Моніторинг стану будівель: Забезпечення безпеки та ефективності в сучасному світі

Моніторинг стану будівель (BHM) є критично важливою дисципліною, зосередженою на оцінці та підтримці структурної цілісності та загального стану будівель та інфраструктури. В епоху старіючої інфраструктури, зростаючої урбанізації та зростаючих занепокоєнь щодо зміни клімату, BHM надає важливі інструменти для забезпечення безпеки, оптимізації продуктивності та продовження терміну служби цінних активів. Цей вичерпний посібник досліджує принципи, технології, застосування та майбутні тенденції моніторингу стану будівель з глобальної перспективи.

Що таке моніторинг стану будівель?

Моніторинг стану будівель передбачає використання датчиків, систем збору даних та аналітичних методів для безперервного або періодичного моніторингу стану будівлі чи іншої споруди. Мета полягає в тому, щоб виявити пошкодження, погіршення або ненормальну поведінку на ранній стадії, що дозволяє своєчасно вживати заходів та запобігати катастрофічним руйнуванням. BHM виходить за рамки простих візуальних оглядів, надаючи кількісні дані, які можна використовувати для оцінки структурного стану, прогнозування майбутньої продуктивності та оптимізації стратегій обслуговування.

Чому важливий моніторинг стану будівель?

Важливість моніторингу стану будівель випливає з кількох ключових факторів:

• Безпека: BHM допомагає запобігти структурним руйнуванням, які можуть призвести до травм, смертельних випадків та значних збитків майну.
• Економія коштів: Раннє виявлення проблем дозволяє проводити цільові ремонти, уникаючи дорогих масштабних реконструкцій або замін. Стратегії прогностичного обслуговування, що ґрунтуються на даних BHM, оптимізують графіки обслуговування, скорочуючи час простою та продовжуючи термін служби інфраструктури.
• Покращена продуктивність: Моніторинг може виявити неефективність у будівельних системах, таких як HVAC або споживання енергії, що призводить до покращення продуктивності та використання ресурсів.
• Сталість: Завдяки продовженню терміну служби існуючих споруд та оптимізації використання ресурсів, BHM сприяє більш стійкому управлінню інфраструктурою.
• Відповідність нормативним вимогам: Багато юрисдикцій запроваджують суворіші правила щодо безпеки та обслуговування будівель, що робить BHM важливим інструментом для відповідності. Наприклад, Регламент Європейського Союзу щодо будівельної продукції (CPR) наголошує на важливості довговічності та продуктивності будівельних матеріалів, опосередковано сприяючи використанню технологій BHM.
• Управління ризиками: BHM надає цінні дані для оцінки та управління ризиками, пов'язаними зі стихійними лихами, такими як землетруси, повені та екстремальні погодні явища. Це особливо важливо в регіонах, схильних до таких подій.

Ключові компоненти системи моніторингу стану будівель

Типова система BHM складається з наступних ключових компонентів:

• Датчики: Ці пристрої вимірюють різні параметри, пов'язані зі структурним станом будівлі, такі як деформація, переміщення, прискорення, температура, вологість та корозія.
• Система збору даних (DAQ): DAQ збирає дані з датчиків і перетворює їх у цифровий формат, який може бути оброблений комп'ютером.
• Система передачі даних: Цей компонент передає дані з DAQ на центральний сервер або хмарну платформу для зберігання та аналізу. Це може включати дротові або бездротові технології зв'язку.
• Програмне забезпечення для аналізу та візуалізації даних: Це програмне забезпечення обробляє дані, визначає тенденції та генерує сповіщення, коли виявляються аномалії. Воно також надає візуалізації, які допомагають інженерам та менеджерам об'єктів зрозуміти стан будівлі.
• Система сповіщень: Автоматично повідомляє відповідний персонал (наприклад, інженерів, менеджерів об'єктів), коли критичні пороги перевищено, що дозволяє швидко вжити заходів.

Типи датчиків, що використовуються в моніторингу стану будівель

У моніторингу стану будівель використовується широкий спектр датчиків, кожен з яких призначений для вимірювання конкретних параметрів:

Тензодатчики

Тензодатчики використовуються для вимірювання деформації матеріалу під напругою. Їх часто прикріплюють до критичних структурних елементів, щоб виявити зміни в деформації, які можуть вказувати на пошкодження або перевантаження. Наприклад, тензодатчики можна розмістити на мостах для моніторингу рівня напруги, викликаного рухом транспорту та факторами навколишнього середовища.

Акселерометри

Акселерометри вимірюють прискорення, яке можна використовувати для виявлення вібрацій, сейсмічної активності та інших динамічних сил, що діють на будівлю. Вони особливо корисні для моніторингу реакції будівель на землетруси або вітрові навантаження. У сейсмічно активних країнах, таких як Японія та Чилі, акселерометри широко використовуються для оцінки структурної цілісності після сейсмічних подій.

Датчики переміщення

Датчики переміщення вимірюють величину руху або переміщення структурного елемента. Їх можна використовувати для виявлення осідання, деформації або розтріскування. Лінійні диференціальні трансформатори (LVDT) є поширеним типом датчиків переміщення, що використовуються в BHM.

Датчики температури та вологості

Датчики температури та вологості відстежують умови навколишнього середовища, які можуть впливати на структурний стан будівлі. Зміни температури можуть спричинити розширення та стиснення матеріалів, а висока вологість може прискорити корозію. Ці датчики часто використовуються в поєднанні з датчиками корозії для оцінки ризику корозійного пошкодження.

Датчики корозії

Датчики корозії виявляють наявність і швидкість корозії на металевих компонентах будівлі. Вони особливо важливі для моніторингу споруд у прибережних середовищах або районах з високим рівнем забруднення повітря. Електрохімічні датчики зазвичай використовуються для моніторингу корозії.

Волоконно-оптичні датчики

Волоконно-оптичні датчики пропонують кілька переваг над традиційними датчиками, включаючи високу чутливість, стійкість до електромагнітних перешкод і можливість вимірювати кілька параметрів уздовж одного волокна. Їх можна використовувати для вимірювання деформації, температури, тиску та інших параметрів. Розподілений волоконно-оптичний зондування (DFOS) все частіше використовується для моніторингу трубопроводів, тунелів і великих споруд на великі відстані.

Датчики акустичної емісії

Датчики акустичної емісії (AE) виявляють високочастотні звуки, що випромінюються матеріалами під час напруги або руйнування. Їх можна використовувати для виявлення початку розтріскування або інших форм пошкодження. Моніторинг AE особливо корисний для перевірки мостів, посудин під тиском та інших критичних конструкцій.

Аналітика даних і машинне навчання в моніторингу стану будівель

Дані, зібрані системами BHM, часто є великими та складними. Методи аналітики даних і машинного навчання є важливими для отримання значущої інформації з цих даних і прийняття обґрунтованих рішень щодо обслуговування та ремонту.

Статистичний аналіз

Методи статистичного аналізу можна використовувати для виявлення тенденцій, аномалій і кореляцій у даних. Наприклад, карти статистичного контролю процесів (SPC) можна використовувати для моніторингу показань датчиків і виявлення відхилень від нормальних умов експлуатації.

Аналіз кінцевих елементів (FEA)

FEA - це числовий метод, який використовується для моделювання поведінки конструкцій за різних умов навантаження. Порівнюючи результати моделювання FEA з даними датчиків, інженери можуть перевірити свої моделі та краще зрозуміти структурну поведінку.

Алгоритми машинного навчання

Алгоритми машинного навчання можна навчити розпізнавати закономірності в даних і прогнозувати майбутню продуктивність. Наприклад, машинне навчання можна використовувати для прогнозування залишкового корисного терміну служби (RUL) мосту на основі даних датчиків та історичних записів про технічне обслуговування. Алгоритми навчання з учителем, такі як машини опорних векторів (SVM) і нейронні мережі, зазвичай використовуються для завдань класифікації та регресії в BHM. Алгоритми навчання без учителя, такі як кластеризація, можна використовувати для виявлення аномалій і групування подібних точок даних.

Цифрові двійники

Цифровий двійник - це віртуальне представлення фізичного активу, такого як будівля або міст. Він створюється шляхом інтеграції даних датчиків, моделей FEA та іншої інформації. Цифрові двійники можна використовувати для моделювання поведінки активу за різних умов, прогнозування майбутньої продуктивності та оптимізації стратегій обслуговування. Вони все частіше використовуються в BHM для забезпечення всебічного огляду структурного стану будівель та інфраструктури.

Застосування моніторингу стану будівель

Моніторинг стану будівель має широкий спектр застосувань у різних секторах:

Мости

Мости є критично важливими інфраструктурними активами, які потребують регулярного моніторингу для забезпечення безпеки та запобігання катастрофічним руйнуванням. Системи BHM можна використовувати для моніторингу деформації, переміщення, вібрації та корозії на мостах. Приклади включають міст Цін Ма в Гонконзі, який обладнано комплексною системою BHM для моніторингу його структурного стану за інтенсивного руху та сильних вітрів, і міст Золоті Ворота в Сан-Франциско, який використовує датчики для моніторингу сейсмічної активності та вітрових навантажень.

Будівлі

BHM можна використовувати для моніторингу структурного стану будівель, особливо висотних будівель та історичних споруд. Він може виявити осідання, деформацію та розтріскування, а також забезпечити раннє попередження про потенційні проблеми. Наприклад, Бурдж-Халіфа в Дубаї має складну систему BHM, яка відстежує вітрові навантаження, температурні коливання та структурну деформацію.

Тунелі

Тунелі - це підземні споруди, які піддаються різним екологічним навантаженням, включаючи тиск ґрунтових вод, рух ґрунту та сейсмічну активність. Системи BHM можна використовувати для моніторингу цих навантажень і виявлення будь-яких ознак пошкодження або нестабільності. Тунель під Ла-Маншем між Англією та Францією використовує волоконно-оптичні датчики для моніторингу деформації та температури по всій своїй довжині.

Греблі

Греблі є критично важливими інфраструктурними активами, які потребують постійного моніторингу для забезпечення їх безпеки та запобігання катастрофічним руйнуванням. Системи BHM можна використовувати для моніторингу тиску води, просочування, деформації та сейсмічної активності. Гребля Три ущелини в Китаї обладнана комплексною системою BHM для моніторингу її структурного стану та стабільності.

Історичні пам'ятники

Історичні пам'ятники часто є крихкими і потребують ретельного моніторингу для запобігання руйнуванню та пошкодженню. Системи BHM можна використовувати для моніторингу температури, вологості, вібрації та інших факторів, які можуть впливати на структурну цілісність цих пам'ятників. Пізанська вежа в Італії десятиліттями контролювалася за допомогою різних методів, включаючи інклінометри та датчики переміщення, щоб забезпечити її стабільність.

Вітрові турбіни

Вітрові турбіни піддаються екстремальним умовам навколишнього середовища і потребують регулярного моніторингу для забезпечення їх надійної роботи. Системи BHM можна використовувати для моніторингу деформації, вібрації та температури на лопатях і вежах вітрових турбін. Це дозволяє своєчасно виявляти втомні тріщини та інші форми пошкодження, запобігаючи дорогим поломкам і максимізуючи виробництво енергії.

Впровадження системи моніторингу стану будівель

Впровадження системи BHM вимагає ретельного планування та виконання. Зазвичай залучаються наступні кроки:

• Визначення цілей: Чітко визначте цілі системи BHM. Які параметри потрібно відстежувати? Який рівень точності потрібен? Які критичні пороги потрібно виявити?
• Вибір датчиків: Виберіть відповідні датчики на основі параметрів, що відстежуються, умов навколишнього середовища та бюджету. Враховуйте такі фактори, як точність, чутливість, довговічність і вартість.
• Проектування системи збору даних: Розробіть DAQ, який може збирати дані з датчиків і передавати їх на центральний сервер або хмарну платформу. Враховуйте такі фактори, як частота дискретизації, роздільна здатність даних і протоколи зв'язку.
• Розробка алгоритмів аналізу даних: Розробіть алгоритми для обробки даних, виявлення тенденцій і генерації сповіщень. Розгляньте можливість використання статистичного аналізу, машинного навчання та методів FEA.
• Впровадження платформи візуалізації: Впровадьте платформу візуалізації, яка дозволяє інженерам і менеджерам об'єктів легко отримувати доступ до даних і інтерпретувати їх. Розгляньте можливість використання інформаційних панелей, діаграм і карт для представлення інформації в чіткій і стислій формі.
• Перевірка та калібрування: Перевірте та відкалібруйте систему BHM, щоб переконатися, що вона надає точні та надійні дані. Регулярно перевіряйте датчики та DAQ, щоб переконатися, що вони працюють належним чином.
• Технічне обслуговування та оновлення: Сплануйте поточне технічне обслуговування та оновлення системи BHM. Регулярно перевіряйте датчики та DAQ і оновлюйте програмне забезпечення та алгоритми за потреби.

Проблеми та майбутні тенденції в моніторингу стану будівель

Хоча BHM пропонує значні переваги, існує також кілька проблем, які необхідно вирішити:

• Вартість: Впровадження та підтримка системи BHM може бути дорогим, особливо для великих і складних споруд.
• Управління даними: Системи BHM генерують великі обсяги даних, які необхідно ефективно зберігати, обробляти та аналізувати.
• Надійність датчиків: Датчики можуть бути вразливими до пошкоджень і відмов, особливо в суворих умовах.
• Інтерпретація даних: Інтерпретація даних і виявлення потенційних проблем може бути складним завданням, що вимагає спеціальних знань.
• Інтеграція з існуючими системами: Інтеграція систем BHM з існуючими системами управління будівлею може бути складною.

Незважаючи на ці виклики, майбутнє BHM є світлим. Кілька тенденцій сприяють зростанню та розвитку цієї галузі:

• Збільшення використання IoT: Інтернет речей (IoT) дозволяє розробляти недорогі бездротові датчики, які можна легко розгорнути в будівлях та інфраструктурі.
• Удосконалення в аналітиці даних: Удосконалення в аналітиці даних і машинному навчанні дозволяють розробляти більш складні алгоритми для обробки та інтерпретації даних BHM.
• Хмарні обчислення: Хмарні обчислення надають масштабовані та економічно ефективні платформи для зберігання та аналізу даних BHM.
• Цифрові двійники: Цифрові двійники стають все більш популярними для моделювання поведінки будівель та інфраструктури та оптимізації стратегій обслуговування.
• Розробка нових датчиків: Розробляються нові типи датчиків, які є більш точними, надійними та довговічними.
• Зосередження на сталості: Зростає увага до використання BHM для оптимізації використання ресурсів і зменшення впливу будівель та інфраструктури на навколишнє середовище. Використання датчиків збору енергії, що живляться від навколишніх джерел, таких як сонячна енергія або вібрація, набирає обертів.
• Інтеграція з BIM (Building Information Modeling): Інтеграція даних BHM з моделями BIM забезпечує всебічний огляд життєвого циклу будівлі, від проектування та будівництва до експлуатації та технічного обслуговування.

Глобальні приклади моніторингу стану будівель у дії

Моніторинг стану будівель впроваджується в різних країнах світу, демонструючи його глобальну актуальність:

• Японія: Японія має довгу історію використання BHM для пом'якшення наслідків землетрусів. Багато будівель і мостів обладнано акселерометрами та іншими датчиками для моніторингу сейсмічної активності та оцінки структурних пошкоджень після землетрусів.
• Китай: Китай активно інвестує в BHM для своєї розгалуженої інфраструктурної мережі, включаючи мости, тунелі та греблі. Міст Гонконг-Чжухай-Макао, один з найдовших морських мостів у світі, обладнано комплексною системою BHM.
• Сполучені Штати: Сполучені Штати широко використовують BHM для мостів та іншої критичної інфраструктури. Багато штатів впровадили програми BHM для моніторингу стану своїх мостів і визначення пріоритетів зусиль з технічного обслуговування та ремонту.
• Європа: Кілька європейських країн використовують BHM для моніторингу історичних пам'ятників та інших культурно значущих споруд. Пізанська вежа в Італії є яскравим прикладом.
• Австралія: Австралія використовує BHM для моніторингу мостів та іншої інфраструктури у віддалених районах, де регулярні візуальні огляди можуть бути складними та дорогими.

Висновок

Моніторинг стану будівель є важливим інструментом для забезпечення безпеки, ефективності та стійкості будівель та інфраструктури. Завдяки використанню датчиків, систем збору даних та аналітичних методів, BHM може виявити пошкодження, погіршення або ненормальну поведінку на ранній стадії, що дозволяє своєчасно вжити заходів та запобігти катастрофічним руйнуванням. Оскільки технології продовжують розвиватися, а витрати зменшуються, BHM готовий стати ще більш широко впровадженим у найближчі роки, відіграючи важливу роль у підтримці та покращенні забудованого середовища в усьому світі. Інвестиції в BHM - це не лише захист активів; це захист життя та побудова більш стійкого та сталого майбутнього.