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浅谈无人机在建筑外围护系统质量检测监测中的应用 行业动态-凯发k8娱乐


作者:摘自《绿色建造与智能建筑》274期   |   发布时间:2023-06-22   |   点击数:256

0 引言

目前,我国高层建筑结构设计使用寿命一般为50年,幕墙、防水、外墙外保温体系设计寿命约为结构的一半,由于长期缺乏对既有建筑外维护系统进行定期检查、维护、保养,现在大量的建筑在建成510年左右会出现严重渗水、外保温或饰面脱落等问题,这些脱落导致的高空坠物问题已经严重地影响到老百姓的生命财产安全。据不完全统计,随着我国经济快速发展,经过几十年的高速建设,我国城市既有建筑总面积接近800亿平方米,并且还在不断急剧增长。随着我国大量建筑逐步进入修缮更新阶段,事故数量与严重程度愈趋上升,仅2021年见诸报道的就达到620余起,严重地危害了城市安全,困扰了居民正常生活,并对城市建筑风貌产生了严重的负面影响。

 

1 建筑外围护系统存在的问题及原因分析

建筑外围护系统对建筑起到防护、防水、保温、装饰作用,是建筑物重要组成部分,同时也是城市的“脸面”。但外墙面砖勾缝缺陷、开裂、起壳、脱落,外墙涂料起皮、剥落,外墙保温板开裂、脱落,grceps成品装饰线条脱落,pc建筑外墙板接缝渗漏水等问题层出不穷。

 

究其原因主要分为以下几种:

 

(1)系统匹配问题,也就是xpseps、岩棉板等保温装饰板与墙体和装饰层结合问题。

 

(2)材料问题,材料容重过大或过小、粘胶或抹面质量较差、面网不耐碱等问题。

 

(3)施工质量问题,诸如基层没有处理好甚至没处理、施工时有点无框、粘接面积不够、锚栓虚打。

 

(4)检查保养问题,环境老化、巡检不科学不及时、有病修复不及时等。

 

下面列举几个经常存在的外墙问题及其成因:

 

(1)外墙空鼓,是一种常见的建筑外围护系统缺陷,形成的原因可能是保温浆料与墙体基层或抗裂层界面抗拉抗剪能力小于平行或垂直于墙面应力,有脱落风险。

 

(2)外墙渗漏,建筑物外围护系统长期与外界接触,处于复杂的生物、物理、化学、力学环境中,容易出现裂缝。冬季冷热气体与裂缝中对流,凝结结冰,体积膨胀对裂缝施加作用导致裂缝增多增大。当外部气温上升,冰层融化且侵蚀,产生内部汲水导致脱落。

 

3)外饰面层开裂,根据经验,在建筑阳角及大面墙体部位存在房屋饰面层开裂、空鼓缺陷等情况,进而容易发生掉落风险,故而在施工时应在外墙阴阳角、门窗洞口周边和转角等特殊部分需加强处理。

 

2 解决办法

面对这些层出不穷的问题,加之现代建筑复杂外立面体系、层高总高高、存量巨大的特点,传统的对存在渗漏水问题或发生高空坠物事故后再让工人携带手持设备或机具用吊篮或蜘蛛人对现场检测或现场取样再去实验室检测,这种依赖人工检测或进行破坏检测的方式进行判断,不仅存在较大的局限性、灵活性差、不准确的缺点,对人、物、力也是极大浪费。这种头疼医头、脚疼医脚、低效且被动的方式显然也不适应新时代对建筑安全的需求。

 

上述问题已经引起了国内广泛关注,两会期间,全国政协委员王翠坤、冯远及人大代表洪杰、田春艳等专家学者纷纷建言要加强对建筑外围护结构安全及城市建筑体检的重视。《既有建筑维护与改造通用规范》(gb 55022-2021)也强制规定了每年至少检查一次的要求。针对日益增长的既有建筑外墙检查、诊断、维护、维修的需求,我们应当秉承预防为主、防治结合方针,通过研发应用针对建筑外围护系统的智能检测监测系统平台(包括不限于5g网络、无人机、高清可见光技术、红外热成像技术、大数据、云计算、物联网和人工智能等技术),遵循早排查、早发现、早治理的原则,快速、高效地对区域性大数量建筑物经行周期性巡检评估,建立起建筑物外墙质量数据库,尽早发现建筑物外围护可能的渗漏水、高空坠物及其他安全隐患,最终实现对建筑物服役状况大数据采集、管理、预测、分析及治理。

 

建筑外围护系统的智能检测监测系统平台可在5g网络环境下通过无人机或爬墙机器人搭载红外成像、高清可见光摄像头、高频雷达和智能敲击系统,可以实现超视距操控,采用定制化路线或自动优化路径,实时高清视频、图像回传,结合3d建模技术可实现对建筑外墙质量准确高效的评估分析。后期通过ai模块处理,最终可构建既有建筑物及缺陷形态大数据库,并实现建筑外墙质量缺陷自动识别和分析。

 

红外摄像头用于建筑外围护墙质量检测监测的原理是基于通过外部温度变化将外墙表面不可见红外辐射转变为热图像(不同颜色代表被测表面不同温度区域)。通过特定的计算程序对热图像经行整体温度分布状况解析,从而判断空鼓与渗漏情况(空鼓区域平均传热系数较低、导热慢,表现为高温区;而渗漏则相反)。当然在运用热像仪时,我们要控制好拍摄距离,太近则容易让被测墙面超出仪器扫描视场,不能同时让适当空间内热辐射状态在同帧热图像中呈现,不利于诊断分析;太远则难以记录细节,且空间外背景辐射影响容易造成误差,故控制距离为1050m为宜。其次要控制好镜头与被测建筑俯仰角(一般俯仰角控制在45度以下,水平角在30度以下)不宜过大,否则影响检测精度。当然外立面色差、材料材质及颜色不同会造成墙面吸光能力及温度不同,也会造成检测困难和精度问题。墙面凹凸或阴影,使得光照不均,因此需要多角度拍摄并考虑附近冷热源的影响。

 

高层建筑外立面由于高度或角度原因很难通过肉眼或手持相机完整地拍摄到缺陷部位,而通过无人机或爬墙机器人搭载高清可见光摄像头则可以等距对建筑外立面经行高清拍摄,这些采集到的数据最终可以通过人工或边缘计算分析降噪筛选分析,最终实现对外墙渗漏、开裂问题的检视。

 

无人机工作流程如下:

 

(1)规划路径:技术人员首先在建筑物的各立面创建飞行计划(人工规划飞行路线),通过参数设定路线重叠距离,也可通过计算机辅助计算垂直网格模式最佳路径。

 

(2)数据采集:立面图片或视频数据是用设备沿着垂直或水平路径倾斜拍摄的。每个数据都有坐标参考,根据坐标转换可以创建外墙信息的3d正射模型。

 

(3)数据处理:数据的后处理可以包括用于计数和识别建筑物上的缺陷,同时可以使用变化检测算法来识别出缺陷点随时间发生的变化情况。通过数据处理生成检测报告。

 

相较传统方式,通过无人机检测技术可以极大缩短检测时间,1.52h即可完成一个单体的全部数据采集,提高效率的同时也提高了监测精确,颗粒度细致至厘米级。几十上百gb的高清照片与视频数据导入人工智能系统再辅助人工复核,大概35天能形成一套完整的体检报告,为外立面修复提供可靠的依据。

 

为了促进建筑节能保温工程的发展,2019年住建部科技与产业化发展中心成立建筑节能保温工程专项工作组,开展推动外墙外保温健康安全监测、防护与修复工作并在全国18个省市开展保温工程现状调研及安全排查工作;开展诸如《建筑领域外保温行业质量提升与发展策略研究》、《建筑外墙外保温的红外诊断及系统风险管理研究》、《基于无人机多维精准遥测的建筑外保温质量诊断与评估关键技术》、《既有建筑外墙外保温工程风险识别与风险评估标准》、《无人机搭载外墙外保温监测技术规程》等相关课题研究和标准制定。

 

中国建筑科学研究院爱思智测系统研发团队,经过三年多的努力,打造了专用的无人机搭载平台和高频雷达、智能敲击设备,通过相关人工智能技术现在能做到自动飞控下的高效信息采集、等距扫描情况下的高精度缺陷识别、通过专用雷达和智能敲击设备实现粘接与空鼓面积的定量化诊断。

 

无人机除了应用于运维阶段既有建筑外围护系统安全监测外,也可应用于新建工程质量验收、古建与历史建筑保护与监测、智慧工地安全巡查、幕墙健康安全监测评估及bimcimgis等诸多领域。

 

举个例子无人机用于测绘,可提交正射影像、三维实景模型、照片、视频等数据成果,1500高精度无人机测绘(裸露地表平均误差仅3cm),项目及周边数据整体采集,测量数据全面、精度高,准确反映地形地貌现状,能为设计准确提资,快速启动强排,为开发商赢得宝贵时间,进而节约大量成本。

 

随着时代的进步,云计算、移动互联网、大数据、人工智能、无人机、机器人、bim等各种技术逐步走向成熟,单独的技术或其组合或许可以更好、更高效地解决一些老的或新的问题。比如本文重点介绍的搭载红外与可见光摄像头的无人机建筑外围护系统的智能检测监测系统平台,虽然增加了无人机设备的成本,但可有效减少外业人员工作强度和危险性,降低作业时间节约成本,并且成果可以供多方、多次在建筑全生命周期内使用,持续产生价值,综合效益远远优于传统方法。

 

3 工程案例

常熟市某建筑,地上18层,钢筋混凝土结构,外保温结构为保温浆料,外饰面13层为瓷砖,4层及以上为抹灰砂浆,由于采用目测、敲击等方式对该项目外墙外观损伤进行检查,发现项目外立面存在开裂、起鼓、脱落等问题导致外墙损伤的情况,建设方对部分外墙保温裂缝和脱落情况进行了修缮,委托对外立面结构进行安全隐患排查,对外墙的空鼓和裂缝情况做初步的评估。

 

中国建研院爱思智测团队在现场通过无人机搭载监测设备对西立面外墙做整体评估,检测出3层以下空鼓率29%、4层以上空鼓率17%,有可见表面裂缝8处,无其他重大缺陷。

 

该项目西立面结论依据标准要求保温砂浆类外墙外保温系统的空鼓面积比大于15%或出现明显的空鼓、脱落情况时应进行单元墙体修缮,后期按照监测结果制定修缮方案,并经论证后实施。无人机搭载监测为该项目精准地排除了安全隐患,避免了更严重的损失。

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