建物の健全性モニタリング：現代世界における安全性と効率性の確保

建物の健全性モニタリング（BHM）は、建物やインフラの構造的完全性と全体的な健全性を評価および維持することに焦点を当てた重要な分野です。老朽化したインフラ、都市化の進展、気候変動への懸念が高まる時代において、BHMは安全性の確保、パフォーマンスの最適化、貴重な資産の寿命延長に不可欠なツールを提供します。この包括的なガイドでは、建物の健全性モニタリングの原則、技術、応用、および将来のトレンドをグローバルな視点から探ります。

建物の健全性モニタリングとは？

建物の健全性モニタリングには、センサー、データ収集システム、分析技術を使用して、建物またはその他の構造の状態を継続的または定期的に監視することが含まれます。目標は、損傷、劣化、または異常な動作を早期に検出し、タイムリーな介入を可能にし、壊滅的な故障を防ぐことです。BHMは、構造健全性の評価、将来のパフォーマンスの予測、保守戦略の最適化に使用できる定量データを提供することにより、単純な目視検査を超えています。

建物の健全性モニタリングが重要な理由

建物の健全性モニタリングの重要性は、いくつかの主要な要因に起因しています。

• 安全性：BHMは、負傷、死亡、および重大な物的損害につながる可能性のある構造的故障を防ぐのに役立ちます。
• コスト削減：問題の早期発見により、ターゲットを絞った修理が可能になり、高額な大規模改修や交換を回避できます。BHMデータに基づいた予知保全戦略は、保守スケジュールを最適化し、ダウンタイムを削減し、インフラストラクチャのサービス寿命を延長します。
• パフォーマンスの向上：モニタリングは、HVACやエネルギー消費などの建物システムにおける非効率性を特定し、パフォーマンスとリソースの利用率の向上につながります。
• 持続可能性：既存の構造物の寿命を延ばし、リソースの使用を最適化することにより、BHMはより持続可能なインフラ管理に貢献します。
• 規制遵守：多くの管轄区域では、建物の安全性と保守に関するより厳格な規制が実施されており、BHMはコンプライアンスのための不可欠なツールとなっています。たとえば、欧州連合の建設製品規則（CPR）は、建設材料の耐久性とパフォーマンスの重要性を強調しており、間接的にBHM技術の使用を促進しています。
• リスク管理：BHMは、地震、洪水、異常気象などの自然災害に関連するリスクの評価と管理に貴重なデータを提供します。これは、そのようなイベントが発生しやすい地域で特に重要です。

建物の健全性モニタリングシステムの主要コンポーネント

典型的なBHMシステムは、次の主要コンポーネントで構成されます。

• センサー：これらのデバイスは、ひずみ、変位、加速度、温度、湿度、腐食などの建物の構造的健全性に関連するさまざまなパラメータを測定します。
• データ収集システム（DAQ）：DAQはセンサーからデータを収集し、コンピューターで処理できるデジタル形式に変換します。
• データ伝送システム：このコンポーネントは、DAQから中央サーバーまたはクラウドベースのプラットフォームにデータを送信して、保存および分析します。これには、有線または無線通信技術が含まれる場合があります。
• データ分析および可視化ソフトウェア：このソフトウェアはデータを処理し、傾向を特定し、異常が検出されたときにアラートを生成します。また、エンジニアやファシリティマネージャーが建物の状態を理解するのに役立つ可視化を提供します。
• アラートシステム：重要なしきい値が超えられたときに、関連する担当者（エンジニア、ファシリティマネージャーなど）に自動的に通知し、迅速な介入を可能にします。

建物の健全性モニタリングに使用されるセンサーの種類

建物の健全性モニタリングには、それぞれ特定のパラメータを測定するように設計されたさまざまなセンサーが使用されています。

ひずみゲージ

ひずみゲージは、応力下での材料の変形を測定するために使用されます。それらはしばしば重要な構造要素に取り付けられ、損傷や過負荷を示す可能性のあるひずみの変化を検出します。たとえば、ひずみゲージは、交通や環境要因による応力レベルを監視するために橋に取り付けることができます。

加速度計

加速度計は加速度を測定し、建物に作用する振動、地震活動、その他の動的力を検出するために使用できます。それらは、地震または風荷重に対する建物の応答を監視するのに特に役立ちます。日本やチリのような地震が多い国では、加速度計は地震イベント後の構造的完全性を評価するために広く使用されています。

変位センサー

変位センサーは、構造要素の移動または変位の量を測定します。それらは、沈下、変形、または亀裂を検出するために使用できます。リニアバリアブルディファレンシャルトランス（LVDT）は、BHMで使用される一般的なタイプの変位センサーです。

温度および湿度センサー

温度および湿度センサーは、建物の構造的健全性に影響を与える可能性のある環境条件を監視します。温度変化は材料の膨張と収縮を引き起こす可能性があり、高湿度は腐食を加速させる可能性があります。これらのセンサーは、腐食センサーと組み合わせて、腐食損傷のリスクを評価するためによく使用されます。

腐食センサー

腐食センサーは、建物の金属部品の腐食の存在と速度を検出します。それらは、沿岸環境または高レベルの大気汚染がある地域の構造物を監視するために特に重要です。電気化学センサーは、腐食モニタリングによく使用されます。

光ファイバーセンサー

光ファイバーセンサーは、高い感度、電磁干渉に対する耐性、および単一のファイバーに沿って複数のパラメータを測定できる能力など、従来のセンサーよりも多くの利点を提供します。それらは、ひずみ、温度、圧力、その他のパラメータを測定するために使用できます。分散型光ファイバーセンシング（DFOS）は、パイプライン、トンネル、および大規模構造物の長距離モニタリングにますます使用されています。

音響放射センサー

音響放射（AE）センサーは、材料が応力や亀裂を受けるときに放出される高周波音を検出します。それらは、亀裂の発生やその他の形態の損傷を検出するために使用できます。AEモニタリングは、橋、圧力容器、およびその他の重要な構造物の検査に特に役立ちます。

建物の健全性モニタリングにおけるデータ分析と機械学習

BHMシステムによって収集されるデータは、しばしば膨大で複雑です。データ分析と機械学習技術は、このデータから意味のある情報を抽出し、保守および修理に関する情報に基づいた意思決定を行うために不可欠です。

統計分析

統計分析技術は、データ内の傾向、異常、および相関関係を特定するために使用できます。たとえば、統計的プロセス管理（SPC）チャートは、センサーの読み取りを監視し、通常の動作条件からの逸脱を検出するために使用できます。

有限要素解析（FEA）

FEAは、さまざまな荷重条件下での構造の挙動をシミュレートするために使用される数値的手法です。FEAシミュレーションの結果とセンサーデータを比較することにより、エンジニアはモデルを検証し、構造的挙動をより深く理解できます。

機械学習アルゴリズム

機械学習アルゴリズムは、データ内のパターンを認識し、将来のパフォーマンスを予測するようにトレーニングできます。たとえば、機械学習は、センサーデータと履歴保守記録に基づいて橋の残存耐用年数（RUL）を予測するために使用できます。サポートベクターマシン（SVM）やニューラルネットワークなどの教師あり学習アルゴリズムは、BHMでの分類および回帰タスクに一般的に使用されます。クラスタリングなどの教師なし学習アルゴリズムは、異常を特定し、類似したデータポイントをグループ化するために使用できます。

デジタルツイン

デジタルツインは、建物や橋などの物理資産の仮想表現です。センサーデータ、FEAモデル、その他の情報を統合することによって作成されます。デジタルツインは、さまざまな条件下での資産の挙動をシミュレートし、将来のパフォーマンスを予測し、保守戦略を最適化するために使用できます。それらは、建物やインフラの構造的健全性の包括的なビューを提供するためにBHMでますます使用されています。

建物の健全性モニタリングの応用

建物の健全性モニタリングは、さまざまな分野で幅広い応用があります。

橋梁

橋梁は、安全性と壊滅的な故障の防止を確保するために定期的な監視を必要とする重要なインフラ資産です。BHMシステムは、橋梁のひずみ、変位、振動、腐食を監視するために使用できます。例としては、香港の青馬大橋があり、激しい交通量と強風下での構造健全性を監視するための包括的なBHMシステムが装備されており、サンフランシスコのゴールデンゲートブリッジは、地震活動と風荷重を監視するためにセンサーを使用しています。

建物

BHMは、特に高層ビルや歴史的建造物の構造健全性を監視するために使用できます。沈下、変形、亀裂を検出し、潜在的な問題の早期警告を提供できます。たとえば、ドバイのブルジュ・ハリファは、風荷重、温度変化、構造的ひずみを監視する洗練されたBHMシステムを備えています。

トンネル

トンネルは、地下水圧、土壌移動、地震活動など、さまざまな環境応力にさらされる地下構造物です。BHMシステムは、これらの応力を監視し、損傷または不安定性の兆候を検出するために使用できます。イギリスとフランスを結ぶユーロトンネルは、その長さに沿ってひずみと温度を監視するために光ファイバーセンサーを使用しています。

ダム

ダムは、安全性を確保し、壊滅的な故障を防ぐために継続的な監視を必要とする重要なインフラ資産です。BHMシステムは、水圧、浸透、変形、地震活動を監視するために使用できます。中国の三峡ダムは、構造的健全性と安定性を監視するための包括的なBHMシステムを備えています。

歴史的建造物

歴史的建造物はしばしば壊れやすく、劣化や損傷を防ぐために慎重な監視が必要です。BHMシステムは、温度、湿度、振動、およびこれらの記念碑の構造的完全性に影響を与える可能性のあるその他の要因を監視するために使用できます。イタリアのピサの斜塔は、その安定性を確保するために、長年にわたり傾斜計や変位センサーなどのさまざまな技術を使用して監視されてきました。

風力タービン

風力タービンは極端な環境条件にさらされ、信頼性の高い運用を確保するために定期的な監視が必要です。BHMシステムは、風力タービンブレードとタワーのひずみ、振動、温度を監視するために使用できます。これにより、疲労亀裂やその他の損傷形態を早期に検出し、コストのかかる故障を防ぎ、エネルギー生産を最大化できます。

建物の健全性モニタリングシステムの導入

BHMシステムの導入には、慎重な計画と実行が必要です。通常、次のステップが含まれます。

• 目標の定義：BHMシステムの目標を明確に定義します。どのパラメータを監視する必要がありますか？どのレベルの精度が必要ですか？検出する必要がある重要なしきい値は何ですか？
• センサーの選択：監視対象のパラメータ、環境条件、および予算に基づいて適切なセンサーを選択します。精度、感度、耐久性、コストなどの要因を考慮します。
• データ収集システムの設計：センサーからデータを収集し、中央サーバーまたはクラウドベースのプラットフォームに送信できるDAQを設計します。サンプリングレート、データ解像度、通信プロトコルなどの要因を考慮します。
• データ分析アルゴリズムの開発：データの処理、傾向の特定、アラートの生成のためのアルゴリズムを開発します。統計分析、機械学習、FEA技術の使用を検討します。
• 可視化プラットフォームの実装：エンジニアやファシリティマネージャーがデータに簡単にアクセスして解釈できる可視化プラットフォームを実装します。情報を明確かつ簡潔に提示するために、ダッシュボード、チャート、マップの使用を検討します。
• 検証と校正：BHMシステムが正確で信頼性の高いデータを提供していることを確認するために、検証と校正を行います。センサーとDAQが正常に機能していることを確認するために定期的にチェックします。
• 保守とアップグレード：BHMシステムの継続的な保守とアップグレードを計画します。センサーとDAQを定期的にチェックし、必要に応じてソフトウェアとアルゴリズムを更新します。

建物の健全性モニタリングにおける課題と将来のトレンド

BHMは大きなメリットを提供しますが、対処する必要のあるいくつかの課題もあります。

• コスト：BHMシステムの導入と保守は、特に大規模で複雑な構造物の場合、高額になる可能性があります。
• データ管理：BHMシステムは、効果的に保存、処理、分析する必要がある大量のデータを生成します。
• センサーの信頼性：センサーは、特に過酷な環境では、損傷や故障に対して脆弱になる可能性があります。
• データ解釈：データの解釈と潜在的な問題の特定は困難な場合があり、専門的な専門知識が必要です。
• 既存システムとの統合：BHMシステムを既存のビル管理システムと統合することは複雑になる可能性があります。

これらの課題にもかかわらず、BHMの未来は明るいです。いくつかのトレンドがこの分野の成長と発展を推進しています。

• IoTの利用拡大：モノのインターネット（IoT）により、建物やインフラに簡単に展開できる低コストのワイヤレスセンサーの開発が可能になっています。
• データ分析の進歩：データ分析と機械学習の進歩により、BHMデータの処理と解釈のためのより洗練されたアルゴリズムの開発が可能になっています。
• クラウドコンピューティング：クラウドコンピューティングは、BHMデータの保存と分析のためのスケーラブルで費用対効果の高いプラットフォームを提供します。
• デジタルツイン：デジタルツインは、建物やインフラの挙動をシミュレートし、保守戦略を最適化するためにますます人気が高まっています。
• 新センサーの開発：より正確で信頼性が高く、耐久性のある新しいタイプのセンサーが開発されています。
• 持続可能性への注力：リソースの使用を最適化し、建物やインフラの環境への影響を削減するためにBHMを使用することへの関心が高まっています。太陽光や振動などの周囲のソースによって電力が供給されるエネルギーハーベスティングセンサーの使用が注目を集めています。
• BIM（Building Information Modeling）との統合：BHMデータをBIMモデルと統合することにより、設計、建設から運用、保守までの建物のライフサイクル全体を包括的に把握できます。

実例としての建物の健全性モニタリングの世界的な事例

建物の健全性モニタリングは世界中のさまざまな国で実施されており、そのグローバルな関連性を示しています。

• 日本：日本は、地震の影響を軽減するためにBHMを長年使用しています。多くの建物や橋には、地震活動を監視し、地震後の構造的損傷を評価するために加速度計やその他のセンサーが装備されています。
• 中国：中国は、橋梁、トンネル、ダムを含む広範なインフラネットワークのためにBHMに多額の投資を行っています。世界最長の海上橋の1つである香港-珠海-マカオ橋は、包括的なBHMシステムを備えています。
• 米国：米国は、橋梁やその他の重要なインフラストラクチャのためにBHMを広く使用しています。多くの州では、橋梁の状態を監視し、保守および修理作業を優先するためのBHMプログラムを実施しています。
• ヨーロッパ：いくつかのヨーロッパ諸国は、歴史的建造物やその他の文化的に重要な構造物を監視するためにBHMを使用しています。イタリアのピサの斜塔は、その好例です。
• オーストラリア：オーストラリアは、視覚的な検査が困難でコストがかかる可能性のある遠隔地の橋梁やその他のインフラストラクチャを監視するためにBHMを使用しています。

結論

建物の健全性モニタリングは、建物やインフラの安全性、効率性、持続可能性を確保するための不可欠なツールです。センサー、データ収集システム、分析技術を使用することにより、BHMは損傷、劣化、または異常な挙動を早期に検出し、タイムリーな介入を可能にし、壊滅的な故障を防ぐことができます。技術が進歩し、コストが低下するにつれて、BHMは今後さらに広く採用されると予想されており、世界中の構築環境の維持および改善において重要な役割を果たします。BHMへの投資は、資産を保護するだけでなく、人命を保護し、より回復力があり持続可能な未来を築くことです。