信号采集、处理和基站通信的过程，传感器节点软件流程设计如图6所示。

由图6可知：对传感器节点进行初始化处理，等待请求连接命令的下达，如果连接成功，传感器则接收到休眠请求，否则返回到上一步骤。与此同时，连接成功使数据全部发送出去，此时解除休眠。

当传感器节点接收到数据发送信号后，开始向检测基站发送请求分配命令，等待接收地址分配信号的下达。如果没有接收到分配信号，则需经过随机延时再次发出分配请求，不断重复该步骤，直到接收到地址分配信息即可。当收到地址分配信息以后，需记录自身节点地址，并传送给检测基站，直到返回一个地址确认信号可完成节点入网过程。

1.2.2 检测基站软件流程设计

检测基站作为主要节点，能够接收来自射频模块的初始化、查询信道、接收传感器等数据，针对该部分程序设计如下所示：

1） 开始加电；

2） 设备初始化处理；

3） 初始化是否成功，如果成功，则需要查询信道；如果失败，则需返回到步骤2）；

4） 检验查询是否成功，如果成功，则需设置自身节点；如果失败，则需继续查询。如果查询次数大于设定的固定值，则进入休眠状态，否则返回到步骤3）；

5） 允许传感器节点入网；

6） 将传感器节点设置为休眠状态，如果设置成功，则查看节点是否有需要发送的数据。如果失败，则需返回到步骤5）；

7） 如果节点有需要发送的数据，则查看是否收到数据，若收到，则转发数据。若没有收到，则需需返回到步骤6）。

当检测基站接收到传感器节点传输的数据，则需将其传输给电脑端主机进行处理，并继续对网络进行检测，保证其他节点发送的数据不会缺失，多次迭代，直至全部数据都被检测出来。

根据BIM抗震检测系统结构框图，使用中央微处理器對传感器节点上获得的数据进行处理，应用无线通信方法把数据传送到基站设备中。依据该原理，分析无线传感节点基本结构，并对其电路图进行设计。而检测基站通过扫描信道来组件通信网络，等待上述传感器节点加入，方便系统检测。针对这两部分的功能进行软件程序设计，保证在二维图纸上，构建受力结构的三维模型，使系统具有可靠的检测效果。

2 实 验

为了验证基于BIM的建筑装配式钢结构抗震性能检测系统设计研究是否合理，做出下述实验。

2.1 实验参数设置

实验参数设置如表1所示。

2.2 实验环境分析

据统计，我国地震局接收到的地震次数每年可达到200多万次，也就是每天都要发生上千次，其中绝大多数都是太小或距离地面太远，以至于人体感觉不到，必须使用地震仪才可记录下来。针对实验环境设置，可选择2017年5月某天地震数据，大致方位可确定为距离地面12 km处，地震源发射情况如图7所示。

根据图7所示地震环境，可进行实验验证分析。

2.3 实验结果与分析

根据上述实验环境，将传统系统与基于BIM的抗震性能检测系统对比分析。

采用这两种系统检测到的地震波形如图8所示。

通过无线通信连接检测基站设备，利用RS 232接口将数据传送至PC主机。通过图8对比结果可知，采用传统系统获取的地震波形不明显，且波动范围较小，而采用基于BIM系统获取的地震波形较为明显，且波动范围较大。

依据上述两种系统检测的地震波形可知，传统系统地震波形不如基于BIM系统获取的地震波形明显，为了验证BIM系统对建筑装配式钢结构抗震性能检测效果良好，做出分析，具体结果如图9所示。

由图9对比可知，当检测时间为0.1 s时，采用传统系统的检测效果为50%，而基于BIM系统的检测效果为79%；当检测时间为0.3 s时，采用传统系统的检测效果为46%，而基于BIM系统的检测效果为68%；当检测时间为0.6 s时，采用传统系统的检测效果为58%，而基于BIM系统的检测效果为83%；当检测时间为0.8 s时，采用传统系统的检测效果为55%，而基于BIM系统的检测效果为79%。由此可知，采用BIM系统检测效果较好。

2.4 实验结论

根据上述实验内容，可得出实验结论：当检测时间在0.1 s以内时，采用传统系统与BIM系统的检测效果都有较大幅度变化，当时间超过0.1 s时，两种系统检测效果变化幅度较小，且当时间为0.68 s时，基于BIM系统的检测效果达到90%以上。

3 结 语

本文通过实验验证了基于BIM系统的检测效果较好，最高可达到90%以上。利用高效率检测系统，结合BIM建筑模型可准确检测钢结构抗震性能，使建筑装配式钢结构在房屋建设中达到良好的使用效果。

虽然该系统检测效果较好，但去除干扰回波是急需解决的问题，因此，后续还需结合相关地震资料，进一步研究地震信息特征。

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