房屋安全动态监测系统总体技术解决方案V1.0

编号：20150529CEZF
密级：01
房屋安全动态监测系统 技术解决方案
编写：张峰
审核：张峰
批准：
上海辉格科技发展有限公司
建立日期：2015年02月25日
目 录
1.总则 (1)
1.1危房描述 (1)
1.2产生原因 (1)
1.3危房管理 (2)
1.4构成危房的因素 (2)
1.5监测危房的要素 (5)
1.6监测系统描述 (6)
2.系统功能 (7)
2.1数据采集与测量 (7)
2.2实时性与告/预警 (11)
2.3系统管理 (12)
2.4配置管理 (13)
2.5告警管理 (13)
2.6维护管理 (14)
3.系统构成 (16)
3.1传感层 (16)
3.2监测单元 (21)
3.3监测中心 (21)
3.4维护终端 (22)
3.5监测数据通道 (22)
3.6系统配置 (23)
4.系统技术性能 (24)
4.1一般要求 (24)
4.2采集精度要求 (24)
4.3传输及接口要求 (24)
4.4告警要求 (24)
4.5安全性要求 (25)
4.6扩展性要求 (26)
4.7环境要求 (26)
5.传感器设备 (26)
5.1倾斜仪SST222 (26)
5.2位移计VDM-200L (27)
5.3裂缝计VDM-20F (27)
1.总则
1.1危房描述
危房，即危险房屋。

据《城市危险房屋管理规定》，危险房屋是指，“结构已严重损坏或承重构件已属危险构件，随时有可能丧失结构稳定和承载能力，不能保证居住和使用安全的房屋。

”如下图所示，
1.2产生原因
a)先天性原因，如房屋原始设计中有严重错误，甚至无正式设计。

或房屋建造施工
质量很差，未进行正式竣工验收。

b)使用原因，如改变原设计用途，严重超载使用；如擅自改变结构、违章改建或增
层；如使用环境受化学腐蚀或振动的影响。

c)装修及周边施工活动，如原房屋施工时对原结构的破坏；毗邻建房的影响；如周
边工地施工的不良影响。

d)各种灾害的破坏，如地震、地陷、火灾、水灾、爆炸、撞击、冰雪灾害、蚁害等
造成的破坏。

e)房屋超年使用而缺少维护。

1.3危房管理
为什么要管理危房？
a)国家相关规范要求，《城市危险房屋管理规定》于1989年11月16日经建设部部
务会议审议通过，1989年11月21日建设部令第4号发布，1990年1月1日起施
行。

2004年7月20日根据《建设部关于修改的决定》修正 。

本规定为了强化
城市危险房屋管理，保障居住和使用安全，促进房屋有效用。

b)事故频发拷问政府职能是否做到位？
c)政府官员政绩的"安全一票否决制"考核。

d)信息化时代，安全事故易被放大，影响社会稳定与和谐。

如何危房管理？
房屋安全管理是每个城市房地产管理部分十分重要而又异常棘手的职责和任务。

房屋安全管理的目的是要确保有房屋的安全使用，而现实情况是塌房伤人事故时有发生。

为了提高管理效率，减少社会成本，管理部门部门首要的是应着眼于"防"字，政府管理部门依据法律法规，采取行之有效的行政管理措施，同时结合当前的传感器技术和信息化互联网技术，投入资金开发一种房屋安全管理的信息化系统，做到事故发生时提前预警、危房实时监控，让危机处于管控状态，减少安全事故成本和政府的危机处理成本，提高危房管理效率。

其次，才是着眼于"治"字，即责任主体采取相应的技术措施，解除已有危房对人民生命财产的安全威胁。

从安全管理的整体效果看，"防"的效果要大于"治"的效果。

1.4构成危房的因素
依据《城市危险房屋管理规定》，危险房屋是指，“结构已严重损坏或承重构件已属危险构件，随时有可能丧失结构稳定和承载能力，不能保证居住和使用安全的房屋。

”构成危险房屋的因素有，
1)地基、基础
a)地基因滑移，或应承载严重不足，或因其他特殊地质原因，导致不均匀沉降
引起明显倾斜、位移、裂缝、扭曲等，并有继续发展的趋势。

b)地基因毗邻建筑增大载荷，或应自身局部加层增大载荷，或因其他人为因素，
导致不均匀沉降，引起结构明显倾斜、位移、裂缝、扭曲等，并有继续发展
的趋势。

c)基础老化、腐蚀、酥碎、折断，导致结构明显倾斜、位移、裂缝、扭曲等。

2)钢筋混泥土结构部件
a)柱、墙
✓柱产生裂缝，保护层部分剥落，主筋外露；或一侧产生明显的水平裂缝，另一侧混凝土被压碎，主筋外露； 或产生明显的交叉裂缝。

✓墙中间部位产生明显的交叉裂缝， 或伴有保护层剥落。

✓柱、墙产生倾斜， 其倾斜量超过高度的1/100。

✓柱、墙混凝土酥裂、碳化、起鼓， 其破坏面超过全面积的1/3，且主筋外露，锈蚀严重，截面减少。

b)梁、板
✓单梁、连续梁跨中部位，底面产生横断裂缝，其一侧向上延伸达梁高的2/3以上； 或其上面产生多条明显的水平裂缝，上边缘保护层剥落，下
面伴有竖向裂缝； 或连续梁在支座附近产生明显的竖向裂缝； 或在支
座与集中荷载部位之间产生明显的水平裂缝或斜裂缝。

✓框架梁在固定端产生明显的竖向裂缝或斜裂缝，或产生交叉裂缝。

✓简支梁、连续梁端部产生明显的斜裂缝，挑梁根部产生明显的竖向裂缝或斜裂缝。

✓捣制板上面周边产生裂缝， 或下面产生交叉裂缝。

✓预制板下面产生明显的竖向裂缝。

✓各种梁、板产生超过跨度1/150的挠度，且受拉区的裂缝宽度大于1mm。

✓各类板保护层剥落，半数以上主筋外露， 严重锈蚀，截面减少。

✓预应力预制板产生竖向通裂缝；或端头混凝土松散露筋，其长度达主筋的100以上的。

c)屋架
✓产生超过跨度1/150的挠度， 且下弦产生裂缝大于1mm竖向裂缝。

✓支撑系统失效导致倾斜， 其倾斜量超过屋架高度的2/100。

✓保护层剥落，主筋多处外露、锈蚀。

✓端节点连接松动，且有明显裂缝。

d)墙
✓墙体产生缝长超过层高的1/2、缝宽大于2cm的竖向裂缝，或产生缝长超过层高1/3的多条竖向裂缝。

✓梁支座下的墙体产生明显的竖向裂缝。

✓门窗洞口或窗间墙产生明显的交叉裂缝或竖向裂缝或水平裂缝。

✓产生倾斜，其倾斜量超过层高的1.5/10 0（三层以上，超过总高的0.7/100），或相邻墙体连接处断裂成通缝。

✓风化、剥落，砂浆粉化， 导致墙面及有效截面削弱达1/4以上（平均达1/3以上）。

e)柱
✓柱身产生水平裂缝， 或产生竖向贯通裂缝，其缝长超过柱高的1/2。

✓梁支座下面的柱体产生多条竖向裂缝。

✓产生倾斜，其倾斜量超过层高的1.2/100（三层以上，超过总高的0.5/100）。

✓风化、削落、砂浆粉化， 导致有效截面削弱达1/5以上（平房达1/4以上）。

f)过梁、拱
✓过梁中部产生明显的竖向裂缝；或端部产生明显的斜裂缝；或支承过梁的墙体产生水平裂缝； 或产生明显的弯曲、下沉变形。

✓筒拱、扁壳、波形筒拱，拱顶母线产生裂缝；或拱曲明显变形；或拱脚明显位移；或拱体拉杆松动，或锈蚀严重，截面减少。

3)木结构构件
a)柱
✓柱顶撕裂、榫眼劈裂，柱身断裂。

✓因腐朽变质，使有效截面减少， 柱脚达1/2以上，柱的其他部位达1/4以上。

✓蛀蚀严重，敲击有空鼓声。

b)2、梁、搁栅、檩条
✓中部断裂；或产生明显的斜裂缝；或产生水平裂缝，其长度与深度分别超过构件跨度与构件高度的1/3。

✓梁产生超过跨度1/120的挠度， 搁栅、檩条产生高度1/100的挠度。

✓因腐朽变质，使有效截面减少达1/5以上。

✓蛀蚀严重，敲击有空鼓声。

✓榫头断裂，支座松脱。

c)3、屋架
✓支撑系统松动失稳，过度变形， 导致倾斜，其倾斜量超过屋架高度的4/100。

✓上、下弦杆断裂；或产生明显的斜裂缝； 或产生明显的弯曲变形。

✓上、下弦杆因腐朽变质， 使有效截面减少达1/5以上。

✓蛀蚀严重，敲击有空鼓声。

✓主要节点，或上、下弦杆连接失效。

✓钢拉杆松脱；或严重锈蚀， 截面减少达1/4以上。

4)其他结构构件
a)土墙
✓墙体产生倾斜，其倾斜量超过层高1.6/100。

✓墙体风化、 硝化深度达墙厚的1/4以上：或有墙脚长度的1/4，其受潮深度达墙厚。

✓产生两条以上的竖向裂缝， 其缝深达墙厚、缝长超过层高的2/3。

b)2、混合墙、乱石墙
✓墙体产生倾斜，其倾斜量超过层高的1.2/100。

✓墙体连接处产生竖向裂缝， 其深度达墙厚、缝长超过层高的1/2；或墙体产生多条竖向裂缝，其缝深达墙厚、缝长超过层高的1/2。

[2]
1.5监测危房的要素
通过对构成危房的因素的阐述，可以归纳出危房的监控要素由倾斜、位移、不均匀沉
降(还可以考虑均匀沉降)、裂缝、扭曲等。

倾斜要素的监测：在危房的不同位置，布置倾斜仪，测量这些位置的倾斜角度的改变；
位移要素的监测：在危房的关键位置处，布置位移计，测量这些关键位置处的位移改变；
不均匀沉降要素的监测：在危房的地基四个角落，分布布置倾斜仪，已知四个角落位置之间的距离，通过测量四个位置的平面二维角度变化，间接计算出房屋的不均匀沉降位移；
裂缝要素的测量：在已产生微小裂缝的关键位置处，布置裂缝计，测量这些裂缝计的大小变化；
扭曲要求的检测：在危房的地基四个角落，分布布置倾斜仪，每个角度布置的倾斜仪都可以单独实现该位置处的二维角度变化，对比四个角落位置的二维角度差异，判断危房的整体扭曲状况；
1.6监测系统描述
监测系统为房屋安全动态监测系统，本系统结合当前的传感器技术和信息化互联网技术，实现对一栋或多栋房屋的安全做远程化监控，系统具有以下功能：
✧实现对每栋房屋的倾斜、位移、不均匀沉降、裂缝、扭曲等要素测量；
✧每栋房屋作为一个监测点对象，其各个要素测量值可以被无线上传至远程服务器；
✧系统软件由远程服务器中心管理软件、PC终端客户端软件、移动设备App应用
软件等组成，便于数据收集、存储、分析，以及用户权限的管理；
✧系统具有告警功能，通过多种手段，如短信、邮件、互联网客户端显示；
✧系统具有权限管理功能，针对不同的用户开放不同的权限；
✧系统具有统计与分析功能，通过对长期观测数据的记录，给出分析报告、统计报
告；
✧系统具有扩容能力，能够将点集入至片区，再由片区集入至大区；
✧系统实时数据收集、实时告警；
✧系统具有对外开放共享功能；
2.
系统功能 区级监控中心3G/4G 网络区级监控中心3G/4G 网络
Internet
A 市级监控中心
B 市级监控中心
第三方用户
图1、监控系统框图
如图1所示，说明了整个房屋安全动态监测系统构架，房屋安全动态监测系统采用成熟的信号采集、控制、网络通信等技术，结合一流的传感技术、信号传输技术、数据分析技术，对房屋健康状况进行实时监测、并及时预警和告警。

系统的主要功能包括以下几部分。

2.1 数据采集与测量
数据采集与测量中心能够实时地采集房屋的倾斜、位移、不均匀沉降、裂缝等，进行
处理、存储、上传。

数据采集与测量中心能够对房屋的当前状态数据实现无线(如GPRS、3G/4G等)方式、有线方式(RJ-45以太网接口)上传。

数据采集与测量中心的数据上传策略包括实时性、周期性、查询等三种模式，这三种模式是通过控制中心配置完成。

如周期性，是指数据采集与测量中心以一定周期上传监测数据，周期间隔是可以设置的，但是数据采集与测量中心对房屋状态监控是实时性，实时性的监测数据会被存储，存储数据以一定的机制被选择性上传。

如实时性，是指数据采集与测量中心每监测到一组完整房屋状态数据立刻上传，并不存储。

所谓实时性是相对的，相邻两次上传时间间隔很短，这是由系统软件性能和容量及硬件性能决定，是最快的一种上传数据的方式。

如查询，数据采集与测量中心只有在被查询时，才会将当前的运行状态数据响应性上传。

查询时间间隔不能超过实时性时间的要求。

数据采集与测量中心可随时接收并响应监测中心的查询、配置等控制命令。

系统的监测指标包括下面几种。

2.1.1倾斜监测
因地基滑移，或因承载严重不足，或局部碎陷，导致房屋整体或局部产生相对于铅垂方向的角度倾斜，房屋作为一个被监测的三维立体对象，设置监测点时，应考虑多点布设监测点，如在承重墙位置、或在房屋地基四个角落等。

实时地监测房屋的倾斜参数状态，能够及时反馈房屋的当前状态，当房屋的倾斜度超过预设门限值时，系统应产生告警信号。

如图2所示，
图2 房屋倾斜监测
2.1.2不均匀沉降监测
因地基滑移，或因承载严重不足，或局部碎陷，造成房屋地基凸凹不平，或者一片区域的房屋地基处于起伏变化状态，导致房屋的主体承重结构处于受力变化状态，可能会导致主体结构承重力过载而断裂。

当不均匀沉降值超过预设门限值时，系统应产生告警信号。

如图3所示，
图3 不均匀沉降
2.1.3位移监测
因地基水平滑移，或因墙水平迁移，导致房屋关键承重结构体产生水平或垂直方向的位移改变。

当位移值超过预设门限值时，系统应产生告警信号。

如下图4所示，
图4 位移测量
2.1.4裂缝监测
因地基滑移，或因承载严重不足，或局部碎陷,导致墙、混泥土结构、地基结构等产生裂缝，裂缝越大，所处的结构越易断裂或塌落，当裂缝值超过预设门限值时，系统应产生告
警信号。

如下图5所示，
图5、裂缝及裂缝测量
2.1.5扭曲监测
因地基不是整体滑移，或因地基局部承重不均，造成房屋不是整体发生倾斜仪，房屋多个局部倾斜仪不一致，表现出房屋出现扭曲趋势或变化。

通过在房屋地基布置多个倾斜仪，每个倾斜仪能够测量水平二维角度变化，多个倾斜测量的二维角度数据，可以将房屋的扭曲状态描绘出来，如图6所示，
图6、房屋扭曲测量
2.2实时性与告/预警
2.2.1实时性
图7 系统分层传输数据链
整个系统采用分层、分级、自下而上的工作模式，系统的每一级或层对实时性的要求都是不一样的，同时为了分解系统压力，系统对每一级或层的实时性都做规定。

数据采集测量中心与传感器单元之间通讯和云端数据管理中心的报警数据传输是实时的。

数据采集与测量中心和区级监控中心之间的数据交互可以是实时性的，也可以是周期性的，也可以查询方式；
区级监控中心和市级监控中心之间的数据上传是定时上报方式，如每1h上传至市监
控中心；
市级监控中心和云端数据管理中心之间的数据上传是定时上传，如每24h上传至云端数据中心；
系统采用人性化的采集显示界面，方便用户对进行监控和数据采集。

2.2.2告/预警
系统采取分级告警的方式，及时在监测中心维护管理终端上发出分级告警信号，具有多地点、多事件的并发告警功能。

系统可以在维护终端界面固定区域明显标示出告警信息，采用声光告警的形式，提示值班人员，并自动产生巡检指令。

系统可以根据的运行情况及相关监测数据，综合历史监测数据，分析出的健康状态并准确的判断对通讯的影响及危害程度，为运用维护提供预警信息。

查询统计分析
系统具有根据告警时间、告警地点、告警类型、告警等级等对历史数据进行多条件查询、统计分析的功能。

系统应能够按照单个及全部等多种组合方式生成监测数据的日、月、年统计报表和变化曲线。

下图为告警显示界面，通过告警监控可以实时看到已发生告警的节点状态。

2.3系统管理
系统管理功能包括配置管理、告警管理、性能管理和安全管理功能等内容。

2.3.1设备管理
系统可查询、修改设备信息，在设备接入时，能够主动上报接入的设备信息，并由管理员确认与其关联的站点。

2.3.2站点管理
站点管理功能可手动添加、查询、修改站点相关信息，也可用通过监测单元实现站点信
息主动上报。

2.3.3片区管理
市区管理人员具有片区管理配置功能，可配置管理区一级的相关信息，如：区id、区名、区级数据服务器地址等信息。

2.4配置管理
监测系统应能方便地添加、删除监测对象，配置、修改监测对象的参数。

系统应提供配置数据的查询、统计手段，用户可对设备配置数据进行查询、统计、报表和打印。

2.5告警管理
告警管理提供对监测对象的故障告警信息进行集中监测和管理。

能够实现对告警数据的实时采集和集中监测，能准确定位故障。

2.5.1告警级别分类
a)紧急告警：已经或即将危及整个通讯的安全，应立即处理的告警；
b)重要告警：可能影响自身安全，需要安排时间处理的告警；
c)一般告警：向维护人员提示的信息；
系统应提供告警级别设置功能，用户可灵活设置告警的级别。

2.5.2告警状态分类
a)新产生告警：未确认、未清除的告警；
b)已确认告警：未清除但已确认的告警；
c)未确认告警：未被确认但已经清除的告警；
d)已清除告警：已被确认并已经清除的告警。

2.5.3告警的确认
系统应提供告警确认功能，由用户对告警信息进行确认。

2.5.4告警过滤
系统应具有一般告警过滤功能，可根据需要设置告警显示和提示的过滤条件，只有符合条件的告警信息才显示/提示给用户。

2.5.5告警源分类
序号 告警源描述 告警
级别
告警类
型
告警方式
1 传感器超过告警值
紧急 安全类
手机短信、告警声音、
告警灯
2 数据采集中心无法与传感器通讯故障 通信类 手机短信、告警声音、
告警灯
3 传感器数据出现异常，如波动太快 安全类 手机短信、告警声音、
告警灯
4 数据采集中心与区监控中心通讯故障 通信类 手机短信、告警声音、
告警灯
5 传感器超过预警值
重要 安全类 告警声音、告警灯
6 传感器与数据采集中心通讯不畅通 通信类 告警声音、告警灯
7 传感器接近预警值的90% 安全类 告警声音、告警灯
8 维护人员未能周期性现场巡检
一般 管理类 告警灯
9 数据中心繁忙 安全类 告警灯 2.6维护管理
维护管理功能包括用户及权限管理、系统日志管理等。

图8 监控系统中的权限分配
权限管理：系统应具有维护人员、区级监控管理人员、市级监控管理人员、总监控中心、远程第三方用户管理等多级权限管理功能。

总监控中心、建设方、系统商、移动使用方等都归为远程用户管理，只是总监控中心的权限最大，其他角色只能有限的查询、展示功能，不具有对系统发送指令等操作权限，他们只能通过Internet网络对远程数据管理中心进行访问，不能直接与区级监控中心、市级监控中心进行数据交互。

维护人员只能进行普通的信息查看、告警确认、报表生成等操作，只对本片区通讯负责。

区级监控中心可以实现重要的参数和系统配置参数的修改必须使用安全密码才能进行，不具有跨片区访问权限。

市级监控中心，向下只能对所管辖区进行数据收集、存储、分析，向上只能对云端数据管理中心上传数据源或下载历史数据等。

用户管理：系统具有用户管理功能和用户组管理功能。

用户管理功能包括对用户信息的
增加、删除、修改和查询。

用户组管理功能包括对用户组信息的增加、删除、修改和查询。

用户管理功能和用户组管理功能只能由授权的用户实施。

系统日志管理，包括系统访问日志和系统操作日志。

系统访问日志包括用户名称、登录终端标识、登录时间和退出时间等。

系统操作日志包括实施操作的用户名称、操作时间、操作对象、操作结果等。

3.系统构成
监测系统应采用分层和模块化的设计方式，由传感层、监测单元、监控中心和维护终端组成，如图9示。

系统具有、现场用户、安保人员、设备管理中心(简称设管中心)、总控制与操作中心(简称总控中心)、远程用户(如系统提供商远程维护)等多级管理模式，通过设置不同的权限进行分级管理。

图 9 监测系统体系层次示意图
3.1传感层
传感层负责获取安全监测数据，如倾斜、沉降、位移、裂缝等数据，如图10
所示。

图10 安全防护采集传感层设备
3.1.1
倾斜监测
倾斜监测设备主要由倾斜传感器等组件组成。

倾斜传感器的倾斜角度测量原理是基于加速度计测量重力加速度的倾斜分量，以重力铅垂方向为参考基准，倾斜角度与重力加速度的分量成反正弦关系，如图10所示。

房屋的倾斜监测主要监测房屋在恶劣环境等情况下(如灾害天气)房屋的安全倾斜度，或日积月累的时间下房屋老化后变形倾斜，或地基在长时间条件下的沉降导致房屋倾斜。

利用倾斜传感器能够实现对房屋倾斜度监测，具体原理如图10所示：
大地水平面
图 10 倾角传感器检测房屋倾斜原理
对倾角传感器的要求： 量程：±15° 精度：0.05%F.S 稳定性:≤0.01°
测量轴向：双轴轴向，分别测量水平面内两个相互垂直方向的轴相对于大地水平
面的倾斜角度；
输出方式：由于现场环境不预测，按照户外布置要求，倾斜传感器的输出方式需抗干扰能力强，如RS485或4~20mA电流信号形式，成本也可以控制。

安装方式：提供辅助安装治具，如下图11所示
锚杆安装孔(13mm)
零点调节
传感器安装孔
图11、安装使用
3.1.2位移监测
位移检测，房屋某个关键结构部件，如梁、柱或承重墙的位移改变，或房屋地基的可能存在的水平缓慢滑移。

在房屋健康状态发生改变时，会直接反应出来。

通过安装三向位移计，监测这部分位移的变化量。

位移计的量程一般较大，位移计的要求如下,
量程：±200mm;
精度：0.1%F.S
耐水压:≥1MPa
输出：RS485或正弦输出配正弦转换模块；
3.1.3不均匀沉降监测
沉降分为均匀沉降和不均匀沉降，均匀沉降为地层在垂向方向产生相同的位移变化，地层以上建筑不会产生倾斜，破坏力小；不均匀沉降为地层在垂向方向产生不一致的位移变化，这种变化会造成地层上的建筑物产生倾斜、水平方向位移滑动等，破坏力大。

房屋安全动态监测系统侧重于对不均匀沉降的监测，不均匀沉降导致房屋倾斜，地质破坏力大，地质承重不均，进而导致地表层房屋建筑产生水平滑移趋势、或严重坍塌。

房屋地基产生不均匀沉降，会导致房屋建筑主体结构承重载荷不平衡，产生结构裂缝或断裂等。

传统上，不均匀沉降监测仪器为静力水准仪，通过设定基准点和铺设管路，计算各个管路与基准点的水位差，得出沉降量。

这种方式需要科学地现场施工，和设定稳定的基准点，主要在工程施工方面比较麻烦，成本相对较高，基准点难确定等。

当前，利用倾斜传感器测量不均匀沉降，目前是比较科学、合理、成本可控的。

可以在房屋地基四周布置多个倾斜传感器，如图12所示，分布四个倾斜传感器(A、B、C、D)，每个传感器可以测量水平二维角度倾斜，以A为参考基准，B、C、D三个倾斜传感器相对于A倾斜传感器在二维X、Y方向上的相对倾斜角度变化量，并已知它们之间的位置距离L，可以计算出B、C、D三个位置在相对于A位置的垂向位移变化L*sin(
)。

B D C
A
图12、倾角传感器测量沉降
最新的光纤传感器测量不均匀沉降，是基于光纤传感器测量应变大小的方式，获取不均匀沉降量。

这种测量技术成熟、现场铺设方面、成本可控制、传输方便，但是由于光纤传。