利通廣場超高層建筑日周期擺動(dòng)監(jiān)測方法研究

喻永平，黃偉明

(1．廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)研究院，廣東廣州510060;2．廣州天徠測量儀器有限公司，廣東廣州510062)

一、引 言

超高層建筑通常呈細(xì)長狀，在超高層建筑施工和運(yùn)營過程中，因風(fēng)振、日周期溫度變化、現(xiàn)場施工、建造順序和其他因素導(dǎo)致超高層建筑圍繞設(shè)計(jì)中心點(diǎn)擺動(dòng)，產(chǎn)生位移偏差。位移偏差會(huì)引起多種問題，如建筑物豎直施工無法準(zhǔn)確垂直，施工控制網(wǎng)無法準(zhǔn)確向上傳遞等。因此，研發(fā)一套能監(jiān)控上述重要因素變化，模擬和預(yù)測變化趨勢的動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，對于超高層建筑施工和運(yùn)營階段的健康監(jiān)測具有重要意義。

本文主要以利通廣場超高層建筑健康監(jiān)測為例，闡述超高層建筑日周期擺動(dòng)監(jiān)測新方法。

二、利通廣場超高層建筑日周期擺動(dòng)測量內(nèi)容

利通廣場主體工程位于珠江新城CBD核心區(qū)北入口市民廣場東側(cè)，高度達(dá)到302．7 m，日周期擺動(dòng)監(jiān)測包括3方面內(nèi)容。

(1)設(shè)備安裝和數(shù)據(jù)采集

動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備包括GNSS接收機(jī)和傾斜傳感器等，樓頂GNSS接收機(jī)接收GPS、GLONASS衛(wèi)星信號(hào)，記錄動(dòng)態(tài)與靜態(tài)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采樣率為1 Hz，截止高度角10°。傾斜傳感器采集同一軸線主體工程X、Y方向的傾斜值，記錄傾斜數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采樣率為1 Hz。GNSS接收機(jī)和傾斜傳感器采用電纜直連，UPS與交直流供電，數(shù)據(jù)直接記錄于GNSS主機(jī)和計(jì)算機(jī)上。數(shù)據(jù)連續(xù)采集48 h。GNSS接收機(jī)和傾斜傳感器設(shè)備安裝示意圖如圖2和圖3所示。

(2)動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理和模型建立

GNSS接收機(jī)獲取建筑物位移變化數(shù)據(jù)，傾斜傳感器獲取溫度、風(fēng)載及其他偶然因素荷載導(dǎo)致主體工程在X、Y方向的傾斜值，建立超高層建筑的撓度數(shù)學(xué)模型，分析其運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

圖1 動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備安裝圖

圖2 傾斜傳感器

圖3 超高層頂部測量坐標(biāo)的GNSS天線和接收機(jī)主機(jī)

模型建立過程如下：

1)利用筆者所在單位的GZCORS基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)，結(jié)合本項(xiàng)目基站GNSS監(jiān)測數(shù)據(jù)，計(jì)算出基站GNSS站點(diǎn)的靜態(tài)坐標(biāo)。

2)根據(jù)基站GNSS接收機(jī)站點(diǎn)靜態(tài)坐標(biāo)，計(jì)算樓頂2臺(tái)GNSS監(jiān)測站點(diǎn)單歷元(采樣率為1 s，觀測48 h以上)的實(shí)時(shí)監(jiān)測坐標(biāo)結(jié)果。

3)對解算的單歷元數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波預(yù)處理，去掉偶然因素荷載等影響。將濾波后的GNSS單歷元實(shí)時(shí)解算數(shù)據(jù)、傾斜儀數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)、樓高等統(tǒng)一整理到數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行分析。

4)解算得出日周期擺動(dòng)量，建立日周期規(guī)律變化的數(shù)學(xué)模型。其數(shù)學(xué)模型為：建筑物位移=F(溫度，風(fēng)力，樓高)。

5)指導(dǎo)施工測量施工控制網(wǎng)豎向投點(diǎn)。選擇夜間溫度變化小、微風(fēng)和無施工影響等最有利時(shí)間進(jìn)行投點(diǎn)。

(3)安全監(jiān)測系統(tǒng)

安全監(jiān)測系統(tǒng)具有的功能如下：

1)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、限差設(shè)定、各種圖表數(shù)據(jù)繪制等;

2)超高層建筑竣工后固有頻率的監(jiān)測;

3)超高層建筑竣工后在溫度、風(fēng)力等因素影響下是否滿足健康標(biāo)準(zhǔn)，需監(jiān)測其安全運(yùn)行健康狀況，并對其進(jìn)行預(yù)警。

三、技術(shù)特色

本文提出的這種新的超高層建筑施工測量和運(yùn)營維護(hù)監(jiān)測工藝，將GNSS接收機(jī)、傾斜儀、測量機(jī)器人有機(jī)結(jié)合在一起。采用GNSS接收機(jī)作精確的定位測量，采用傾斜儀獲取超高層建筑在“扭曲”過程中的姿態(tài)數(shù)據(jù)，從外部和內(nèi)部對超高層建筑進(jìn)行控制，二者統(tǒng)一在移動(dòng)控制點(diǎn)測量系統(tǒng)中。GNSS觀測點(diǎn)坐標(biāo)先轉(zhuǎn)化為當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)，再經(jīng)過“姿態(tài)”數(shù)據(jù)的改正，獲取在運(yùn)動(dòng)中正確的“中心位置”或者說無外力的平衡位置信息，整體把握超高層建筑在外力作用下的運(yùn)動(dòng)方式及實(shí)際變形量，大幅度提高建筑施工網(wǎng)的測設(shè)精度，這一計(jì)算思路及方法在國內(nèi)目前是最先進(jìn)的。

四、未來應(yīng)用前景

該動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)后，增強(qiáng)了筆者所在單位在國內(nèi)高層建筑施工控制及監(jiān)測項(xiàng)目方面的競爭能力，推動(dòng)了高層建筑建設(shè)及監(jiān)測的技術(shù)創(chuàng)新，促使國內(nèi)高層建筑施工及監(jiān)測方法更先進(jìn)。該方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國外最高建筑，如哈利法塔(828m，世界第一高塔，比臺(tái)北101大樓高出320m)。國內(nèi)引進(jìn)該套系統(tǒng)后，能解決高層建筑中面臨的主要問題，為超高層建筑施工和運(yùn)營維護(hù)保駕護(hù)航。該系統(tǒng)在廣州新電視塔、西塔、中信廣場、利通廣等300m以上的高層建筑物監(jiān)測中都獲得廣泛應(yīng)用。

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