Мониторинг состояния зданий: обеспечение безопасности и эффективности в современном мире

Мониторинг состояния зданий (BHM) — это важнейшая дисциплина, направленная на оценку и поддержание структурной целостности и общего состояния зданий и инфраструктуры. В эпоху стареющей инфраструктуры, растущей урбанизации и растущей обеспокоенности по поводу изменения климата BHM предоставляет необходимые инструменты для обеспечения безопасности, оптимизации производительности и продления срока службы ценных активов. Это всеобъемлющее руководство исследует принципы, технологии, приложения и будущие тенденции мониторинга состояния зданий с глобальной точки зрения.

Что такое мониторинг состояния зданий?

Мониторинг состояния зданий включает в себя использование датчиков, систем сбора данных и аналитических методов для непрерывного или периодического мониторинга состояния здания или другой конструкции. Цель состоит в том, чтобы своевременно выявлять повреждения, разрушения или аномальное поведение, обеспечивая своевременное вмешательство и предотвращая катастрофические сбои. BHM выходит за рамки простых визуальных осмотров, предоставляя количественные данные, которые можно использовать для оценки структурного состояния, прогнозирования будущей производительности и оптимизации стратегий обслуживания.

Почему важен мониторинг состояния зданий?

Важность мониторинга состояния зданий обусловлена несколькими ключевыми факторами:

• Безопасность: BHM помогает предотвратить структурные разрушения, которые могут привести к травмам, смертельным случаям и значительному материальному ущербу.
• Экономия средств: Раннее выявление проблем позволяет проводить целевые ремонты, избегая дорогостоящих масштабных ремонтов или замен. Стратегии профилактического обслуживания, основанные на данных BHM, оптимизируют графики обслуживания, сокращая время простоя и продлевая срок службы инфраструктуры.
• Повышенная производительность: Мониторинг может выявить неэффективность в системах здания, таких как HVAC или потребление энергии, что приведет к улучшению производительности и использованию ресурсов.
• Устойчивость: Продлевая срок службы существующих сооружений и оптимизируя использование ресурсов, BHM способствует более устойчивому управлению инфраструктурой.
• Соответствие нормативным требованиям: Многие юрисдикции вводят более строгие правила, касающиеся безопасности и обслуживания зданий, что делает BHM важным инструментом для обеспечения соответствия. Например, Регламент Европейского Союза по строительным продуктам (CPR) подчеркивает важность долговечности и характеристик строительных материалов, косвенно способствуя использованию технологий BHM.
• Управление рисками: BHM предоставляет ценные данные для оценки рисков и управления ими, связанных со стихийными бедствиями, такими как землетрясения, наводнения и экстремальные погодные явления. Это особенно важно в регионах, подверженных таким событиям.

Ключевые компоненты системы мониторинга состояния зданий

Типичная система BHM состоит из следующих ключевых компонентов:

• Датчики: Эти устройства измеряют различные параметры, связанные со структурным состоянием здания, такие как деформация, смещение, ускорение, температура, влажность и коррозия.
• Система сбора данных (DAQ): DAQ собирает данные с датчиков и преобразует их в цифровой формат, который может быть обработан компьютером.
• Система передачи данных: Этот компонент передает данные из DAQ на центральный сервер или облачную платформу для хранения и анализа. Это может включать проводные или беспроводные технологии связи.
• Программное обеспечение для анализа и визуализации данных: Это программное обеспечение обрабатывает данные, выявляет тенденции и генерирует предупреждения при обнаружении аномалий. Он также предоставляет визуализации, которые помогают инженерам и управляющим объектами понимать состояние здания.
• Система оповещения: Автоматически уведомляет соответствующий персонал (например, инженеров, управляющих объектами) при превышении критических порогов, что позволяет своевременно вмешиваться.

Типы датчиков, используемых в мониторинге состояния зданий

В мониторинге состояния зданий используется широкий спектр датчиков, каждый из которых предназначен для измерения определенных параметров:

Тензодатчики

Тензодатчики используются для измерения деформации материала под нагрузкой. Они часто прикрепляются к критическим структурным элементам для обнаружения изменений деформации, которые могут указывать на повреждение или перегрузку. Например, тензодатчики можно размещать на мостах для контроля уровней напряжения, вызванных движением и факторами окружающей среды.

Акселерометры

Акселерометры измеряют ускорение, которое можно использовать для обнаружения вибраций, сейсмической активности и других динамических сил, действующих на здание. Они особенно полезны для мониторинга реакции зданий на землетрясения или ветровые нагрузки. В странах, подверженных землетрясениям, таких как Япония и Чили, акселерометры широко используются для оценки структурной целостности после сейсмических событий.

Датчики перемещения

Датчики перемещения измеряют величину перемещения или смещения структурного элемента. Их можно использовать для обнаружения осадки, деформации или растрескивания. Линейные переменные дифференциальные трансформаторы (LVDT) — распространенный тип датчика перемещения, используемый в BHM.

Датчики температуры и влажности

Датчики температуры и влажности контролируют условия окружающей среды, которые могут влиять на структурное состояние здания. Изменения температуры могут вызывать расширение и сжатие материалов, а высокая влажность может ускорить коррозию. Эти датчики часто используются в сочетании с датчиками коррозии для оценки риска коррозионного повреждения.

Датчики коррозии

Датчики коррозии обнаруживают наличие и скорость коррозии на металлических компонентах здания. Они особенно важны для мониторинга сооружений в прибрежных районах или районах с высоким уровнем загрязнения воздуха. Для мониторинга коррозии обычно используются электрохимические датчики.

Волоконно-оптические датчики

Волоконно-оптические датчики обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционными датчиками, включая высокую чувствительность, невосприимчивость к электромагнитным помехам и возможность измерения нескольких параметров вдоль одного волокна. Их можно использовать для измерения деформации, температуры, давления и других параметров. Распределенное волоконно-оптическое зондирование (DFOS) все чаще используется для дальнего мониторинга трубопроводов, туннелей и крупных сооружений.

Датчики акустической эмиссии

Датчики акустической эмиссии (AE) обнаруживают высокочастотные звуки, издаваемые материалами при воздействии напряжения или разрушении. Их можно использовать для обнаружения начала растрескивания или других форм повреждения. Мониторинг AE особенно полезен для проверки мостов, сосудов под давлением и других важных сооружений.

Анализ данных и машинное обучение в мониторинге состояния зданий

Данные, собранные системами BHM, часто являются огромными и сложными. Методы анализа данных и машинного обучения необходимы для извлечения значимой информации из этих данных и принятия обоснованных решений об обслуживании и ремонте.

Статистический анализ

Методы статистического анализа можно использовать для выявления тенденций, аномалий и корреляций в данных. Например, карты статистического контроля процессов (SPC) можно использовать для мониторинга показаний датчиков и обнаружения отклонений от нормальных рабочих условий.

Конечно-элементный анализ (FEA)

FEA — это численный метод, используемый для моделирования поведения конструкций при различных условиях нагрузки. Сравнивая результаты моделирования FEA с данными датчиков, инженеры могут проверить свои модели и лучше понять структурное поведение.

Алгоритмы машинного обучения

Алгоритмы машинного обучения можно обучить распознавать закономерности в данных и прогнозировать будущую производительность. Например, машинное обучение можно использовать для прогнозирования оставшегося полезного срока службы (RUL) моста на основе данных датчиков и исторических записей технического обслуживания. Алгоритмы обучения с учителем, такие как машины опорных векторов (SVM) и нейронные сети, обычно используются для задач классификации и регрессии в BHM. Алгоритмы обучения без учителя, такие как кластеризация, можно использовать для выявления аномалий и группировки похожих точек данных вместе.

Цифровые двойники

Цифровой двойник — это виртуальное представление физического актива, такого как здание или мост. Он создается путем интеграции данных датчиков, моделей FEA и другой информации. Цифровые двойники можно использовать для моделирования поведения актива в различных условиях, прогнозирования будущей производительности и оптимизации стратегий обслуживания. Они все чаще используются в BHM для обеспечения всестороннего обзора структурного состояния зданий и инфраструктуры.

Применение мониторинга состояния зданий

Мониторинг состояния зданий имеет широкий спектр применений в различных секторах:

Мосты

Мосты — это важные инфраструктурные объекты, которые требуют регулярного мониторинга для обеспечения безопасности и предотвращения катастрофических отказов. Системы BHM можно использовать для мониторинга деформации, смещения, вибрации и коррозии на мостах. Примеры включают мост Цин Ма в Гонконге, который оснащен комплексной системой BHM для мониторинга его структурного состояния при интенсивном движении и сильных ветрах, и мост Золотые Ворота в Сан-Франциско, который использует датчики для мониторинга сейсмической активности и ветровых нагрузок.

Здания

BHM можно использовать для мониторинга структурного состояния зданий, особенно высотных зданий и исторических сооружений. Он может обнаруживать осадку, деформацию и растрескивание, а также обеспечивать раннее предупреждение о потенциальных проблемах. Например, в Бурдж-Халифа в Дубае есть сложная система BHM, которая отслеживает ветровые нагрузки, температурные колебания и структурную деформацию.

Туннели

Туннели — это подземные сооружения, которые подвергаются различным экологическим воздействиям, включая давление грунтовых вод, движение почвы и сейсмическую активность. Системы BHM можно использовать для мониторинга этих напряжений и обнаружения любых признаков повреждения или нестабильности. В туннеле под Ла-Маншем между Англией и Францией используются волоконно-оптические датчики для мониторинга деформации и температуры по всей его длине.

Дамбы

Дамбы — это важные инфраструктурные объекты, которые требуют постоянного мониторинга для обеспечения их безопасности и предотвращения катастрофических отказов. Системы BHM можно использовать для мониторинга давления воды, просачивания, деформации и сейсмической активности. Плотина Три ущелья в Китае оснащена комплексной системой BHM для мониторинга ее структурного состояния и устойчивости.

Исторические памятники

Исторические памятники часто бывают хрупкими и требуют тщательного мониторинга для предотвращения разрушения и повреждения. Системы BHM можно использовать для мониторинга температуры, влажности, вибрации и других факторов, которые могут повлиять на структурную целостность этих памятников. Пизанская башня в Италии на протяжении десятилетий контролировалась с использованием различных методов, включая инклинометры и датчики перемещения, для обеспечения ее устойчивости.

Ветряные турбины

Ветряные турбины подвержены экстремальным условиям окружающей среды и требуют регулярного мониторинга для обеспечения их надежной работы. Системы BHM можно использовать для мониторинга деформации, вибрации и температуры на лопастях и башнях ветряных турбин. Это позволяет своевременно обнаруживать усталостные трещины и другие формы повреждения, предотвращая дорогостоящие отказы и максимизируя выработку энергии.

Внедрение системы мониторинга состояния зданий

Внедрение системы BHM требует тщательного планирования и выполнения. Обычно выполняются следующие действия:

• Определите цели: Четко определите цели системы BHM. Какие параметры необходимо контролировать? Какой уровень точности требуется? Каковы критические пороговые значения, которые необходимо обнаружить?
• Выберите датчики: Выберите соответствующие датчики в зависимости от контролируемых параметров, условий окружающей среды и бюджета. Учитывайте такие факторы, как точность, чувствительность, долговечность и стоимость.
• Разработайте систему сбора данных: Разработайте DAQ, которая может собирать данные с датчиков и передавать их на центральный сервер или облачную платформу. Учитывайте такие факторы, как частота выборки, разрешение данных и протоколы связи.
• Разработайте алгоритмы анализа данных: Разработайте алгоритмы для обработки данных, выявления тенденций и создания оповещений. Рассмотрите возможность использования статистического анализа, машинного обучения и методов FEA.
• Внедрите платформу визуализации: Внедрите платформу визуализации, которая позволит инженерам и управляющим объектами легко получать доступ к данным и интерпретировать их. Рассмотрите возможность использования панелей инструментов, графиков и карт для представления информации в понятной и лаконичной форме.
• Проверьте и откалибруйте: Проверьте и откалибруйте систему BHM, чтобы убедиться, что она предоставляет точные и надежные данные. Регулярно проверяйте датчики и DAQ, чтобы убедиться, что они работают правильно.
• Обслуживание и обновления: Планируйте текущее обслуживание и обновление системы BHM. Регулярно проверяйте датчики и DAQ, а также обновляйте программное обеспечение и алгоритмы по мере необходимости.

Проблемы и будущие тенденции в мониторинге состояния зданий

Хотя BHM предлагает значительные преимущества, существует также несколько проблем, которые необходимо решить:

• Стоимость: Внедрение и поддержание системы BHM может быть дорогостоящим, особенно для больших и сложных сооружений.
• Управление данными: Системы BHM генерируют большие объемы данных, которые необходимо эффективно хранить, обрабатывать и анализировать.
• Надежность датчиков: Датчики могут быть уязвимы к повреждениям и отказам, особенно в суровых условиях.
• Интерпретация данных: Интерпретация данных и выявление потенциальных проблем может быть сложной задачей, требующей специальных знаний.
• Интеграция с существующими системами: Интеграция систем BHM с существующими системами управления зданием может быть сложной.

Несмотря на эти проблемы, будущее BHM выглядит многообещающим. Развитие этой области обусловлено несколькими тенденциями:

• Расширенное использование IoT: Интернет вещей (IoT) позволяет разрабатывать недорогие беспроводные датчики, которые можно легко развертывать в зданиях и инфраструктуре.
• Достижения в области анализа данных: Достижения в области анализа данных и машинного обучения позволяют разрабатывать более сложные алгоритмы для обработки и интерпретации данных BHM.
• Облачные вычисления: Облачные вычисления предоставляют масштабируемые и экономически эффективные платформы для хранения и анализа данных BHM.
• Цифровые двойники: Цифровые двойники становятся все более популярными для моделирования поведения зданий и инфраструктуры и оптимизации стратегий обслуживания.
• Разработка новых датчиков: Разрабатываются новые типы датчиков, которые являются более точными, надежными и долговечными.
• Сосредоточение внимания на устойчивом развитии: Все больше внимания уделяется использованию BHM для оптимизации использования ресурсов и снижения воздействия зданий и инфраструктуры на окружающую среду. Использование датчиков сбора энергии, питаемых от окружающих источников, таких как солнечная энергия или вибрация, набирает обороты.
• Интеграция с BIM (информационное моделирование зданий): Интеграция данных BHM с моделями BIM обеспечивает всестороннее представление о жизненном цикле здания, от проектирования и строительства до эксплуатации и обслуживания.

Глобальные примеры мониторинга состояния зданий в действии

Мониторинг состояния зданий внедряется в различных странах мира, что демонстрирует его глобальную актуальность:

• Япония: Япония имеет давнюю историю использования BHM для смягчения последствий землетрясений. Многие здания и мосты оснащены акселерометрами и другими датчиками для мониторинга сейсмической активности и оценки структурных повреждений после землетрясений.
• Китай: Китай активно инвестирует в BHM для своей обширной инфраструктурной сети, включая мосты, туннели и плотины. Мост Гонконг-Чжухай-Макао, один из самых длинных морских мостов в мире, оснащен комплексной системой BHM.
• Соединенные Штаты: Соединенные Штаты широко используют BHM для мостов и другой важной инфраструктуры. Многие штаты внедрили программы BHM для мониторинга состояния своих мостов и определения приоритетов обслуживания и ремонта.
• Европа: Несколько европейских стран используют BHM для мониторинга исторических памятников и других культурно значимых сооружений. Пизанская башня в Италии — яркий пример.
• Австралия: Австралия использует BHM для мониторинга мостов и другой инфраструктуры в отдаленных районах, где регулярные визуальные осмотры могут быть сложными и дорогостоящими.

Заключение

Мониторинг состояния зданий является важным инструментом для обеспечения безопасности, эффективности и устойчивости зданий и инфраструктуры. С помощью датчиков, систем сбора данных и аналитических методов BHM может своевременно обнаруживать повреждения, разрушения или аномальное поведение, обеспечивая своевременное вмешательство и предотвращая катастрофические отказы. По мере того, как технологии продолжают развиваться, а затраты снижаются, BHM готов стать еще более широко распространенным в ближайшие годы, играя важную роль в поддержании и улучшении построенной среды во всем мире. Инвестиции в BHM — это не просто защита активов; это защита жизней и построение более устойчивого и устойчивого будущего.