房屋安全自动化监测方案(1)
房屋安全自动化监测技术
1.房屋安全监测及其必要性
2. 常见房屋安全问题及其产生的原因
2.1温度裂缝
是由温度变化引起的变形裂缝，温度的变化会引起材料的热胀、冷缩，当约束条件下温度变形引起的温度应力足够大时，墙体就会产生温度裂缝。最常见的温度裂缝是在混凝土平屋盖房屋顶层两端的墙体上，如门窗洞边的正八字斜裂缝，平屋顶下或屋顶圈梁下沿砖（块）灰缝的水平裂缝，以及水平包角裂缝（包括女儿墙）。
导致平屋顶温度裂缝的原因是，顶板的温度比其下的墙体高得多，而混凝土顶板的线胀系数又比砖砌体大得多，故顶板和墙体间的变形差，在墙体中产生很大的拉力和剪力。剪应力在墙体内的分布为两端较大，中间渐小，顶层大，下部小。温度裂缝是造成墙体早期裂缝的主要原因。这些裂缝一般经过一个冬夏之后才逐渐稳定，不再继续发展，裂缝的宽度随着温度变化而略有变化。
2.2地基不均匀沉降
随着地下空间的开展，以及地下水等较为复杂地质结构，导致地基不均匀沉降。房屋表现在墙体中下部区域的斜裂缝。建筑中部压力相互影响高于边缘处，且边缘处非荷载区地基对荷载区下沉有剪切阻力作用，故地基受到上部传递的压力时，地基反力在边缘区较高，引起地基的沉降变形呈凹形。这种沉降使建筑物形成中部沉降大、端部沉降小的弯曲．结构中下部受拉，端部受剪，当端部的剪应力较大时，墙体由于剪力形成的主拉应力破裂，裂缝通过窗口的两个对角向沉降较小的方向倾斜。垮塌的梁带动周围预制板一起下落，预制板的下落导致其相邻的梁失去侧向支撑，在地震作用下向掉落预制板一侧发生偏移；发生侧移的梁又导致其上下的墙体
损毁、倒塌、墙体垮塌后，导致其他墙体压力增大，引发结构连续倒塌后，出现大面积垮塌，另外，倒塌梁下部和门窗角部开裂较严重。梁下部开裂是由于梁在水平力作用下有发生转动的趋势，会导致周围砖墙开裂；而门窗角部开裂是由于角部应力集中导致。墙体中下部区域的水平裂缝。由于墙体中上部受压并形成“拱”作用，墙体裂缝越靠近地基和门窗越严重，且中下部开裂区上侧的墙体有自重下坠作用，造成垂直方向拉应力。当垂直方向拉应力超过块材与砂浆之间的粘结强度时，就形成了水平裂缝。
2.3结构物应力变化
早期房屋结构因其建筑年代久远，建筑材料经过长期老化性能衰减，不合理使用、拆改承重结构等因素，导致整体性差，结构松散，一旦受外力如震动、地基沉降影响，将对安全使用造成巨大隐患，因此对于鉴定为 C\D 级的危房。
2.4沿海城市风荷载的破坏
风是紊乱的随机现象，对建筑物的作用十分复杂，是结构设计中必然考虑的因素。随着经济的发展,近年来高层建筑尤其是体型复杂的超高层建筑得到了蓬勃的发展。一般而言，高层建筑物占地面积少，建筑面积大，造型独特，相对集中。这一特点使得高层建筑物在人口稠密的大城市迅速发展。但是高层建筑物上风荷载也越来越大，导致水平荷载不断增大。因此，高层建筑物需要较大的承载力和刚度来解决水平荷载的问题。
特别是对于沿海城市房屋建筑，长期受风荷载作用，一方面引起建筑物表面风化，海风、海水中携带的盐分加速了钢结构和结构钢筋的腐蚀；另一方面，风荷载是一种非周期性的动荷载，对建筑物特别是古旧建筑物的结构安全产生很大的影响，长期作用会降低结构承载力，加速建筑裂缝的发展，降低结构寿命。
2.5附近工地施工的不利影响
随着我国经济的快速发展和旧城区改造推进新建房屋的规模越来越大建筑物相邻间的距离也越来越近，常常会出现新建房屋施工对周边建筑物产生不利影响尤其是对一些建造时间久、建筑标准低民房的影响尤为严重。主要有：桩基的影响，
各类挤土桩的施工对周围房屋地基产生扰动；深基坑开挖施工中，如果没有采用刚度较大的基坑支护结构，基坑变形大，会使周边房屋产生倾斜、开裂；施工过程中降水会使周边房屋地基沉降；施工中的振动可能导致附近地基土液化；新建房屋的荷载导致地基沉降引起周边建筑物的沉降或倾斜。
3.监测依据
（1）《建筑变形测量规范》（JGJ 8-2007）；
（2）《工程测量规范》（GB 50026-2007）；
（3）《建筑地基基础设计规范》（GB 50007-2011）；
（4）《民用建筑可靠性鉴定标准》（GB 50292-1999）；
（5）《危险房屋鉴定标准》（JGJ125-99）；
4.分项监测方案及其原理
4.1建筑物不均匀沉降
4.1.1传统人工监测手段
由于各种原因，建筑地基可能产生不均匀沉降，这时需要对建筑物进行长期有效的实时监测，设置必要的安全预警值。常见的方法是用水准仪进行观测监测，水准仪监测步骤如下：
①、建立水准控制网
根据工程的特点布局、现场的环境条件制订测量施测方案，由建设单位提供的水准控制点(即基准点)根据工程的测量施测方案和布网原则的要求建立水准控制网。要求：
(1)在建筑物周围布置三个以上水准点（即工作基准点），水准点的间距不大于
100米。
(2)在场区内任何地方架设仪器至少后视到两个水准点，并且场区内各水准点构
成闭合图形，以便闭合检校。
(3)各水准点要设在建筑物开挖、地面沉降和震动区范围之外，水准点的布设要符合二等水准测量的要求。
根据工程特点，建立合理的水准控制网，与基准点联测，平差计算出各水准点的高程。
②、建立固定的观测路线
由场区水准控制网，依据沉降观测点的埋设要求或图纸设计的沉降观测点布点图，确定沉降观测点的位置。在控制点与沉降观测点之间建立相对固定的观测路线，并在架设仪器站点与转点处作好标记桩，保证各次观测尽量沿统一路线。
③、沉降观测
首次观测在观测点安稳固后开始。首次观测的沉降观测点高程值是以后各次观测用以比较的基础，其精度要求高，施测时用精密水准仪，并且要求每个观测点首次高程应在同期观测两次后取平均值。观测周期按照前述观测时间的要求进行。
④、将各次观测记录整理检查无误后，进行平差计算，求出各次每个观测点的高程值。从而确定出沉降量。
⑤、统计表汇总
(1)、根据各观测周期平差计算的沉降量，列统计表，进行汇总；
(2)、绘制各观测点的下沉曲线；
(3) 根据沉降量统计表和沉降曲线图，预测建筑物的沉降趋势，将建筑物的沉降情况及时的反馈到有关单位或部门，正确地指导施工。
4.4.2自动化监测手段
传统方法在运用上有很多局限性。比如周边事物的遮挡，天气影响，人为误差，报告编写繁琐等。然而恶劣天气的往往是危险最大的时候，利用自动化的采集方案就可以避免这些问题，先介绍下最新式液压式静力水准仪。
液压式静力水准仪依据连通管原理的方法，用液压静力水准仪内的压敏传感器测量每个测点相对与端头液位罐相对高差，再设定某个相对稳定的测点为基准点，再通过计算求得各点相对于基点的相对沉陷量。
沉降计算方式：
测点：初始测量值—当前测量值=沉降变化值
基点：初始测量值—当前测量值=基点变化值
沉降变化量计算：沉降变化值--基点变化值X-1=最终沉降值
该产品采用镁铝合金外壳设计，外观尺寸高111.3*90.8*52产品采用比较人性化的预留透明观察孔，可随时查看当前的液体的位置以及有无液态气泡，同时设计有弹压自锁排液装置，当有气泡时可随时进行排气处置，操作简单快捷人性化设计，接线口采用航空插头，具有非常高的防水特性整体防护等级IP67，联通管接口采用标准的启动连接件连接，抗压等级达到2MPa，整个传感器设计防水防震、具备特种条件下使用。使用寿命高达5年以上，并且可以重复使用一致性高，内置嵌入式式航空高精度硅压传感芯片。量程可达0.2~2000mm，精度±0.2mm，分辨率0.001mm，绝对满足现场实际工程的测量要求。
组成部分也很简单，如下：
储液罐，连通管，静力水准仪，采集主机，GPRS上传模块（DTU）
测点分布情况
数据采集流程情况
精力水准仪安装前注意事项要求：
1、安装前对基点选择的要求，要求基点原理测点距离尽可能的＞15m相对稳定无振源干扰。落差不大于2m。测点之间的间距根据设计要求进行布置。
2.安装前对传感器进行ID地址确认，并且记录在PC机软件内，将所所有要安装的传感器联机测试10分钟，安装时按照ID编号的顺序和测点位置确定传感器。
传感器示意图
连通管连接方式
3、测点传感器采用膨胀螺栓固定安装并且要求固定牢固，然后将液体连通管
串联至每个测点传感器，基点、储液罐相连接闭合，液体接口处螺丝锁死固定要求无漏液。
4、气压平衡管采用液体联通管同样连接方式串联，然后和基点、储液罐联通。
传感器的信号线连接方式：
5、通信电缆的连接，线缆采用双绞屏蔽PU4*0.4防滑电缆，颜色分白色信
号- 黄色信号+ 黑色12v-红色12v+ 采用接线盒按照线缆的颜色对应连接至接线盒，连接方式采用穿蓝测点基地串联方式通信、然后与采集仪相连。
6、液体的添加不同的监测环境所对液体的要求也不一样，推荐两种液体，第
一种为自来水，蒸馏水、一般采用该类液体首先要确定环境温度变换不大于10度，液体的膨胀系数子啊控制范围之内不会结冰上冻。
7、防冻液+自来水、比例1:1 该液体一般用在北方寒冷地区温度范围-20°-30°
使用。主要目的防止液体结冰上冻。
8、液体的添加有储液罐一处添加，添加液体时后端测点传感器气门打开保证
能够有空气排出液体添加时应保证连通管、传感器内尽可能的没有气泡。气泡的最大直径不大于2mm。这样传感器的稳定相更有保障。气泡的排出方法，采用气门下压即可排出。
4.2建筑物倾斜监测
4.2.1建筑物倾斜传统监测方案
传统人工的观测方法很多，利用全站仪、经纬仪、水准仪、激光铅直仪等。常用方法有：
1 投点法。观测时，应在底部观测点位置安置水平读数尺等量测设施。在每测站安置经纬仪投影时，应按正倒镜法测出每对上下观测点标志间的水平位移分量，再按矢量相加法求得水平位移值(倾斜量)和位移方向(倾斜方向)；
2 测水平角法。对塔形、圆形建筑或构件，每测站的观测应以定向点作为零方向，测出各观测点的方向值和至底部中心的距离，计算顶部中心相对底部中心的水平位移分量。对矩形建筑，可在每测站直接观测顶部观测点与底部观测点之间的夹角或上层观测点与下层观测点之间的夹角，以所测角值与距离值计算整体的或分层的水平位移分量和位移方向；
3 前方交会法。所选基线应与观测点组成最佳构形，交会角宜在60°～120°之
间。水平位移计算，可采用直接由两周期观测方向值之差解算坐标变化量的方向差交会法，亦可采用按每周期计算观测点坐标值，再以坐标差计算水平位移的方法。
4 激光铅直仪观测法。应在顶部适当位置安置接收靶，在其垂线下的地面或地板上安置激光铅直仪或激光经纬仪，按一定周期观测，在接收靶上直接读取或量出顶部的水平位移量和位移方向。作业中仪器应严格置平、对中，应旋转180°观测两次取其中数。对超高层建筑，当仪器设在楼体内部时，应考虑大气湍流影响；
5 测定基础沉降差法。在基础上选设观测点，采用水准测量方法，以所测各周期基础的沉降差换算求得建筑整体倾斜度及倾斜方向。
4.2.2建筑物倾斜自动化监测方案
与沉降监测相同，传统的方法也存在很多局限性，不能实时的准确的反应出现场实际情况。
倾斜自动化的监测方案：倾斜仪测记法。可采用电子倾斜仪进行观测。倾斜仪应具有连续读数、自动记录和数字传输的功能。监测建筑上部层面倾斜时，仪器可安置在建筑顶层或需要观测的楼层的楼板上。监测基础倾斜时，仪器可安置在基础面上，以所测楼层或基础面的水平倾角变化值反映和分析建筑倾斜的变化程度。
采用进口核心控制单元，采用电容微型摆锤原理。利用地球重力原理，当倾角单元倾斜时，地球重力在相应的摆锤上会产生重力的分量，相应的电容量会变化，通过对电容量处量放大，滤波，转换之后得出倾角。
角度输出计算公式：
角度= (输出电流－零点位置电流)÷角度灵敏度
角度灵敏度=输出电流范围÷角度测量范围
例： ±30° 测量范围 16mA输出电流范围
角度灵敏度= 16÷60=0.266666 mA/°
目前市面上的超高精度倾角仪，分辨率可达 0.0005°，精度达 0.001°，温漂为0.0007°/℃, 产品输出 RS232， RS485 和 CAN 总线多种接口可选，可以方便的集成到用户的使用环境中。
通过无线采集设备实时采集数据，把监测数数据传输至处理中心，通过分析数据得出结论。通过分布式物联网技术研发的房屋倾斜变形监工具，以远程无线的方式实时被观测房屋倾斜变形动态变化，为房屋解危工作决策提供辅助支持。
安装注意事项
设备安装包含前端监测设备的安装、客户端监控室设备的安装和后台服务器的安装。相关设备的安装除遵守相关规程外，严格按照设备说明书的要求进行。为了确保监测结果的可靠性，在安装倾角传感器的时候，必须保证传感器与接触面之间的牢固的接触。为此，在设置倾角传感器时，必须采取足以保证在长期使用过程中传感器与接触面良好接触的措施。安装中采用了固定螺丝和调平螺丝共同固定的方式，即先用传感器底部的固定螺丝固定，然后利用调平底角螺丝固定调平，确保传感器与接触面良好接触。倾角传感器的安装步骤具体如下：
倾角传感器，在一般情况下，一个楼房安装 4 到 8 个监测点。水平固定在被监控楼房的楼顶四个角和楼房底部四个侧面。传感器的安装板要牢固的固定在墙体表面，减少动态和加速度对传感器的影响；
尽量将倾角传感器安装在阴凉恒温环境处，以减少温度对测量值的影响；
首先尽可能平整的安装表面，如果安装表面不平，还需要使用砂纸打磨；
确定传感器的 XY 轴向，保证所有传感器的安装朝向完全一致。然后利用固定螺栓加固传感器，使其与接触面紧密连接；连接笔记本，对传感器进行电子零位调整。之后即可进行监测。
某楼监测点布置图
倾角计监测点6个
4.3建筑物裂缝监测
4.3.1传统人工方案
传统方式：人工用游标卡尺进行测量，对裂缝宽度监测，可在裂缝两侧贴石膏饼、划平行线或贴埋金属标志等，采用千分尺或游标卡尺等直接量测的方法；也可采用裂缝计、粘贴安装千分表法、摄影量测等方法。这些都需要人每天去巡查记录。
4.3.2自动化采集方案
裂缝的自动化处理方案也比较简单，安
装裂缝计对裂缝进行实时监测裂缝发育情
况即可。目前数码信号的裂缝计也有相当不
俗的精度。量程：50-300mm，精度：0.1mm，
分辨率：0.01mm，通信：RS485
然后将信号接入采集仪中，通过GPRS网络传输到相应的平台上。5. 项目自动化监测平台
5.1自动化监测项目总述
如上图所示，房屋监测的三大项内容，不均匀沉降，建筑物倾斜，表面裂缝，均可采用自动化监测手段，同时测试精度之高，数据采集实时性，连续性，以及问题反映的直观性，是人工采集无法比拟的。现在的传感器均可制作成数码信号，方便数据的传输。这样一来一台数据采集仪就可以将所有数据整合起来，再通过GPRS(DTU)模块进行无线传输到云端的服务器，然后通过网络，各级工作人员就可以在电脑上看到实时的数据。这是互联网+的时代产物。
5.2自动化系统检测平台实例
通过先进的信息化技术手段的运用，通过对楼房倾斜变形过程中的数据采集、数据传输、数据处理和异常超标报警，实现楼房的实时加密监测，实现对指定楼房的危险性排查和筛选。 本方案是一套完整的倾斜变形监测、 集中报警、 远程报警的系统解决方案。 主要特点有：
（1）系统提供多种报警方式和灵活的报警策略
提供的本地报警方式包括计算机界面的醒目颜色变化、本地声音报警、本地报警
指示板上的灯光报警指示、也可以按照要求定制 LED 报警指示；提供的远程报警方式包括短信报警、电话语音报警、电子邮件通知。
: 倾角计
：静力水准
仪
: 裂缝计
报警策略的灵活设置，以便使用者能根据监测设备或监测指标的重要性，进行延时报警、分级报警、以及报警升级后使用不同方式给不同管理员的报警。不同的设备或指标，对应不同报警策略。每一个报警策略，允许设定三个报警级别，每个报警级别允许设置本地声音报警、本地灯光报警、以及给不同的多个手机号码进行远程短信报警。一旦设备出现报警异常情况或者监测指标出现异常情况，立即按照设定的报警策略进行报警。
（2）系统工作状态监测
提供独立于服务器的安全预警机制，能够实时监测服务器的性能、实时监测数据库的性能、实时监测应用软件平台的状态、实时监测网路状态、实时监测采集设备的工作状态，保证系统的稳定运行。当服务器异常、数据库异常、应用程序异常、网络中断、采集设备异常时，立即发短信报警，并通过指示灯告之管理人员。
提供软件看门狗机制。当服务器出现问题或者人为误操作，导致核提供软件看门狗机制。当服务器出现问题或者人为误操作，导致核心程序退出或死锁时，软件看门狗能够重启系统，保证系统 24 小时正常工作。
（3）系统其他特点
系统集倾斜监测、环境温度监测、断电报警、消防报警等于一身，可以扩展增加裂缝监测、沉降监测、楼房自由频率监测等手段，以反映楼房结构变化。系统借用人人都随身带有的手机作为接收报警的工具，突出远程监测和远程报警的理念，是先进的系统，同时又是实用的系统。
支持多个监控终端的接入，适合较大范围的多个分散场景的集中监控和集中报警；系统扩展灵活，可以方便以后的系统扩展。
对于任何监测指标，可设置为永久布防、自动布防和手动布防几种模式，以适应不同的监测要求；对于自动布防的监测指标，系统会在非工作时间自动进行报警，而在工作时间停止报警；每个监测指标可以进行多种方式进行布防和撤防，支持电话远程撤防、短信远程撤防和布防、计算机布防和撤防等；以便适应在工作加班时的监测报警要求。
提供实用的报表，提供手动打印和报表自动打印功能；提供工作日志报表。
按照用户的要求，进行系统的定制开发，以便满足用户的实际需求。包括系统界面的定制开发和报表格式的定制开发。可以按照用户要求，提供数据接口，以便使监测数据得到二次利用。
提供多个自定义界面，以便使用者可以自己定义界面显示方式和内容，随意增加三维图片、监测指标，以便能够清晰准确的反应监测设备和监测指标之间的拓扑关系。
（4）监控方式
安装在监控室的监控主机实时监控在建筑上所连传感器的数据，当监测指标异常时，监控主机独立进行远程报警；同时监控主机将监测数据通过 GPRS 上传到服务器。用户在监控室可以看到监控数据和报警情况；用户也可以使用自己的办公电脑或者手机，随时查看建筑状态数据。
（5）系统结构示意图
（6）每幢建筑所需设备
监控主机：一幢建筑需要一台，内置市电监控。获取房屋倾斜了或偏移数据，或者外加其他传感器的数据，如震动传感器，进行短信报警，并上传数据。
倾角传感器：每幢建筑安装 4-8 套。可以选择 RS485 输出的倾角传感器。传感器连在监控主机上，由监控主机提供电源，无需另外供电。震动传感器：可根
据预算选择，可单独安装或选择带有采集震动信息的倾角传感器，连在监控主机上。
温度传感器：倾角传感器内置。
（7）监控中心所需设备
服务器：用于汇总各个监测场所的监测数据，服务器上需要安装数据库系统，要求服务器具有固定 IP 地址，或者租用我公司服务器。
系统软件：集中监控软件平台，用于算法配置、系统配置、数据存储/展示、集中报警。
报警设备：根据需要可选用短信报警器、语音卡、LED 显示屏、声光报警指示板等。
（8）实现功能
每幢楼宇需要多个倾角传感器和一台监控主机。监控主机通过 GPRS 将采集数据输出进入因特网。中央服务器可以采集各台监控主机的数据，实现所有场所的监测数据的汇总和集中报警。
管理员使用自己的办公计算机，只需要在查看监测数据时，打开电脑，然后从中央服务器上读取数据即可。该计算机只能浏览自己权限内的监测数据。
中央服务器上安装一套报警设备。监测软件采集到各个监控主机的数据之后，进行实时判断，一旦发现有异常的数据，可以立即进行报警。
报警策略的灵活设置，可让使用者能根据监测设备或监测指标的重要性，进行延时报警、分级报警、以及报警升级后使用不同方式给不同管理员的报警。不同的设备或指标，对应不同报警策略。每一个报警策略，允许设定三个报警级别，每个报警级别允许设置本地声音报警、灯光报警、LED 报警显示，以及给不同的多个手机号码进行远程短信报警或电话语音报警。一旦设备出现报警异常情况或者监测指标出现异常情况，立即按照设定的报警策略进行报警。用户可以选择任意若干个监测指标进行平均值处理。按照平均值进行数据展示和报警，保证报警的科学性和可靠性。提供重要指标的阈值报警功能，以便在指标连续上升时，能够持续报警。显示界面示例如下：
说明：用户展示系统是用户能够看到的界面。系统提供 B/S 结构的用户展示界面，也提供C/S 结构的维护平台。用户可在浏览器中查看所有楼房的监控状态，用户可在任何可以进入Internet 要求输入用户名和密码，下面的系统主界面都是按照用户要求定制的，可以根据实际要求在一定范围内进行修改。
描述：系统主界面是集中展示各个监测场所或者模块通讯状态和工作状态的界面。
如下面示意图所示。
系统主界面包括：
标题：展示用户标示和系统名称
菜单：从菜单可以进入内容的所有功能界面
地图显示：使用地图显示方式，显示各个楼房所在实际地理位置。并据此，可以查询
该楼房的详细信息和监测数据。
系统为大屏幕显示屏特制了全屏显示界面，在主界面按键盘上的 F11、ESC 键后，进入
全屏显示界面。
全屏显示界面实时显示数据和曲线，包括：查询单个传感器的两个倾斜率指标；查询
单个楼房的所有倾斜率指标；查询单个楼房的所有西倾倾斜率【或者北倾倾斜率】指标；
按照时间间隔，可以查询当天、24 小时、48 小时、72 小时、一周、两周、一个月、三个
月、半年、一年的变化曲线；可以查询同一指标在一周的数据变化趋势线等。