房屋健康监测系统评述

孙彬洋，高霖，王明振，冯文灵

（重庆文理学院 土木工程学院，重庆 402160）

1 引言

我国社会、经济正处于一个高速发展的状态，基础设施和城镇建设系统正在逐渐完善。目前，国内一部分房屋已经开始进入老化阶段，新的房屋数量正在大幅增长，房屋结构的安全问题逐渐引起社会的广泛关注。房屋结构安全与人们的生命、财产安全紧紧相连。因此，需高度重视房屋结构的安全性，最大限度地减少房屋垮塌等安全事故。

房屋结构安全鉴定一般由专业人员通过对现场进行勘察、检测、结构分析及验算等方式综合评定出房屋结构的安全状况，评定过程烦琐，所需时间长，人工工作量大。合理使用动态监测系统对房屋结构状态的安全情况进行实时自动化监测分析，可随时掌握房屋结构安全的情况，及时对房屋结构异常发出预警，留出采取解决措施的黄金时间，以避免灾难的发生，延长房屋的安全使用年限。

随着时代的变迁，人们的生活越发便利，智能化已经成为未来发展的趋势，房屋结构安全监测也由曾经低效率的人工监测开始向仪器自动实时监测转变。为提高房屋安全性，建立一套实时在线、可远程操作的房屋健康安全监测系统尤为重要。自动监测系统大幅度克服了传统人工高成本、低效率的缺点，并且实时掌握房屋结构的安全状态，能及时有效地发现其存在的安全隐患，及时采取解决措施，以保障人们的生命、财产安全。

2 房屋结构安全监测指标

房屋结构安全事故多出现房屋坍塌、倒塌等状况，经过对多例相关安全事故的研究及分析，可知发生此类事故是多种危险因素共同造成的。在一定范围内结构变形或墙体开裂是允许的，但如果超过这个允许值，就可能会导致结构安全事故。

房屋结构安全监测分为内部和外部两种监测。外部监测是指对房屋外形上的变化进行监测；内部监测是指对房屋结构构件的承载力、强度、稳定性变化的监测。因为房屋结构构件损坏大多会在建筑外部有所体现，所以现有监测通常以外部监测为主，主要监测指标有以下3个方面。

2.1 倾斜

在房屋安全监测中，倾斜需要重点监测，它是判定房屋安全等级的重要指标，也是房屋倒塌的主要特征。倾斜的发生主要源于房屋外部施工或地质发生改变导致地基形成不均匀的沉降，还有房屋内结构构件拆改导致结构的承载力减弱。监测房屋倾斜的传统方法是在房屋表面设置摆式倾角传感器或加速式倾角传感器或光纤光栅式倾角传感器，将房屋的倾斜程度转换成电或者光信号的变化，然后经过放大信号、转换等步骤以输出模拟信号或脉冲信号。这3类倾角传感器的区别在于角度敏感元件不同，所以各类倾角传感器的适用范围也不尽相同。

2.2 沉降

沉降分为均匀沉降和不均匀沉降两种，它是房屋在垂直方向上发生的位置变化。均匀沉降对于房屋本身来说是安全的，它不会因为房屋产生的附加应力而出现结构开裂，但是对于房屋内的管道等引入房屋内的设施和周边建筑的影响比较大。不均匀沉降比均匀沉降对房屋本身造成的危害更大，不均匀沉降会导致房屋开裂或者倾斜，给房屋带来极大的安全隐患。不均匀沉降在房屋倾斜监测和裂缝监测中也能有所体现。监测房屋沉降的传统方法是安装静力水准系统，其中静力水准仪又分为液压式静力水准仪、磁致伸缩液位式静力水准仪、光纤光栅液压式静力水准仪，这3类静力水准仪中液压式静力水准仪在智能化建筑的领域运用最为广泛。

2.3 裂缝

裂缝的产生大多由于地基不均匀沉降、温度变化以及荷载变化，还有一类常见的裂缝是技术问题导致的混凝土墙体开裂。裂缝的形成往往和房屋坍塌密切联系在一起，所以裂缝的监测是房屋健康监测中非常重要的一环。监测裂缝的实质就是测量裂缝宽度，即测量裂缝两侧墙体相隔的距离。监测房屋裂缝的常见方法是在裂缝两侧安装带滑动拉杆的振弦式裂缝传感器或光纤光栅式裂缝传感器，通过监测拉杆长度的变化量得出房屋裂缝的宽度。但是裂缝传感器并不能预测新裂缝出现的具体时间和具体位置，它一般只能安装在已发现的裂缝的最宽处[1]。

3 现有房屋健康监测系统

传统人工监测房屋结构安全的方式效率较低、时效性较差，房屋健康安全监测系统则大大提高了检测效率，实时对房屋结构进行监测，及时发现房屋存在的安全隐患，掌握房屋结构的状态，为人们提供了采取解决措施的时间，以保障人们的生命财产安全。近年来，越来越多的专家学者对房屋健康监测系统的设计引起重视，通过他们的探索及研究，目前，房屋结构健康监测系统有以下几种类型。

3.1 基于云平台或物联网传感技术的房屋结构智能监测系统

基于云平台的远程在线房屋结构智能监测系统[2]经过实验证实可以应用于结构损伤的识别。此系统利用LabView平台的传感器子系统实现实时数据的展示和历史数据的分析等核心板块，设计实现了基于JavaEE平台的房屋结构后台管理系统、基于MVP设计模式动态搭建的稳定的Android客户端系统。

该系统的数据传输和流程如下：布置传感器优化测量数据，数据采集仪采集各类传感器数据到房屋控制室工控机中，传输接口包括RS-485、RS-232、TCP，将数据集成，处理后备份到数据库，再通过本地交换机使用可靠的传输协议TCP将数据传输到远程应用服务器，并存储在服务器端的数据库中。通过浏览器和Android客户端可以远程访问服务器，实时查看监控监测数据，通过数据融合的结果以确定房屋结构的安全性。该系统的关键技术有：传感监测、数据采集、分析处理、多传感器信息融合与损伤识别等相关算法、LabView程序设计中相关技术、JaveEE和Android平台架构设计及数据库优化技术等[3-5]。

物联网传感技术是通过射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约将某物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。基于物联网传感技术的监测系统[6]则是采用DTU组网方式将监测的数据分析处理后传至云平台，工作人员可以通过终端及时查看房屋结构安全状况，及时进行处理，保障居民的安全。该系统分为物理层、信息层和应用层3个板块。物理层指安装在现场的监测硬件系统，包括倾角传感器、静力水准仪、裂缝传感器等传感器，以及采集仪、无线传输模块，起到采集监测数据并上传至云平台的功能。信息层即云平台，用于接收、存储、分析、管理各类监测数据。应用层即通过各类终端查看监测数据，使数据通过图表的形式直观地呈现出来[7]。

3.2 基于BIM的房屋安全监测系统

基于BIM的房屋安全监测系统[8]利用BIM三维建模软件Revit和管理软件Navisworks，将房屋模型和实际建筑中的传感器位置一一对应，监测到的信息可以及时转到可视化的模型上，使监测信息体现得更加直观，容易理解，信息读取更加便捷准确高效。该系统的组成主要有两大板块：房屋模型和监测信息数据库。首先，使用Revit建立房屋三维模型和传感器模型，然后将该模型导出为nwc标准文件，再将此文件导入Navisworks管理软件中。房屋模型建立后，利用Microsoft Access以房屋模型中的传感器的属性为基础建立相对应的数据库，数据库再通过Navisworks进行开发及管理。将传感器数据录入建立好的数据库，从而使数据库中的监测结果转化为可视化的房屋模型的信息，之后就可从房屋模型中选中相应位置的传感器直接查看监测信息。

3.3 基于无线传感器网络的房屋健康监测系统

基于无线传感器网络的监测系统[9]是基于双向无线通信技术中近距离、低复杂度、低功耗、低成本的ZigBee技术设计的高精度远距离无线传感器网络系统，通过直接采集传感器的数据完成对房屋结构健康的实时监测。无线传感并不是传感器本身无线，而是将倾角传感器、静力水准仪、裂缝传感器等传感器连接在一个节点上，进行数据处理和无线传输。无线传感器节点包括微处理器模块、电源模块、传感器模块这3大模块。设备节点硬件设计主要是无线传感器节点硬件设计和协调器节点与路由器节点硬件设计两个部分。基于无线传感器网络的监测系统相比使用传统的有线传感器的监测系统成本更低，不用布置烦琐的线路，没有线路的后期维护成本，无线传感整体监测效率也远高于传统有线传感器[10]。

4 结语

在科技飞速发展的如今，房屋结构安全的实时监测系统越来越智能高效，利用云平台、BIM模型、无线传感器网络等方法，通过对建筑结构安全数据的高精度动态采集，及时自动发出预警，为人们应对突发建筑安全事故赢得缓冲时间，保障了人们生命及财产的安全。并且通过实时监控房屋健康状况，及时发现并解决所出现的问题，也能有效保证房屋的服役年限。