既有幕墙健康实时监测及自组网技术应用研究

2023-10-29许曙光王文欢王红宇

中国建设信息化 2023年19期

许曙光王文欢王红宇

(广州安德信幕墙有限公司)

建筑幕墙的雏形诞生在19 世纪中期。1851 年，万国工业博览会于英国伦敦举办，而为博览会建造的“水晶宫”，则成为了世界上最早的用玻璃和金属建造而成的建筑，但彼时的“水晶宫”，还仅仅是现代幕墙建筑的前身之一。到20世纪初，现代主义大师康定斯基基于提升文化审美的需求，提出了“玻璃界域”概念，即用玻璃扩大建筑空间界域，营造无阻挡感。他的理论对建筑设计行业产生了深远的影响。1917 年，历史上首个玻璃幕墙建筑在美国建成：位于旧金山的哈里德大厦。尽管当时的技术与今天常见的现代幕墙玻璃技术有差距，哈里德大厦仍然标志着建筑幕墙的发展往前迈出了一大步。直到1952 年美国利华大厦的诞生，真正意义上的现代玻璃幕墙才正式问世。此后，大开间、透明、整洁美观的玻璃幕墙迅速征服了世界大大小小城市的人们，玻璃幕墙开始被大规模用作各类建筑外装饰、围护结构，建筑幕墙时代拉开帷幕。20 世纪末，基于工程技术的发展和玻璃生产、加工工艺的进步，玻璃幕墙在建筑行业应用得更加广泛。随着40 多年来改革开放不断深入，我国经济实力不断增强、城市化进程不断推进，建筑幕墙行业从无到有：从前外资一统天下，现今国内企业主导；从前模仿引进，现今自主创新，实现了跨越式发展[1]。建筑幕墙与传统墙体相比，具有轻质、高性能、丰富的表现力等优点[2]，使其成为现代城市建筑的标配，据统计，截止至2010 年，中国已建成的玻璃幕墙面积达8×108m2，超过世界总量的90%[3]。本世纪初，中国已经超越欧美日，成为世界建筑幕墙生产和存量第一大国[4-5]。

从2006 年至今，住房和城乡建设部、国家安监管理总局发布了系列文件，包括《关于进一步加强玻璃幕墙安全防护工作的通知》《既有建筑幕墙安全维护管理办法》和《全国既有幕墙排查通知》等，对“加强玻璃幕墙安全防护工作，保护人民生命和财产安全，充分认识玻璃幕墙安全防护工作的重要性，进一步强化新建玻璃幕墙安全防护措施，严格落实既有玻璃幕墙安全维护各方责任，切实加强玻璃幕墙安全防护监管工作[6]”提出了具体要求和工作原则。

各地住建相关单位也陆续制定发布建筑幕墙安全评估、检测、鉴定的规范标准、管理办法等法规文件[7-8]，明确了实施既有幕墙安全监管的部门及职责，使得政府对幕墙安全的监管工作常态化制度化。相关部门对既有幕墙安全监管能有法可依、依法行政，取得了良好的效果。

目前，国内对于幕墙健康及安全状态的评价，主要采用定期检查的方式。由于评估周期不能准确对应幕墙出现状况的时间和评价技术尚不够先进，定期检查的结论不能及时或实时反映幕墙的运行状态，总滞后于实际情况[9]。如何对幕墙工作状态实时监控，提供有效全面的安全预警，正被众多高校、企业和研究机构列为重点研究课题。

1.幕墙安全隐患分类及失效形式

幕墙体系通常由幕墙面板系统、连接锚固系统、幕墙支撑系统、胶粘密封材料、功能五金系统组成。上述五大系统中的安全隐患均会导致幕墙体系险情的发生。

1.1 建筑幕墙产生安全隐患主要原因

建筑幕墙产生安全隐患主要原因可分为材料失效、结构失效和功能失效三大类。其中，材料失效指构建整个幕墙系统所选用的建筑材料物理性能或化学性能的变化而导致建筑幕墙外观质量、支承结构和使用功能的质量的降低。如胶条、结构胶、密封胶老化，玻璃、石材面板的破损，金属连接件、五金件的腐蚀、疲劳等。结构失效指由于幕墙结构构件的异常变形、偏移、扭曲、开裂、损伤或过载而产生的结构性缺陷。如龙骨变形异常、拉索等预应力构件的异常松弛或张紧，玻璃肋开裂、钢结构异常变形，连接件五金件连接松脱等。功能失效指由于材料失效或结构缺陷而引起的幕墙性能的降低及使用性障碍。如渗漏、保温隔声性能下降，开启扇、门不能正常关闭开启，防火构造缺失等。

1.2 失效的表现形式

幕墙失效主要有五种表现形式：（1）位置的变化，指构成幕墙的部件、构件、板块发生位移、挠曲变形、相对位置的改变、角度的改变等；（2）外观的改变，如幕墙板块面板平整度的变化、形状的变化、玻璃透明度、颜色的变化、金属表面有腐蚀、老化导致的粗糙度的变化；（3）性能的变化，指胶条、密封胶弹性降低，把手、锁具、铰链合页等卡顿等，以及螺栓、螺丝、锚栓的承载力降低；（4）内力的变化；玻璃内部产生应力的原因有很多，如玻璃边缘的加工缺陷，玻璃内部气泡、缺口以及玻璃受热不均匀，这些现象产生的内力均会导致玻璃开裂。在玻璃服役过程中，若不能及时发现破损情况和更换，裂纹不断发展，则最终造成玻璃破碎[10]。此外，还有拉索预应力的变化；（5）物理特性的变化，如力学特性、声学特性、电阻、热工性能，温度、湿度的变化等。

2.幕墙多发安全事故类型及成因

幕墙常见安全事故可列为如下几种：（1）面板坠落，包括玻璃、金属面板、石材、陶板以及其他非金属板的坠落。面板与铝合金龙骨框架、钢柱、夹具等支承结构间通常采用螺栓、螺钉类紧固件或结构粘接等方式连接组装，面板将风、自重、地震等荷载力传递给支撑系统。当紧固件或结构粘结材料出现腐蚀、松动、老化、断裂丧失紧固功能后，面板在自重、风等外力作用下发生坠落。早期的表现通常表现为面板与支撑系统间装配位置关系发生异常变化；（2）支承结构垮塌，幕墙的支承体系如铝合金龙骨、钢结构、拉索拉杆预应力结构等发生破坏引起幕墙系统的崩溃垮塌。此类事故尤其以全玻幕墙垮塌的后果最为严重。引起垮塌的主要原因可分为支承结构破坏和连接构造破坏两种类型。支承结构破坏指支承结构的杆件变形或受力超出其承载能力。连接构造破坏指预埋件锈蚀、焊缝开裂、锚栓拔出、螺栓锈蚀、断裂等导致的构造承载能力不能满足使用需求；（3）组件构件坠落，指开启扇、门扇等功能组件、幕墙板块坠落、装饰线、遮阳板等外部构件坠落等。开启扇作为幕墙重要的功能组件之一，出现的安全事故包括玻璃面板坠落和组件整体坠落两类。而开启扇锁闭机构五金安装和使用不当，以及锁点不能闭合是导致开启扇组件被风吹开发生坠落的重要原因。门扇等功能组件、幕墙板块坠落、装饰线、遮阳板等外部构件坠落的主要原因与面板类似；（4）玻璃爆裂坠落，钢化玻璃爆裂坠落俗称玻璃雨，是最常见也是目前发生几率最高的幕墙安全事故之一，除玻璃本身的质量因素导致的自爆，装配质量、环境因素、玻璃面板固定约束方式等也会引发玻璃爆裂坠落。无论是哪一种情况，都可以归结为玻璃受力不均衡造成的局部应力超过玻璃破坏限值导致玻璃破裂而坠落；（5）渗漏以及材料腐蚀，渗漏现象是幕墙最常见的质量或维护问题之一，虽然不属于安全事故，但由于渗漏导致隐蔽部位、连接构造等关键点材料腐蚀，使得材料机械性能降低，是引发安全事故的重要诱因。

3.幕墙状态的量化评价方法

现代科学技术通常采用传感器实现将各种变化量转换为可测量的电信号或信息输出。传感器是一种技术十分成熟的测量装置，借助丰富多样的各类传感器，能够实现对幕墙运行状态和变化数据的采集和处理。对幕墙失效进行量化评价，是实现幕墙运行实时监测及安全评价的基础。敏感元件和转换元件为常见的传感器组成元件，这两种元件可以获取信息，对其进行处理，并最终输出需要被测量的信息[11]，这些信息将进一步服务于人们生活生产上对数据的需求。

图1 传感器评价的对象

作为实现自动检测、控制的基础仪器，传感器具有几项显著的优点，分别是网络化、微型化、数字化等。传感器的存在和发展，让被测量物的状态信息可以为人所获取，好比有了“触觉、味觉、嗅觉”等“感官”，能与人“交流”。

根据传感器的用途，可以将其应用分为五类[12]：（1）位置感知类，该类传感器可用于感知可调角度构件的角度和位置，如窗帘、百叶、门、窗、开启扇的开闭状态、开启的角度。此外还可以获取支撑系统的形变及位移变化信息，如挠度、间隙的变化；（2）压力感知类，力敏传感器能测得拉杆、拉索等受力杆件的内力变化，以及风荷载、自重荷载等荷载值；（3）温湿度感知类，此类传感器可以感知防火、保温构件，面板和隐蔽位置等的温湿度变化，有助于评价各部位的腐蚀和渗漏情况；（4）光学感知类，该类传感器可以感知光线照射角度的变化、幕墙内外自然光和人造光的强度，这些信息将有助于测量和评估玻璃的热工性能和光学性能。此外，还可以利用激光雷达感知玻璃外部冲击、表面涂层颜色变化，监测高空抛物现象；（5）其他类，如金属构件腐蚀程度监测传感器，可以识别、监测金属构件锈蚀及其程度。

4.传统幕墙状态实时监测系统的构成

传统监测系统的构成如图2 所示。底层传感器接入数据采集箱组成数据采集基本模块，模块通过有线或无线传输网络将数据传递至系统服务器，由中心计算机进行解算分析，计算结果按预设规则向用户提供预警、状态、指标报告。

图2 传统幕墙状态实时监测系统

图3 自组网节点

图4 基于自组网技术的幕墙状态实时监测系统

4.1 幕墙实时监测系统功能设置

幕墙实时监测系统功能有以下六种：（1）环境参数实时显示，包括不同位置、立面、区域的温度、可见光光线强度、紫外线强度、风速风压，湿度、降雨、气压等；（2）开启部件的实时状态，如开启扇、门、窗等是否开启或锁闭，开启扇开启角度、是否渗漏等；（3）结构构件受力情况，如拉索拉杆的实时内力、挠度等，支撑构件（龙骨等）的应力应变，玻璃、石材、铝板的应力应变，构件的变位、位移情况等；（4）隐蔽部位的状态，包括温度、湿度、渗漏等；（5）关键部位腐蚀程度；（6）预警报警，如幕墙状态指标超过预警、报警设定值后多平台告警。

4.2 传统监测系统的弊端

传统监测系统采用系统集成技术，中心化管理，这种管理办法具有以下缺点：首先是系统复杂，设备多，部署受空间限制。如开启扇、门、窗状态系统模块，面板监测系统模块，环境监测模块，荷载及应力应变模块，均需单独部署所需要的设备和线缆。此外，各大系统下的子系统需依赖于上位计算机系统或中心化系统，才能运行、共用设备或进行信息交互，响应速度慢，很容易出现管控失效的故障。最后，中心化系统的软件升级、集成均比较困难。不同用途的子系统接口不同，同一个子系统但不同品牌产品的接口亦不相同，均需要升级开发软件系统以匹配接口。

5.基于自组网技术的幕墙状态实时监测系统

5.1 自组网技术简介

自组网技术以广域物联网技术为基础，以国产自主的超低功耗物联网芯片为核心，是世界领先的物联网技术系统[13]，能够实现智能自组网、分布计算、实时定位、射频识别等功能，具有容量大、距离远、速度快、功耗低等优点。

5.2 自组网技术的优势

自组网技术主要的优势如下所述：（1）采用无线控制，因此无需布线施工，不受线缆羁绊；（2）采用网格拓扑，自由组网，可随意添加和移除节点，因此各业务功能模块与各数据模块实现便捷互通，提升了共享数据和组合业务功能的灵活度；（3）系统为完全分布式，实现了去中心化运行[14]；（4）联动管控建筑设备设施及多设备协作处理，可以同时实现幕墙状态实时监测、智能照明、室内外高精度定位、智能安保、楼宇智控等多种用途，一张网勾连万物，整体应用成本极大降低；（5）自组网不依赖于IP 网络独立运行，不依赖楼宇有线及无线网络独立组网，单个网关可接入超过约7万个节点。