5G背景下BIM技术在建筑抗震减灾中的应用

朱争光 张 童 李 娜

(昆明工业职业技术学院 昆明 650302)

遇到大型地震时，建筑物的设防将显得不堪一击。灾后的救灾工作变得更为重要。根据唐山大地震和日本阪神大地震的情况统计，抢救时间与救活率的关系为：第一天救活率为78%左右，第四天的救活率下降到15%左右。[1]以上数据说明，救援的时间越早，幸存者生存的希望就越大。地震发生后往往当地的救援设施也被损坏。如何在最短时间内完成最大的救灾效果，信息技术是最有效的技术手段。

1 地震作用下的内力与位移

对于地震的成因，学术界有球运动、大陆漂移、海底扩张等不同的见解，但表现在构造上是岩层在不断运动和变化，逐渐积累了巨大的能量，在地壳某些地带，造成地层突然发生破坏，产生波动，继而引起附着物的剧烈运动。[2]体现在运动波上有横波、纵波和沿地球表面传播的面波。由于几种波在传播上的不同，导致建筑物在地震发生时一颠二抖三摇。建筑物产生的灾害等级包括[3]：

(1)建筑物轻微摇晃，不产生构造损伤；

(2)建筑物明显摇晃，室内或室外装饰构件造成破坏，对人员造成轻微伤害；

(3)建筑物剧烈摇晃，房屋构件损坏，部分构件脱落，建筑物损毁，人员受伤；

(4)建筑物部分倾倒，房屋整体损坏，人员伤亡严重，周围基础设施可修复，易于救援；

(5)建筑物几乎全部倾倒，房屋整体损坏，人员伤亡极其严重，周围设施破坏，救援困难。

人类无法阻止地震的发生，当大地震来临时。建筑在地震中只能任由其摧残，轻则建筑产生裂缝，重则建筑倒塌人员伤亡。减轻地震灾害的有效手段有两个：

在地震发生前，进行提前的预测。

(1)提高建筑的安全等级，能够抵挡足够大的地震。

(2)地震发生后，进行高效的救援工作，提高救援的成果。

现阶段的人类面对地震所能做的更多的是加强抗震等级和及时开展震后的救援工作，对于地震的预测还无法做到。面对几十年才有可能发生的大地震，提高抗震等级将极大的浪费资源。由于震后灾区的道路等基础设施遭到巨大破坏，无法快速定位需要救援的方位，因此救援工作很难高效的进行。

2 中国网络发展

2020年三大运营商开始全面建设5G网络。5G网络的实现不仅仅是网速的提升，它为中国的基础建设提供了快速车道。

(1)5G提供更高的传输速率。5G网络的理论峰值可以达到每秒数10Gb。

(2)5G技术提供更多的接入点。IP地址的枯竭必然导致信息技术的应用困难，而5G技术运用新一代IP地址，容纳量得到急剧扩大，可以为地球上的每个生物配置一个地址。

(3)5G技术保证更低的网络延迟。更低的网络延迟，意味着不同个体间的同步同驱。

每栋建筑可以建设自己的局域网，局域网通过5G技术与互联网云系统相连。由于5G技术的低延迟性和高速性，可以使这种连接变得接近实时控制。以城市为单位，设置城市总台，接收城市的建筑信息，总台将信息反馈给业主，业主根据总台信息了解建筑的的详细信息，对潜在的隐患与危险进行控制、处理，并将信息进一步反馈给总台。5G技术已经到来，6G技术也必将在不久与世人见面。6G技术代表着更高效与更安全的传输。6G技术将带来天地互通，将使连接的范围极大的扩展。

3 BIM技术的发展

BIM(Building Information Modeling)是一次将虚拟和实体建造过程真正结合的技术革命。在建造实体建筑物与构造物之前利用虚拟技术全过程全方位的进行建筑施工与管理模拟，通过虚拟的模拟发现问题，改进设计和施工工艺从而使实体建造达到最优的效果。[4]在建筑的运营和维护阶段，BIM为建筑提供详细精确的定位。结合相应的传感器，可以实时记录构件的变形情况。BIM只是一项为更好的建筑而存在的技术，经过几十年的发展BIM技术已经可以全方位的展示建筑的各项参数。中国最近几年也在大力推广BIM技术，制约BIM技术的因素是其前期需要投入大量的时间和精力。加大BIM技术的后期利用，业主的消费升级，必然会推动BIM技术前期的建设。

4 技术融合

建筑加入信息化技术进行抗震监测研究。地震难于预测的原因在于地震产生的位置位于地面以下几公里甚至几十公里的位置，现阶段的设备很难实时监测到如此深的岩层。岩层的构造不同，导致其刚度与强度也有很大的差别。[5]岩层何时破坏很难精确判断，而地震的爆发是在长久的能量积累下，瞬间发生导致巨大破坏。当建筑加入BIM技术后，可获得长时间监测的大量建筑自身的数据，进行建筑的健康状况分析和抗震监测研究。现阶段国内已经有多家企业可以做到实时监测建筑的信息。对建筑倾斜度、裂缝宽度与深度、建筑的震动频率、建筑的侧移等相关参数进行整合，形成统一的测量标准。

建筑加入信息化技术用于震后的救援。在建筑的重要部位放入类似飞机的黑匣子的硬件，记录建筑物构件的变形，与内部关键节点的影像。当地震发生后黑匣子可以自足供电，救援人员拥有探测仪器，可以与黑匣子形成无线通信，方便救援队伍的救援工作。当地震发生后黑匣子内的定位系统可以给总台发送定位信号，救援人员可以利用定位系统分析、规划出最有效的救援路线，提高救援的效率。

各项技术的融合给地震的预测与地震后的救援工作提供了新的思路。建筑业的特点决定了它的传统性，因此信息化进程较慢，这大大阻碍了建筑业的发展。BIM技术的加入，使项目的责任情况记录于BIM系统中，有利于建筑终身负责制的推广与应用。在工厂的生产阶段将传感器与构建进行匹配，不仅可以为建筑提供建筑的运维信息，还可以为建筑装配阶段的建设精度做技术支持。

5 技术路径

第一步，将每栋建筑加入智能终端。此处的智能终端包括：建筑定位系统、建筑形变监测系统、建筑内外影像系统、环境监测系统、能耗监测系统、中央集成系统；第二步，利用5G技术使每一栋建筑连入网络。中央集成系统，即建筑的黑匣子，通过信息高速与总台连接，产生信息互动，点连成线、线连成面、面交汇成体，形成一个网络球；第三步，将数据上传并进行数据分析。总台接收建筑的信息，通过计算机与专业人员的分析，获得建筑物体检的健康数据，传感器收集到的各项数据可用于研究地震的产生与效应。地震发生后建筑的海量数据可以帮助救援人员分析人员和经济的损害情况，对人员和设施开展精准救援。第四步，进行环境评估，以确定地震对环境的影响。

国内已经存在一大批优秀的企业在从事建筑智能化的建设。但依然存在一些问题，比如：各个系统的兼容性较差，无法使不同的系统组合形成完美的大管理系统；系统的稳定性还需要时间的检验，由于建筑的长效性，要求建筑的各个子系统需要长时间的正常工作，一个良好的系统必须经过实践的检验；网络覆盖的不完备，由于中国幅员辽阔，必然会存在网络信息的闭塞区，必然会存在一定的网络延迟；监测数据的分析需要重新建立指标体系，由于监测的数据变为各栋建筑的反应信息，与传统的测量手段有明显差异，故需要重新积累经验和更高效的分析；建筑的前期造价将进一步增高，因此实施起来需进一步优化分区；震后黑匣子内的电池存在污染和容量限制的问题，因此黑匣子优先使用无污染高效的电池。

促进行业标准的制定，加强软件与硬件的建设是普及技术的第一步也是最重要的一步。统一各个企业的方向，让优秀的更优秀，减少不必要的浪费。以BIM软件的应用为例：确定优先级，保证兼容度。对于精度高、兼容性好的软件优先采用，对于问题较多的软件降低等级，甚至拒绝采用。加强硬件建设，整合资源使产品不仅价廉，更要质优。以房屋震动测量为例：以精度高、能耗低、寿命长作为依据，确定各项指标的等级，优先使用符合当地条件的设备。

6 结语

5G技术的到来，为建筑信息化提供了一条宽阔的高速公路，BIM技术为建筑信息化提供了优秀的载体。通过5G与BIM技术的结合，可以有效的监测、分析建筑的信息情况。地震的预测难点在于有效数据的获得，通过5G与BIM技术可以获得大量的数据信息，经过长期专业人员的研究，定会获得地震预测的有效技术手段。在地震的预测难以实现的情况下，地震发生后，救援抢险工作往往决定了经济和人员的挽回程度。通过5G与BIM技术可以分析建筑的损害情况，提高救援效率，也可为震后的重建工作提供技术支持。5G技术正在稳步的推进，BIM技术在高速发展，抗震的需求也在不断加强。技术的结合与创新是必然的结果。经过理论分析5G技术与BIM技术运用于建筑的抗震减灾是完全可行的。更是建筑抗震减灾的一条新的选择。各项技术在不断的实践与探索中将不断完善。完善系统的贯通需要大量的时间与实践，但建筑的信息化建设已经走出了第一步，统一标准、扩大应用面，在灾害面前设置一个新的保障。5G结合BIM技术，利用建筑形态传感器，使人与财产在地震面前减少损失和伤害。