建筑幕墻安全感知與風(fēng)險評估技術(shù)助力守護(hù)城市天際線

朝霞似火,晚霞如金,勾勒出城市天際線的美麗輪廓,摩天大樓的現(xiàn)代化造型,在富于生命力的光影變幻中散發(fā)出迷人的時代光輝。實際上,這些“熠熠生輝”的現(xiàn)代化建筑,都穿著一層時尚的“外衣”——建筑幕墻。建筑幕墻不僅賦予建筑美麗的外觀,更是保障建筑安全與功能的重要組成部分。隨著城市化的快速發(fā)展,建筑幕墻的“健康”問題也日益受到關(guān)注。

“忠誠衛(wèi)士”遭遇安全挑戰(zhàn)

隨著現(xiàn)代化城市的發(fā)展變遷,建筑幕墻在建筑、材料、結(jié)構(gòu)與環(huán)境等各學(xué)科的發(fā)展支撐下,日益成為建筑物的“忠誠衛(wèi)士”。它將建筑內(nèi)部空間與外界風(fēng)雨嚴(yán)密封鎖,阻擋狂風(fēng)驟雨的侵襲,抵御嚴(yán)寒酷暑的干擾。建筑幕墻還護(hù)佑人們享受低碳、綠色的宜居環(huán)境,它巧妙調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度,恰似自然空調(diào),營造宜人環(huán)境;同時慷慨引入自然光照,讓室內(nèi)明亮通透、溫馨舒適。

然而,時光流轉(zhuǎn),建筑幕墻的“健康”狀態(tài)也愈發(fā)引人關(guān)注。建筑幕墻出現(xiàn)材料老化現(xiàn)象,部分玻璃及石板因長期承受日曬雨淋、冷暖變化、紫外線照射甚至地震、強(qiáng)風(fēng)等因素影響,強(qiáng)度銳減、功能退化。甚至一些玻璃和石材板塊出人意料地自爆、碎裂,碎碴如同天女散花般墜落,對周邊行人與車輛構(gòu)成嚴(yán)重威脅。建筑幕墻隱患猶如懸在城市上空的“不定時炸彈”,安全狀況不容忽視。

建筑幕墻涉及建筑科學(xué)、材料科學(xué)、結(jié)構(gòu)工程與環(huán)境工程等多學(xué)科知識,也涉及設(shè)計、制造、安裝及運維的建筑全壽命周期。幕墻材料、結(jié)構(gòu)、工藝和技術(shù)的多元性和不確定性,恰似一把雙刃劍,在帶來豐富美學(xué)體驗的同時,也蘊(yùn)藏了諸多安全難題。

以幕墻面板為例,它對溫度變化極為敏感。在烈日炙烤下,面板迅速升溫膨脹,收到約束擠壓則內(nèi)部應(yīng)力急劇積聚;而當(dāng)遭遇寒冷氣流突襲,面板又急劇收縮,對粘結(jié)膠料和連接節(jié)點來帶影響。

近十年來,我國多地出現(xiàn)高層寫字樓、大型公共設(shè)施及居民樓的幕墻面板、連接節(jié)點等承受常年頻繁的熱脹冷縮,加上日常的風(fēng)吹日曬、環(huán)境振動等,使幕墻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)膠老化、錨固件松動或者開啟扇的連接構(gòu)造失效,最終可能引發(fā)破損、墜落等現(xiàn)象。

“感知系統(tǒng)”遍布建筑幕墻

為精準(zhǔn)捕捉建筑幕墻系統(tǒng)安全與功能狀態(tài)的細(xì)微變化,工程師們匠心獨運,研發(fā)出一系列先進(jìn)的安全感知技術(shù),為幕墻安全、運維管理安上了敏銳的“感知系統(tǒng)”。

檢測感知技術(shù)恰似一位細(xì)致入微的幕墻健康醫(yī)生,通過專業(yè)人員的定期巡檢與先進(jìn)傳感器的持續(xù)監(jiān)測,全方位收集幕墻的位移、變形、振動、銹蝕等關(guān)鍵參數(shù)。

比如上海中心大廈,在精細(xì)化模擬分析和全面的模型試驗分析的基礎(chǔ)上,在其內(nèi)外幕墻現(xiàn)場布設(shè)了數(shù)百個高精度傳感器,如貼身護(hù)士般實時采集和傳輸數(shù)據(jù)到監(jiān)測中心。專業(yè)人員運用復(fù)雜算法與模型,深度剖析這些數(shù)據(jù),不放過任何蛛絲馬跡,精準(zhǔn)判斷幕墻健康狀況和功能狀態(tài)。一旦發(fā)現(xiàn)異常,將組織現(xiàn)場探查、啟動應(yīng)急預(yù)案等,確保隱患消弭于萌芽。

無人機(jī)與爬壁機(jī)器人,宛如無畏的高空探險家,即使是高聳入云、人眼難及之處,也能洞察秋毫。

無人機(jī)輕盈翱翔天際,憑借高清攝像頭、紅外相機(jī)或特制陣列敲擊部件,對幕墻高空區(qū)域展開地圖像攝影,能迅速鎖定細(xì)微裂縫、隱蔽松動點等損傷隱患。

爬壁機(jī)器人則如壁虎般穩(wěn)貼墻面,攜帶精密檢測設(shè)備,一寸寸掃描幕墻表面,為診斷幕墻 “病癥” 提供詳盡一手資料?？蒲泄ぷ髡吲c工程師攜手,為超高層住宅群、大型公共設(shè)施等在強(qiáng)臺風(fēng)侵襲或者地震襲擾后,借助無人機(jī)或者爬壁機(jī)器人快速排查幕墻損傷,高效精準(zhǔn)定位受損位置,為及時修復(fù)爭取寶貴時間,有效防范次生災(zāi)害,維護(hù)城市防災(zāi)安全。

圖像識別技術(shù)如同擁有神奇慧眼的智能助手,通過處理分析幕墻圖像,敏銳識別建筑幕墻的裂縫、變形、構(gòu)造差異、功能衰減等損傷跡象。

紅外熱成像技術(shù)更是獨具神通,能探測幕墻面板及其支撐體系的熱輻射變化,將隱藏于內(nèi)部的潛在裂縫與缺陷精準(zhǔn)揪出。

北京大興國際機(jī)場、上海外灘萬國建筑群等宏大幕墻與外墻檢測運維過程中,這一技術(shù)曾大顯身手,快速甄別微小損傷,大幅提升檢測效率與精度,有力保障系統(tǒng)運維安全與游客受眾的舒適體驗。

“全面體檢”評估幕墻風(fēng)險

風(fēng)險評估如同為建筑幕墻的安全與功能繪制精密導(dǎo)航圖,指引大家精準(zhǔn)預(yù)判風(fēng)險、科學(xué)制定防范策略。

專家憑借深厚專業(yè)知識與豐富實踐閱歷,對幕墻進(jìn)行全面 “體檢”,綜合考量設(shè)計方案、施工工藝、材料特性、使用年限、周邊環(huán)境等因素,憑借敏銳專業(yè)直覺與精準(zhǔn)判斷力,評定安全等級、提出整改建議。

借助計算機(jī)強(qiáng)大運算能力,構(gòu)建高度仿真幕墻模型,模擬地震、強(qiáng)風(fēng)、火災(zāi)、長期溫濕度變化等極端場景下幕墻的響應(yīng)過程,預(yù)測耐久性與安全性變化趨勢,優(yōu)化設(shè)計方案、評估加固效果也是一個好方法。

還可以通過模型試驗驗證,在實驗室搭建局部幕墻模型,模擬各類真實環(huán)境荷載作用,監(jiān)測性能指標(biāo)演變,驗證理論計算、校準(zhǔn)數(shù)值模型、挖掘潛在風(fēng)險、優(yōu)化設(shè)計細(xì)節(jié)。

其實,在建筑幕墻全壽命管理中,設(shè)計分析是建筑結(jié)構(gòu)乃至幕墻系統(tǒng)安全的基石。設(shè)計師需審慎權(quán)衡材料性能、結(jié)構(gòu)合理性與美學(xué)需求。例如選用超高強(qiáng)度鋼化玻璃、優(yōu)質(zhì)耐候石材與高性能金屬材料,創(chuàng)新設(shè)計結(jié)構(gòu)體系增強(qiáng)穩(wěn)定性、優(yōu)化連接節(jié)點分散荷載、預(yù)留伸縮縫緩沖變形,確保幕墻在各種工況下保持合理的安全狀態(tài)。

而施工工藝則是幕墻安全最關(guān)鍵一環(huán)。幕墻施工團(tuán)隊準(zhǔn)確理解BIM信息、設(shè)計藍(lán)圖與規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)等,精細(xì)把控材料質(zhì)量、精準(zhǔn)操作施工工藝、嚴(yán)密監(jiān)督施工流程并強(qiáng)化人員培訓(xùn)管理,為建筑幕墻安全與功能提供切實保障。

定期維護(hù)也是幕墻延年益壽的一個秘訣。國家和行業(yè)規(guī)定,必須建立嚴(yán)格檢查制度,依據(jù)幕墻類型、使用年限、環(huán)境條件確定檢查頻次與項目,對損傷部位及時修復(fù)、老化部件更新替換、清潔表面保持美觀,降低幕墻系統(tǒng)風(fēng)險,確保其安全功能。

“數(shù)字平臺”監(jiān)測潛在風(fēng)險

信息技術(shù)的澎湃浪潮催生了城市建筑群及其幕墻安全服役評估平臺,它如同一座智慧中樞,集成大數(shù)據(jù)、云計算與人工智能技術(shù),為城市安全管理、活力運行帶來了無限可能。

城市級信息平臺廣納各類傳感器、監(jiān)測設(shè)備、巡檢記錄、歷史資料等數(shù)據(jù),其中就有融合多元數(shù)據(jù)構(gòu)建的幕墻系統(tǒng)全息檔案。從幕墻初始設(shè)計參數(shù)、施工安裝記錄,到日常運行監(jiān)測數(shù)據(jù)、維修保養(yǎng)日志,乃至周邊環(huán)境氣象、地質(zhì)、交通等信息,無所不包。

憑借機(jī)器學(xué)習(xí)算法深度挖掘數(shù)據(jù)寶藏,剖析幕墻損傷模式、預(yù)測安全趨勢。平臺自動識別異常數(shù)據(jù)波動、精準(zhǔn)診斷潛在安全風(fēng)險、智能推薦維護(hù)措施、模擬不同策略效果供管理者決策。

基于智能分析實時監(jiān)測成果,幕墻信息平臺為其潛在安全風(fēng)險拉響警報。一旦幕墻系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)觸碰預(yù)設(shè)閾值或風(fēng)險指標(biāo)惡化,即刻通過短信、郵件、APP等多渠道向管理人員、業(yè)主、政府監(jiān)管部門推送預(yù)警信息,附詳細(xì)風(fēng)險位置、危害程度與應(yīng)急建議,實現(xiàn)快速響應(yīng)處置。

綜合考量成本效益、安全需求、使用壽命等因素,生成維修計劃、優(yōu)化資源配置、評估預(yù)算效益、篩選最優(yōu)方案。幕墻管理借助決策支持功能,可制定長期維護(hù)規(guī)劃與年度預(yù)算,精準(zhǔn)安排維護(hù)項目先后順序與資源投入,確保維護(hù)工作高效實施、安全與經(jīng)濟(jì)效益雙贏。

建筑幕墻的安全感知與風(fēng)險評估技術(shù)是提升城市建筑安全短板的重要抓手。隨著科技的進(jìn)步,現(xiàn)在有了更多的技術(shù)手段來監(jiān)測和評估幕墻的安全風(fēng)險狀況,從而采取有效的預(yù)防和維護(hù)措施。未來,隨著智能技術(shù)的發(fā)展,建筑幕墻的安全管理工作將更加精細(xì)化、智能化,為城市更高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展提供更加堅實的支撐與保障。

(作者盧文勝 同濟(jì)大學(xué)博士生導(dǎo)師 國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎二等獎獲得者)