基于物联网的房建项目试验检测方法研究

曾巍伟

(中铁十八局集团有限公司，天津 300222)

住宅建设项目建设阶段的复杂性直接影响到住宅建设项目结构的安全性，提高施工风险概率，降低使用寿命，因此，建设单位既要保证住宅结构安全，又要加快施工进度，这就导致了施工安全、工程进度和经济效益之间的矛盾。为了解决这一问题，有必要对住宅建设项目的检测方法进行研究，通过试验获得最佳的施工方案和材料，保证住宅建设项目的实际效益。

房建项目出现事故的原因是无证设计、施工，管理制度不完善，人员对房建项目结构性能安全的认知不够，缺乏选择结构类型与施工技术等，对此，张仕山等[1]提出一种基于对象的集成DS证据理论和模糊集的建筑物检测方法，在对象分割的基础上进行建筑物自动检测，使其适用于高分影像复杂场景。吴珍云等[2]开展了江苏农居建筑现场抽样调查及结构特征分析，建设和推广具有抗震设防措施的集中住宅区，为有效提高农居建筑整体抗震性能提供保障。

本文总结以往研究成果，以物联网为基础，设计一个房建项目试验检测数据的网络平台，利用混凝土回弹仪检测混凝土强度与弹性模量，利用无线式墙体传热系数检测装置检测墙体保温性能，利用钢筋计及配套读数仪检测混凝土结构与模板的支撑性能，基于物联网中的无线传感器技术，设计传输程序，利用蓝牙、BDS等实时采集和传输检测数据，将数据导入数据中心服务器内进行数据处理并存储，利用SAP2000软件计算并输出试验报告。测试结果证明本文研究的基于物联网的房建项目试验检测方法，能够精准检测分析房建项目各项性能，为建设更具安全舒适的建筑提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 工程概况

试验中所用的房建项目试验检测用地9396 m2，总占地面积72 352 m2，项目高82.9 m。该工程共包含两栋楼，均为15层；使用年限是60年，抗震强度为7度，防水等级是Ⅱ级，1层层高是5.2 m，2～3层的层高是4.2 m，剩下层高均是3.4 m，结构类型是钢筋混凝土框架-剪力墙结构，梁截面大小为360 m×800 m，剪力墙厚度是310 mm，支撑架是钢管立柱，横杆在离楼板190 mm处安装扫地杆，第二层水平杆与地面的距离是1600 mm，为提升承重架的稳定性，需令其形成一个整体；在一号楼底部安装叠层橡胶隔振支座，对比分析框-剪结构与框-剪隔振结构的抗震性能。隔振支座为半径是510 mm的NRB与LRB，具体参数如表1所示。

表1 支座参数

该工程墙体设计共分成两种类型，东西北三个方向的立面外墙是抹灰饰面外墙，从里至外依次是石膏板层、保温层、竹材料墙板、水泥砂浆与涂料[3]。为符合建筑防水与节能需求，通过水泥砂浆与外墙涂料饰面墙壁最外层；其中保温层由竹材龙骨与岩棉形成，龙骨大小是36 mm×50 mm，间距是660～710 mm。南面的立面外墙采用挂板饰面外墙，从里至外依次是石膏板层、保温层、竹材料墙板与竹帘胶合板。墙体构建材料的热物理性能参数如表2所示。

表2 热物理性能参数

该工程一号楼与二号楼5层与8层浇筑混凝土时，预留部分试件，检测其抗压强度与弹性模量，混凝土由C40的硅酸盐水泥构成，分别采用相同的标准条件养护这些试件，在施工场地展开相同条件养护(同护)，在搅拌混凝土的地方展开标准条件养护(标护)，分别在4天、8天、15天与29天的时候检测试件的有关指标，5层与8层每层混凝土试件的预留情况如表3所示。

表3 混凝土试件预留情况

1.2 试验方法

以房建项目检测需求为目标，塑造检测过程管理信息的平台，完成计划预报、分发、上传现场检测数据等操作，该平台的主要功能是完成检测数据实时传输，增强房建项目试验检测效果。现场检测设备混凝土回弹仪、无线式墙体传热系数检测装置与钢筋计及配套读数仪，其作用分别是检测混凝土强度与弹性模量、检测墙体保温性能、检测混凝土结构与模板的支撑性能[4]。

传统的检测方法难以穿透多层墙体检测相关性能，而本文以物联网为基础[5]，设计应用程序，利用无线传感技术，能够实现布置在现场的多个检测设备采集到的数据能够实时传输，传输示意图，如图1所示。该程序能够连接安装在现场检测设备的蓝牙，实时采集检测数据，利用手机网络传输至服务器。经由移动设备的摄像头、GPS(北斗导航系统)采集现场检测数据，再打包数据传到服务器内进行数据处理。

图1 现场设备数据传输图

以物联网为基础的室内检测设备数据传输示意图如图2所示。在接收试验任务后，试验开始，安装在设备中的传感器开始实时采集数据，每接收一个试验的数据就封包处理，通过数据中心服务器传递数据至房建项目监测数据监管系统，利用监控摄像头录制试验过程；每次试验结束后，在数据中心服务器的硬盘内存储录制文件；采集的数据传输至试验软件中，利用该软件计算并输出试验报告。现场与室内整套设备安装完成后，能够实时采集试验过程的数据，精准存储混凝土强度测试与应力值曲线等。

图2 室内设备数据传输图

房建项目试验位置如图3所示。根据图3将检测仪器放在指定位置后，利用物联网无线传输技术，实时采集和传输温度数据、抗压数据和抗震弹性数据，采用服务器计算建筑的保温性能、抗压强度与抗震性能。

图3 房建项目试验结构

令剪力墙第i层材料厚度是δi，墙体传热阻的计算公式如下：

(1)

其中，导热系数是λi；内、外表面换热阻是Ri、Re，取值是0.12(m2·K)/W、0.06(m2·K)/W。

空气间层厚度是26 mm，热阻为0.15 (m2·K)/W。

(2)

其中，保温岩棉层的面积是S棉，竹材龙骨层的面积是S龙。

保温层平均热阻的计算公式如下：

(3)

混凝土弹性模量与强度间的关系如下[6-8]：

(4)

其中，弹性模量是EC；抗压强度是f′；混凝土自重是w。

利用试验软件中弹塑性时程分析法检测房建项目的抗震性能，通过SAP2000软件构建该项目的三维模型，如图4所示。

图4 三维模型

在该模型中分别输入EI Centro-NS、San Fernando-NS、Park Field-NS三个地震记录，最大加速度峰值改成410 cm/s2，地震记录的详细内容如表4所示。

表4 地震波输入记录

由此完成对建筑的保温性能、抗压性能、抗震性能的分析。

2 试验分析

2.1 外墙保温性能分析

利用式(1)～(3)求解外墙热传阻理论值，并与常见外墙类别的热传阻展开对比，各外墙类别热传阻对比结果如表5所示。

表5 不同外墙类别热传阻对比结果

分析表5可知，抹灰饰面与挂板饰面的热传阻值均高于其他常见外墙类别，说明抹灰饰面与挂板饰面的外墙类别保温效果较优，抹灰饰面外墙的热传阻相比三种常见外墙类别分别高出1.2倍、1.1倍、1.5倍；挂板饰面外墙的热传阻相比三种常见外墙类别分别高出2.0倍、1.8倍、2.4倍；经过对比可知，挂板饰面外墙的保温效果最优。

2.2 混凝土抗压强度分析

为了解早期混凝土强度、变形的变化趋势，利用混凝土回弹仪测试预留混凝土试件在同护与标护下第4天、8天、15天与29天龄期的抗压强度演化结果，如图4所示，主要特征量测试结果如表6所示。

图5 抗压强度演化结果

表6 主要特征量测试结果(单位：MPa)

根据图5与表6可知，两种养护条件下，前期混凝土试件的抗压强度提升幅度均较大，标护在第4天时的平均抗压强度已占29天的44.6 %，在第8天时的平均抗压强度已占29天的68.8 %；同护在第4天时的平均抗压强度已占29天的47.6 %，在第8天时的平均抗压强度已占29天的75.1 %；超过8天后，两种条件养护下的混凝土抗压强度整体提升幅度逐渐变小，说明施工过程中混凝土早期提升速度较快，提升新浇筑楼层的抗力，能够承受较多的荷载，降低下面每层模板支撑与楼板承受的荷载，可提升施工速度，增强施工时的安全控制效果。在龄期一致时，标护试件的强度值大于同护试件的强度值，标护试件的变异性较小，原因是其试件受环境影响较小。两种养护条件下的变异系数均与龄期成反比，代表龄期延长，外界对混凝土的影响不断降低，其强度的提升趋势不断平稳。

利用混凝土回弹仪测试预留混凝土试件在同护与标护下第4天、8天、15天与29天龄期的弹性模量演化结果，如图6所示，主要特征量测试结果如表7所示。

图6 不同龄期的混凝土弹性模量变化趋势

表7 主要统计特征量测试结果(单位：MPa)

根据图6与表7可知，两种养护条件下的弹性模量前期时其提升幅度均较大，标护在第4天时的平均抗压强度已占29天的66.5 %；同护在第4天时的平均抗压强度已占29天的65.0 %；说明在施工过程中，前期新浇筑楼层混凝土的弹性模量提升速度较快，增强梁与楼板的变形抗裂效果。依据刚度分配楼层间荷载的传递，前期新浇筑混凝土弹性模量提升幅度较大，利于为上面楼层承担较多的荷载，降低下面楼层每层楼板支撑与楼板承受的荷载。在龄期一致时，标护的试件相比同护的试件，其弹性模量略高，变异性较小，两种条件养护下，其变异系数均与龄期成反比，标护下的试件变异性较小的原因是其受环境影响较小。

2.3 混凝土结构与模板的支撑性能分析

利用钢筋计及配套读数仪检测1号楼与2号楼2至5层每层梁跨中的应力值，如图7、图8所示，其中1号楼2、3层的施工周期为7天，4、5层的施工周期为9天，2号楼各层的施工周期均为14天，在施工过程中会不断搭建与拆除支模架，1号楼搭建支模架时间长于2号楼，拆除支模架时间短于2号楼。

图7 1号楼每层梁跨中应力值检测结果

图8 2号楼每层梁跨中应力值检测结果

根据图7与图8可知，1号楼与2号楼每层应力变化趋势大致一样，但是各工序导致的应力变化情况存在细微差别，各层混凝土浇筑完成后，混凝土的收缩现象导致钢筋呈现受压情况。前几道工序中，各楼层梁跨中应力值逐渐提升，在处于最高应力值时，拆除上部支模架，楼板不会承受上部的荷载，仅剩楼板的自重，因此，应力值呈下降趋势，且不断平稳。

1号楼的2、3层施工周期短于4、5层，2、3层支模架上层混凝土养护时间较短，降低其强度与承载效果，上层承受荷载减少，造成这两个楼层的应力值整体偏低，其临时受力体系的底层荷载随上部支模架搭建呈上升现象。2号楼最大应力值整体高于1号楼；综合分析可知，工期时间越长，混凝土养护效果越好，可提升其承受荷载的能力，减少楼板承受的最大施工荷载。但2号楼的施工周期多于1号楼，其最大应力值却高于1号楼，原因是2号楼拆除支模架的时间短于1号楼，拆模时间越短，混凝土的龄期越短，其上部承载能力随之降低，在临时受力体系支模架拆除情况下，混凝土可承受的荷载变少，导致2号楼的最大应力值高于1号楼。

2.4 房建项目抗震性能分析

利用试验软件中弹塑性时程分析法检测房建项目的抗震性能，框-剪结构与框-剪隔振结构的加速度响应检测结果如图9所示。

图9 加速度响应检测结果

根据图9可知，在不同地震波时，框-剪结构的加速度响应幅度均显著高于框-剪抗震结构，框-剪抗震结构的加速度响应一致，均比较平稳；框-剪结构的最大加速度分别是1180 cm/s2、1400 cm/s2、500 cm/s2；框-剪抗震结构的最大加速度均是34.9 cm/s2；在出现地震时，房建项目的结构刚度会提升，导致地震加速度响应提升，在楼层底部安装隔震结构会使房建项目结构加速度响应明显下降，延长结构使用期限，可确保房建项目功能完善，增强人们的安全感。

3 结论

研究房建项目的安全性非常重要，其安全性直接影响人们的生命与财产安全，在世界各国中的关注度均较高，为此研究基于物联网的房建项目试验检测方法。基于物联网技术中的无线传感技术，设计数据传输流程，在布置现场的检测装置上安装蓝牙，经由移动设备的摄像头、北斗卫星导航系统实时采集和传输现场检测数据，再打包数据传到服务器内进行数据处理。实验证明本文能够从不同角度分析房建项目的外墙保温性能、混凝土抗压强度性能、混凝土结构与模板的支撑性能、房建项目抗震性能，为提升房建项目安全性提供科学依据，确保房建项目功能完善，增强人们使用的安全感。