建筑幕墙安全感知与风险评估技术助力守护城市天际线

朝霞似火,晚霞如金,勾勒出城市天际线的美丽轮廓,摩天大楼的现代化造型,在富于生命力的光影变幻中散发出迷人的时代光辉。实际上,这些“熠熠生辉”的现代化建筑,都穿着一层时尚的“外衣”——建筑幕墙。建筑幕墙不仅赋予建筑美丽的外观,更是保障建筑安全与功能的重要组成部分。随着城市化的快速发展,建筑幕墙的“健康”问题也日益受到关注。

“忠诚卫士”遭遇安全挑战

随着现代化城市的发展变迁,建筑幕墙在建筑、材料、结构与环境等各学科的发展支撑下,日益成为建筑物的“忠诚卫士”。它将建筑内部空间与外界风雨严密封锁,阻挡狂风骤雨的侵袭,抵御严寒酷暑的干扰。建筑幕墙还护佑人们享受低碳、绿色的宜居环境,它巧妙调节室内温度,恰似自然空调,营造宜人环境;同时慷慨引入自然光照,让室内明亮通透、温馨舒适。

然而,时光流转,建筑幕墙的“健康”状态也愈发引人关注。建筑幕墙出现材料老化现象,部分玻璃及石板因长期承受日晒雨淋、冷暖变化、紫外线照射甚至地震、强风等因素影响,强度锐减、功能退化。甚至一些玻璃和石材板块出人意料地自爆、碎裂,碎碴如同天女散花般坠落,对周边行人与车辆构成严重威胁。建筑幕墙隐患犹如悬在城市上空的“不定时炸弹”,安全状况不容忽视。

建筑幕墙涉及建筑科学、材料科学、结构工程与环境工程等多学科知识,也涉及设计、制造、安装及运维的建筑全寿命周期。幕墙材料、结构、工艺和技术的多元性和不确定性,恰似一把双刃剑,在带来丰富美学体验的同时,也蕴藏了诸多安全难题。

以幕墙面板为例,它对温度变化极为敏感。在烈日炙烤下,面板迅速升温膨胀,收到约束挤压则内部应力急剧积聚;而当遭遇寒冷气流突袭,面板又急剧收缩,对粘结胶料和连接节点来带影响。

近十年来,我国多地出现高层写字楼、大型公共设施及居民楼的幕墙面板、连接节点等承受常年频繁的热胀冷缩,加上日常的风吹日晒、环境振动等,使幕墙系统结构胶老化、锚固件松动或者开启扇的连接构造失效,最终可能引发破损、坠落等现象。

“感知系统”遍布建筑幕墙

为精准捕捉建筑幕墙系统安全与功能状态的细微变化,工程师们匠心独运,研发出一系列先进的安全感知技术,为幕墙安全、运维管理安上了敏锐的“感知系统”。

检测感知技术恰似一位细致入微的幕墙健康医生,通过专业人员的定期巡检与先进传感器的持续监测,全方位收集幕墙的位移、变形、振动、锈蚀等关键参数。

比如上海中心大厦,在精细化模拟分析和全面的模型试验分析的基础上,在其内外幕墙现场布设了数百个高精度传感器,如贴身护士般实时采集和传输数据到监测中心。专业人员运用复杂算法与模型,深度剖析这些数据,不放过任何蛛丝马迹,精准判断幕墙健康状况和功能状态。一旦发现异常,将组织现场探查、启动应急预案等,确保隐患消弭于萌芽。

无人机与爬壁机器人,宛如无畏的高空探险家,即使是高耸入云、人眼难及之处,也能洞察秋毫。

无人机轻盈翱翔天际,凭借高清摄像头、红外相机或特制阵列敲击部件,对幕墙高空区域展开地图像摄影,能迅速锁定细微裂缝、隐蔽松动点等损伤隐患。

爬壁机器人则如壁虎般稳贴墙面,携带精密检测设备,一寸寸扫描幕墙表面,为诊断幕墙 “病症” 提供详尽一手资料。科研工作者与工程师携手,为超高层住宅群、大型公共设施等在强台风侵袭或者地震袭扰后,借助无人机或者爬壁机器人快速排查幕墙损伤,高效精准定位受损位置,为及时修复争取宝贵时间,有效防范次生灾害,维护城市防灾安全。

图像识别技术如同拥有神奇慧眼的智能助手,通过处理分析幕墙图像,敏锐识别建筑幕墙的裂缝、变形、构造差异、功能衰减等损伤迹象。

红外热成像技术更是独具神通,能探测幕墙面板及其支撑体系的热辐射变化,将隐藏于内部的潜在裂缝与缺陷精准揪出。

北京大兴国际机场、上海外滩万国建筑群等宏大幕墙与外墙检测运维过程中,这一技术曾大显身手,快速甄别微小损伤,大幅提升检测效率与精度,有力保障系统运维安全与游客受众的舒适体验。

“全面体检”评估幕墙风险

风险评估如同为建筑幕墙的安全与功能绘制精密导航图,指引大家精准预判风险、科学制定防范策略。

专家凭借深厚专业知识与丰富实践阅历,对幕墙进行全面 “体检”,综合考量设计方案、施工工艺、材料特性、使用年限、周边环境等因素,凭借敏锐专业直觉与精准判断力,评定安全等级、提出整改建议。

借助计算机强大运算能力,构建高度仿真幕墙模型,模拟地震、强风、火灾、长期温湿度变化等极端场景下幕墙的响应过程,预测耐久性与安全性变化趋势,优化设计方案、评估加固效果也是一个好方法。

还可以通过模型试验验证,在实验室搭建局部幕墙模型,模拟各类真实环境荷载作用,监测性能指标演变,验证理论计算、校准数值模型、挖掘潜在风险、优化设计细节。

其实,在建筑幕墙全寿命管理中,设计分析是建筑结构乃至幕墙系统安全的基石。设计师需审慎权衡材料性能、结构合理性与美学需求。例如选用超高强度钢化玻璃、优质耐候石材与高性能金属材料,创新设计结构体系增强稳定性、优化连接节点分散荷载、预留伸缩缝缓冲变形,确保幕墙在各种工况下保持合理的安全状态。

而施工工艺则是幕墙安全最关键一环。幕墙施工团队准确理解BIM信息、设计蓝图与规范标准等,精细把控材料质量、精准操作施工工艺、严密监督施工流程并强化人员培训管理,为建筑幕墙安全与功能提供切实保障。

定期维护也是幕墙延年益寿的一个秘诀。国家和行业规定,必须建立严格检查制度,依据幕墙类型、使用年限、环境条件确定检查频次与项目,对损伤部位及时修复、老化部件更新替换、清洁表面保持美观,降低幕墙系统风险,确保其安全功能。

“数字平台”监测潜在风险

信息技术的澎湃浪潮催生了城市建筑群及其幕墙安全服役评估平台,它如同一座智慧中枢,集成大数据、云计算与人工智能技术,为城市安全管理、活力运行带来了无限可能。

城市级信息平台广纳各类传感器、监测设备、巡检记录、历史资料等数据,其中就有融合多元数据构建的幕墙系统全息档案。从幕墙初始设计参数、施工安装记录,到日常运行监测数据、维修保养日志,乃至周边环境气象、地质、交通等信息,无所不包。

凭借机器学习算法深度挖掘数据宝藏,剖析幕墙损伤模式、预测安全趋势。平台自动识别异常数据波动、精准诊断潜在安全风险、智能推荐维护措施、模拟不同策略效果供管理者决策。

基于智能分析实时监测成果,幕墙信息平台为其潜在安全风险拉响警报。一旦幕墙系统监测数据触碰预设阈值或风险指标恶化,即刻通过短信、邮件、APP等多渠道向管理人员、业主、政府监管部门推送预警信息,附详细风险位置、危害程度与应急建议,实现快速响应处置。

综合考量成本效益、安全需求、使用寿命等因素,生成维修计划、优化资源配置、评估预算效益、筛选最优方案。幕墙管理借助决策支持功能,可制定长期维护规划与年度预算,精准安排维护项目先后顺序与资源投入,确保维护工作高效实施、安全与经济效益双赢。

建筑幕墙的安全感知与风险评估技术是提升城市建筑安全短板的重要抓手。随着科技的进步,现在有了更多的技术手段来监测和评估幕墙的安全风险状况,从而采取有效的预防和维护措施。未来,随着智能技术的发展,建筑幕墙的安全管理工作将更加精细化、智能化,为城市更高质量可持续发展提供更加坚实的支撑与保障。

(作者卢文胜 同济大学博士生导师 国家科学技术进步奖二等奖获得者)