福州某城镇既有建筑安全管理信息系统构建

2021-03-03晁鹏飞

福建建筑 2021年2期

晁鹏飞

(福建省永正工程质量检测有限公司福建福州 350012)

0 引言

2020年3月7日，福建省泉州市欣佳酒店在建成约7年后倒塌，造成人员重大伤亡，给人们敲响警钟，加强对既有建筑的安全跟踪管理、保障人民生命财产安全刻不容缓。

随着我国社会生产力水平的提高，各级建设主管部门对新建建筑的全过程监督和管理的现代化程度也日益提高，对单体结构性能检测、安全鉴定技术日益完善，专业检测机构数量日益增加，但目前对于建筑的检测、安全评估等技术还只是针对建筑单体，对建筑安全的管理多是碎片式的，在全局层面缺乏统一的安全管理体系。要避免房屋倒塌事故对生命和财产的破坏，必须建立覆盖面广、动态跟踪的城市既有建筑安全管理系统，对城市房屋进行主动管理、甄别和危险预警。该系统宜包含以下功能[1]：房屋安全信息数据采集、数据库处理分析、安全评价与预警、管理决策系统、公共数据云平台。

1 既有建筑安全现状及原因分析

随着社会经济的发展，我国社会渐渐告别“大拆大建”的建设方式，房屋建筑进入“存量时代”；既有建筑的安全隐患问题日益凸显，主要表现在以下几点：

(1)由于城市化发展的历史原因，虽然各级政府已经下了大力气进行棚户区改造的拆迁置换工作，但城乡结合部及城市繁华地段均存在大量的自建房屋和“城中村”，这些自建房屋的大部分仅凭经验施工，而且往往采用性能不可靠的原材料，随着使用年限增加，承重结构耐久性丧失，加上经济利益驱动房主随意分隔改造、附加荷载，各种不利因素叠加，这类房屋结构承载安全储备极低；而且，这些房屋多为砖混结构，结构整体延性差，破坏形式多为粉碎性崩塌，易造成大量人员伤亡。

(2)随着城市房价提高，为增加使用面积，无论新旧房屋，毫无安全意识的房主随意对原结构进行改扩建、私挖地下室、加层，并将房屋随意分隔租赁，甚至改为生产经营使用，在缺乏专业设计与施工的情况下，这些房屋存在严重安全隐患。

(3)部分地区仍存在无规划、无设计、无监督的违章施工建筑，由于各个环节失控，安全往往让步给经济利益，在施工过程中以及后续使用过程中，这些房屋都不同程度潜存安全隐患。

(4)近几十年来，随着我国建筑设计规范在进行了多次换版，但受限于当时经济水平和原材料生产水平，老旧标准的安全储备低，先前建造的建筑结构安全度不足，施工工艺落后，工程管理水平不高。因此，即使是20世纪八九十年代正规设计、正规施工的老旧房屋，随着使用年限增加，房屋承载的使用功能也更加丰富，加上地基沉降等不利因素叠加，这部分建筑也可能丧失结构安全性。

(5)即使是正式规划、报建的建筑物，随着使用年限的增加，建筑材料逐渐老化、耐久性降低造成原结构安全性下降，以及在建筑寿命周期过程中存在可能的改造、使用功能改变需求、自然灾害和环境的影响，对建筑安全均有可能形成较大影响[2-3]。我国沿海地区已出现多起老旧民房倒塌事故，如表1、图1～图2所示。

因此，国外的规范法规目前多采用定期检查、强制鉴定结合保险维修的方式进行建筑安全管理。如，新加坡采用特殊建筑物及完全用于居住的建筑物等在建造后每隔10年以后进行一次强制鉴定[4]。在我国浙江、上海等地局部地区已开始对危险房屋采用物联网进行实时监测。但目前国内外均未有类似的系统解决方案的相关文献记录。

表1 2014年～2020年部分房屋倒塌事故

图1 砖混结构倒塌

图2 泉州钢结构酒店倒塌

2 既有建筑安全信息采集路径

为建立全覆盖全周期的既有建筑安全管理系统，实时更新的、准确的建筑安全动态数据库的建立是管理基础。由于物联网传感器技术限制，目前对于既有建筑的安全信息采集，采取人工排查鉴定和物联网实时监测结合的办法。

2.1 既有房屋安全隐患排查

房屋结构倒塌的直接原因都是主要承重体系崩溃[5]，这些建筑物通常也均经过正规设计、审查、施工和验收，在体系和结构上发生安全事故的可能性大大降低。

随着近期既有建筑的安全事故发生率陡增，为避免安全事故发生，福建省开展全省房屋结构安全隐患大排查、大整治百日攻坚专项行动，以消除各类房屋安全隐患，遏制防范安全事故发生。全省组织排查力量，通过对结构体系现状的排查以及承重体系失效的先兆性表观的筛查，筛选出具有安全隐患的房屋结构，由于初期筛查工作大，由区、乡镇、街道组织本辖区具有一定结构知识的工程从业人员进行过网格式拉网排查。首批排查对象主要为无正规设计、规划施工的，私自改造等非正规建筑物。调查房屋基本信息，通过目测和简单的测量，由专业技术人员采集安全相关数据与信息；在排查时，通过手机、平板电脑等移动端，通过APP、微信小程序等多种前端输入接口，录入房屋排查得到的各项信息。

此外，为建立全覆盖、无死角的城市既有建筑安全管理体系，由于传感器寿命、成本和技术限制，无法全部进行物联网实时监测，周期性人工复查必不可少。因此，各级主管部门宜对既有建筑按照年限、隐患等级分类定期检查管理，制定周期性数据更新的相关管理规定，确保既有建筑的信息的时效性。

对于建设程序正规的小区、办公楼和商业建筑，可采用无人机巡查，对接城市房屋管理系统，如城管局或房管局的数据库，定期进行数据比对分析其改造与使用情况，实现既有建筑安全信息管理全覆盖，实现既有建筑物全寿命周期状况跟踪更新和安全管理的基础数据，便于从安全角度及时发现和排除安全隐患。

2.2 既有建筑结构安全性鉴定

对于初步筛查存在安全隐患或可能影响公共安全的重要建筑，可由专业机构进行既有建筑结构安全性鉴定。安全性鉴定是对民用建筑的结构承载力和结构整体稳定性所进行的调查、检测、验算、分析和评定等一系列活动。因此，要对民用建筑在应急、法规规定的安全性统一检查、延长使用期限和使用性鉴定中发现安全问题等4种情况进行安全性鉴定[6]，本文介绍的房屋安全管理体系，其房屋的排查程序可视为简化的使用性鉴定，发现安全隐患的进行安全性鉴定，与规范规定的技术路线基本一致。

结构安全性结构鉴定按规范标准进行，按构件、子单元和鉴定单元各分为3个层次，每一层次又分为3个使用性等级，逐层进行，如表2所示。

表2 安全性鉴定等级

2.3 基于物联网的实时监测体系

既有建筑的安全排查和安全性鉴定，成本高、耗时长，且安全等级的鉴定，主要依靠技术人员所掌握的专业知识和专业素养；然而，由于现阶段专业技术人员的水平参差不齐，专业人员的主观判断行为往往也会与实际的客观事实存在一定程度的偏差；另一方面，房屋结构的崩塌往往是在短时间发生的，其结构失去承载能力的表征在整体崩塌前短时间内大幅增加，而周期性的人工排查鉴定难以起到实时预警作用。

结构监测物联网，利用各种物联网传感技术，即通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把房屋、桥梁、隧道和大坝等大型结构与互联网连接起来，随着云平台和智能传感器技术的发展，使得房屋安全在线监测系统应用日益广泛。房屋安全物联网体系在结构健康实时监测预警方面，具有24小时不间断、人工成本低等优势，可作为城市安全信息管理系统的重要组成部分[7]。

城市房屋安全在线监测系统作为既有建筑安全管理信息系统重要模块，主要由硬件模块和软件展示模块构成。硬件层采用无线DTU组网方式，即通过采集仪、远程无线传输模块将数据传输至云平台。软件展示模块采用B/S方式构建，B/S的房屋安全监测系统负责接收监测设备数据[8]，并对数据进行实时处理，因此将可以实时房屋安全数据推送给客户、城市管理者和系统管理员，达到实时展示、预警目的。图3为城市房屋安全物联网系统工作流程图。

图3 物联网系统工作流程

3 城市房屋安全管理信息系统

采用关系型数据库建模技术以及时序数据缓存技术，建立房屋安全数据库系统平台，在Eclipse、Android Studio和Visual Studio 2013开发环境下，使用Java，C#语言，用户交互经由JSP完成，物联网数据传输协议根据各个传感器设备供应商提供的数据接口进行适配性定制，根据TCP/IP数据传输协议，构建传感器-数据集成收发器-4G网络传输-接收服务器解码-数据分析-人机交互的物联网体系。建立房屋安全管理信息系统，系统由数据库综合管理模块、数据录入采集APP和小程序模块、WEB端编辑管理模块、终端显示和推送模块组成，如图4所示。

图4 房屋排查与鉴定采集信息系统

数据库综合管理模块设置了房屋管理系统，含用户注册登录日志管理、用户权限分级系统、菜单管理、用户数据库管理、部门机构划分管理(内外部机构)、数据库检视与归类功能等，可对大量房屋安全数据信息进行分门别类管理，并根据用户权限进行授权管理。

信息录入模块分为以下几类：

(1)移动终端录入信息，移动端多用于人工排查场景，直接采用移动手机端上APP程序或微信内置程序，可不用另外安装程序文件，扩展使用方便，利用GSM/3G/4G网络甚至未来的5G网络进行移动端与数据库之间的数据、图片传输，便于房屋现场安全信息的采集，同时充分利用移动设备的硬件性能，建立数据交互渠道，通过GPS定位信息获取房屋精确位置信息。

(2)传感器录入信息，采用物联网技术，利用各种安全数据监测传感器，通过专业评估后安装在危险隐患房屋或重大影响的房屋不同位置，构建物联网体系。各采集模块实时采集传感器数据，采集力、位移、应变或振动数据，服务器软件对数据进行处理后存储并展现，终端为PC端以及移动端展示。

(3)PC端输入整理，数据库将采集到的数据经过整理、分析和汇总后，以房屋结构为单位形成数据条目，在PC端上可进行查阅、补充输入、数据提炼分析、按权限进行修订等操作，多用于数据后处理阶段。

(4)打通城市管理信息渠道，充分利用行政管理信息，补充完善房屋信息，力争全覆盖城市房屋安全管理。

人机交互通涵盖数据整理、分析和修订功能模块，包括数据展示和数据应用模块，通过授权PC的WEB端，信息控制中心、移动端显示以及信息推送形成显示终端，业务应用层通过网页和APP的方式展示，负责与用户进行交互处理。

4 城市房屋安全管理信息系统应用实例

受福州市部分区县政府委托，对无房屋建设许可证、无国有土地使用证、无建筑规划许可证的“三无”房屋，房龄较老的房屋，改造改功能房屋等进行全面拉网式走访排查，并对初期排查出隐患的房屋进行安全性鉴定。通过信息平台对庞大的数据进行管理，既实时跟踪一房一档的个体信息，也能给管理者提供大数据分析结果。图5和图6为现场采集数据的多种终端录入界面。

图5 移动终端录入

图6 WEB端录入

通过对福州市某镇房屋进行排查管理，总计对5000余栋既有建筑进行排查后录入到数据库，图7为房屋排查数据分析的部分结果。通过对大量数据的自动统计和筛查，可以对该镇存在安全隐患的建筑进行靶向精准管理，节约行政成本，提高风险防范能力。

(a)各种结构形式占比 (b)房屋隐患评级统计图7 城镇既有建筑排查数据分析

在房屋安全排查过程中，对出现一定隐患的人员密度较大的某建筑，经排查检测发现，因其地基不均匀沉降造成的裂缝，虽然检测时房屋尚未构成危房标准，但无法判断后续风险，贸然迁出房屋内数十户居民将带来极大的行政和经济压力，对于城市管理者而言，需要综合考虑安全、经济与社会影响等多方因素，不能一拆了之。因此，采用物联网手段监测房屋安全情况，为城市管理者决策提供实时的数据支持安全预警。

对需要进行实时监测的隐患建筑物，采用灵敏度8″，精度8′，量程±15°的倾角传感器监测倾斜情况，并进行裂缝宽度监测。为提高系统集成性，将数据采集模块及无线传输模块集成至自动采集传输系统，信号类型为RS485数字信号，每栋楼在角点设置两套监测系统，采用太阳能加不间断蓄电池供电。图8为物联网监测仪器安装情况示范，图9为某点持续一年的监测数据。经过一年的持续监测，基本可以判定该建筑地基不均匀沉降已趋于稳定，对该建筑已有裂缝进行处理后即可正常使用。