高層建筑物變形監(jiān)測技術(shù)方法現(xiàn)狀與展望

梁振華

（遼源職業(yè)技術(shù)學(xué)院資源工程系，吉林 遼源136201）

0 引言

隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，物質(zhì)文明的極大提高及建筑設(shè)計(jì)施工技術(shù)水平的日臻成熟完善，也因土地資源日漸減少與人口增長之間日益突出的矛盾，也使得高層及超高層建（構(gòu)）筑物越來越多。在高層建筑物的建設(shè)中，從工程施工到竣工，以及建成后的運(yùn)營期間都要不斷地對工程建筑物進(jìn)行監(jiān)測，以便掌握工程建筑物變形的一般規(guī)律，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)分析原因采取措施，保證工程建筑物的安全［1］。高層建筑物變形監(jiān)測的效果主要取決于監(jiān)測的技術(shù)方法。

1 高層建筑變形監(jiān)測的必要性與意義

高層建筑物的特點(diǎn)包括：（1）基礎(chǔ)較深，需進(jìn)行基坑回彈測量；（2）會(huì)有很大的沉降，需要垂直位移監(jiān)測；（3）樓體高力矩大，需對其傾斜監(jiān)測；（4）風(fēng)荷載大，需進(jìn)行風(fēng)振測量；（5）墻體溫差大，需對建筑物進(jìn)行日照變形監(jiān)測。

大型建筑物施工和運(yùn)營中的安全問題成為政府、地方部門和使用單位十分關(guān)注的重要問題，大型建筑物的安全監(jiān)測也越來越受到人們的重視，重要建筑物變形監(jiān)測目的體現(xiàn)在：分析和評價(jià)建筑物狀態(tài)、驗(yàn)證設(shè)計(jì)參數(shù)、反饋設(shè)計(jì)及施工質(zhì)量、研究正常的變形規(guī)律和預(yù)報(bào)變形的方法等方面。

建筑物的本身也會(huì)因?yàn)樽冃渭捌渫獠亢奢d與內(nèi)部應(yīng)力的作用發(fā)生變形，但如果變形量一旦超出限度的時(shí)候，建筑物的使用就會(huì)受到影響，如果更嚴(yán)重的話就會(huì)危及建筑物的安全。因此，在施工、管理、使用的階段對建筑進(jìn)行變形監(jiān)測是非常必要的。

對高層建筑的變形規(guī)律進(jìn)行分析，有效預(yù)測高層建筑的變化趨勢，對高層建筑進(jìn)行安全監(jiān)控，確保高層建筑安全運(yùn)營有著重大意義。

2 高層建筑變形監(jiān)測技術(shù)方法

2.1 靜態(tài)變形監(jiān)測技術(shù)方法

2.1.1 垂直位移監(jiān)測技術(shù)方法

垂直位移監(jiān)測一般使用水準(zhǔn)測量、液體靜力水準(zhǔn)測量、三角高程測量和GPS高程測量等方法，同時(shí)也包括一些專用測量手段，如沉降儀、傾斜儀等。通常高程建筑進(jìn)行沉降監(jiān)測時(shí)會(huì)按照國家二等水準(zhǔn)技術(shù)要求，運(yùn)用高精度的儀器把監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)成附合水準(zhǔn)路線或閉合環(huán)路線，并將它們聯(lián)測到水準(zhǔn)基點(diǎn)上。

三角高程測量法是指借助精密經(jīng)緯儀或全站儀及相關(guān)設(shè)備，按幾何三角測量原理，獲取測站與監(jiān)測點(diǎn)間高差的方法。隨著精密三角高程測量技術(shù)的完善，其高程測量與幾何水準(zhǔn)的精度差距越來越小，精密三角高程測量能在一定程度上取代幾何水準(zhǔn)測量在高層建筑變形監(jiān)測垂直位移方面的應(yīng)用。

2.1.2 傾斜監(jiān)測技術(shù)方法

對于基礎(chǔ)面積過小的超高層建筑物，最簡單的是懸吊垂球的方法，根據(jù)其偏差值直接測定建筑物的傾斜；若建筑物無法固定垂球，就可采用經(jīng)緯儀投影、測水平角、光學(xué)垂準(zhǔn)和激光鉛直的方法來測定；還有就是通過測定建筑物基礎(chǔ)相對沉陷的方法來計(jì)算建筑物的傾斜，這一般會(huì)采用水準(zhǔn)測量的方法、液體靜力水準(zhǔn)測量方法以及氣泡式傾斜儀測量法。

2.1.3 水平位移監(jiān)測技術(shù)方法

水平位移監(jiān)測有很多種方法，最常用的有前方交會(huì)法、后方交會(huì)法、極坐標(biāo)法、導(dǎo)線法、視準(zhǔn)線法、引張線法等，宜根據(jù)條件選用適當(dāng)?shù)姆椒ā?/p>

對于直線形的建筑物，為了觀測其橫向位移，可采用視準(zhǔn)線法；在高層建筑物的變形觀測中，可采用極坐標(biāo)法，其中正垂線法更適合于高層建筑物的水平位移監(jiān)測；測角前方交會(huì)法、經(jīng)緯儀投點(diǎn)法等方法可以用來判斷高層建筑底部與頂部是否有位移產(chǎn)生、其中心的豎直軸線是否垂直。

2.1.4 撓度監(jiān)測技術(shù)方法

對于高層建筑物的撓度可有觀測不同高度處的傾斜換算求得，也可采用激光準(zhǔn)直儀觀測的方法求得。對于高聳建（構(gòu)）筑物豎直方向的撓度監(jiān)測，及測定在不同高度上的幾何中心或棱邊等特殊點(diǎn)相對于底部幾何中心或相應(yīng)點(diǎn)的水平位移，并將這些點(diǎn)在其扭曲方向的鉛垂面上的投影繪成曲線——撓度曲線。這可使用測角前方交會(huì)法、極坐標(biāo)法或垂線法。

2.1.5 裂縫監(jiān)測技術(shù)方法

高層建筑物一般用觀測標(biāo)志監(jiān)測裂縫的變化：（1）石膏標(biāo)志：在裂縫兩端抹一層石膏，等干固后用紅漆噴一層跨越裂縫兩側(cè)且垂直于裂縫的橫線，如果裂縫擴(kuò)張，石膏就會(huì)開裂，則可以觀察紅線處裂縫的寬度；（2）金屬標(biāo)志：在裂縫的兩側(cè)打孔埋設(shè)金屬標(biāo)志點(diǎn)，定期用游標(biāo)卡尺量出兩點(diǎn)間的距離變化，即可精確測得裂縫寬度的變化情況。對于面積較大且不便于人工測量的多裂縫，宜采用近景攝影測量方法；當(dāng)需要連續(xù)觀測裂縫變化情況時(shí)，還可以采用裂縫計(jì)或傳感器自動(dòng)測記方法。

2.1.6 日照變形監(jiān)測技術(shù)方法

高層建筑由于其高度，導(dǎo)致其不同高度的不同部位受陽光照射后的變形量也不一樣。日照變形監(jiān)測應(yīng)該在強(qiáng)光時(shí)段進(jìn)行，而且還應(yīng)該測定建筑物上部陰陽兩面由于溫差引起的偏移量和變形規(guī)律。

當(dāng)利用建筑物內(nèi)部豎向通道觀測時(shí)，應(yīng)采用激光鉛直儀觀測；當(dāng)從建筑物或單柱外部觀測時(shí)，可采用測角前方交會(huì)或方向差交會(huì)法；對于單柱的觀測，按不同測量條件，可選用經(jīng)緯儀投點(diǎn)法，測頂部觀測點(diǎn)與底部觀測點(diǎn)之間的夾角法或極坐標(biāo)法［2］。

2.2 動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測技術(shù)方法

動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測一般只在高層或超高層建筑物變形監(jiān)測中才需要，JGJ 8—2007《建筑變形測量規(guī)范》中要求：風(fēng)振觀測應(yīng)在高層、超高層建筑物受強(qiáng)風(fēng)作用的時(shí)間階段同步測定建筑物的頂部風(fēng)速、風(fēng)向和墻面風(fēng)壓以及頂部的水平位移，獲得風(fēng)壓分布、梯形系數(shù)及風(fēng)振系數(shù)。風(fēng)振變形監(jiān)測一般有以下方法：

（1）激光位移計(jì)自動(dòng)測記法。當(dāng)位移計(jì)發(fā)射激光時(shí)，從測試室的光線示波器上可直接獲取位移圖像及有關(guān)參數(shù)。

（2）長周期拾振器測記法。將拾振器設(shè)在建筑物頂部天面中間，由測試室內(nèi)的光線示波器記錄觀測結(jié)果。

（3）加速計(jì)法。將加速度傳感器安裝在建筑物頂部，測定建筑物在振動(dòng)時(shí)的加速度，通過加速度積分求解位移值。

（4）GPS差分載波相位法。將一臺GPS接收機(jī)安置在距待測建筑物一段距離且相對穩(wěn)定的基準(zhǔn)站上，另一臺接收機(jī)的天線安裝在待測建筑物樓頂。接收機(jī)周圍5°以上應(yīng)無建筑物遮擋或反射物。兩臺接收機(jī)同步記錄15～20min數(shù)據(jù)作為一測段。具體測段數(shù)視要求確定。通過專門軟件對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)差分后處理，根據(jù)獲得的 WGS－84大地坐標(biāo)即可求得相應(yīng)位移值。

（5）雙軸自動(dòng)電子測斜儀（電子水槍）測記法。測試位置應(yīng)選在振動(dòng)敏感的位置，儀器X軸與Y軸（水槍方向）與建筑物的縱橫軸線一致，并用羅盤定向，根據(jù)觀測數(shù)據(jù)計(jì)算出建筑物的振動(dòng)周期和頂部水平位移值。

（6）經(jīng)緯儀測角前方交會(huì)法或方向差交會(huì)法。該法適應(yīng)于在缺少自動(dòng)測記設(shè)備和觀測要求不高時(shí)的建筑物頂部水平位移的測定，但作業(yè)中應(yīng)采取措施防止儀器受到強(qiáng)風(fēng)影響［3］。

3 高層建筑變形監(jiān)測技術(shù)方法展望

基于城市土地資源的稀缺特點(diǎn)，加之未來10年中國加速城鎮(zhèn)化進(jìn)程的建設(shè)，高層建筑物的數(shù)量會(huì)大量增加，安全監(jiān)測工作的重要性會(huì)更加突出，對高層建筑物的監(jiān)測方法會(huì)提出更高的要求，高層建筑變形監(jiān)測技術(shù)方法將在以下方向得到發(fā)展。

3.1 測繪新儀器新技術(shù)會(huì)得到廣泛應(yīng)用

常規(guī)大地測量主要采用有經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀、測距儀、全站儀等常規(guī)測量儀器測定點(diǎn)的變形值。它能夠提供變形體整體的絕對變形信息，但外業(yè)工作量大，布點(diǎn)受地形條件影響，不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測。近年來，GPS、測量機(jī)器人、地面三維激光掃描儀的出現(xiàn)，在高層建筑變形監(jiān)測方面得到了一定應(yīng)用。

近幾年，國外測繪儀器制造商生產(chǎn)的測量機(jī)器人投放市場，在高層建筑物變形監(jiān)測方面得到了應(yīng)用。測量機(jī)器人（也稱自動(dòng)全站儀）采用自由設(shè)站法不僅可以有效排除基坑施工及周邊土體變形的影響，同時(shí)還可以通過相鄰周期坐標(biāo)計(jì)算快速、準(zhǔn)確地獲得被監(jiān)測點(diǎn)處的位移量和累積位移量［4］。

GPS技術(shù)經(jīng)過近20年的發(fā)展，已經(jīng)成功應(yīng)用于高層建筑變形監(jiān)測，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)獲取、傳輸、處理與預(yù)警的自動(dòng)化。GPS用于變形監(jiān)測具有精度高、不受氣候條件及通視條件限制、高度自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)。其在高層建筑物變形監(jiān)測中的應(yīng)用對彌補(bǔ)傳統(tǒng)的變形監(jiān)測方法的缺陷具有重要意義［5］。隨著我國北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的建成，硬件價(jià)格會(huì)大幅下降，相信在高層建筑變形監(jiān)測中會(huì)得到更多的應(yīng)用。

近年來，三維激光掃描測量技術(shù)的發(fā)展，已在文物古建筑保護(hù)、施工檢測、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測方面有應(yīng)用，但在建筑變形監(jiān)測方面的應(yīng)用實(shí)例較少，未形成體系。將地面三維激光掃描技術(shù)引入到高層建筑變形監(jiān)測領(lǐng)域，具有極大的現(xiàn)實(shí)意義，具有良好的應(yīng)用前景和可行性，是未來的發(fā)展趨勢。已經(jīng)有學(xué)者進(jìn)行了這方面的試驗(yàn)研究，并取得了一定成果［6］。

高層建筑變形監(jiān)測方法將向高精度、自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展。一方面監(jiān)測儀器的性能（精確性、穩(wěn)定性、耐用性等）的水平將不斷提高，使監(jiān)測系統(tǒng)的整體可靠性也隨之提高；另一方面監(jiān)測儀器的自動(dòng)化水平也將不斷提高，并向智能化方向發(fā)展。

3.2 變形預(yù)測方法的研究會(huì)更加深入

依據(jù)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行未來變形的預(yù)測是非常重要的內(nèi)容，目前主要是以數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用為主。先進(jìn)的數(shù)學(xué)方法，將補(bǔ)充和完善傳統(tǒng)監(jiān)控模型的不足，同時(shí)，這些理論與傳統(tǒng)方法有機(jī)結(jié)合，將使傳統(tǒng)的監(jiān)控模型更為完善。

變形過程是一個(gè)受多方面因素影響的復(fù)雜過程，這些因素中有已知信息，也有未知信息，成因與變形量之間存在著復(fù)雜的非線性關(guān)系，所以對于未來發(fā)展趨勢的預(yù)測屬于灰色問題［7］。在已有灰色系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，不斷完善進(jìn)行試驗(yàn)研究是主要方向，另外尋找新的數(shù)學(xué)模型也是主要突破口。

基于不同預(yù)測模型，預(yù)測模型的優(yōu)化將得到重視與應(yīng)用。采用不同的組織形式會(huì)得到不同的預(yù)測精度，為了得到理想的預(yù)測精度，應(yīng)根據(jù)工程的實(shí)際情況，分析試驗(yàn)可能的組織形式，最終確定最優(yōu)預(yù)測模型［8］。

3.3 數(shù)據(jù)處理與預(yù)測集成軟件將普遍應(yīng)用

隨著計(jì)算機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)、軟件開發(fā)平臺技術(shù)的快速發(fā)展，為高層建筑變形監(jiān)測的數(shù)據(jù)處理與預(yù)測提供了有效工具。

目前國內(nèi)已經(jīng)有多個(gè)變形監(jiān)測系統(tǒng)軟件，一些學(xué)者基于MATLAB平臺編程實(shí)現(xiàn)并對建筑的沉降變形進(jìn)行預(yù)報(bào)，對高層建筑的沉降變形數(shù)據(jù)的處理具有顯著的優(yōu)越性［9］。

4 結(jié)語

高層建筑物的出現(xiàn)對變形監(jiān)測技術(shù)提出了挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的監(jiān)測方法已經(jīng)不能滿足需要，隨著測繪新儀器與技術(shù)的出現(xiàn)，已經(jīng)在高層建筑物變形監(jiān)測中得到了一定應(yīng)用。相信未來各種新技術(shù)將不斷更新升級，向著相互融合，相互集成的方向發(fā)展。使得測量方法更科學(xué)先進(jìn)，操作更簡單，而測量成果的精度也越來越高。

［1］陳紅衛(wèi)，吳華峰，安丹丹.對GPS在高層建筑變形監(jiān)測中應(yīng)用的探討［J］.商品與質(zhì)量：建筑與發(fā)展，2012（4）：29－30.

［2］李保平，潘國兵.變形監(jiān)測［M］.成都：西南交通大學(xué)出版社，2012.

［3］黃聲享，尹暉，蔣征.變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理［M］.武漢：武漢大學(xué)出版社，2010.

［4］劉沛.自動(dòng)化全站儀在高層建筑基坑變形監(jiān)測中的應(yīng)用［J］.測繪與空間地理信息，2011，34（3）：239－241.

［5］王正旭，獨(dú)知行，單瑞.GPS技術(shù)在高層建筑變形監(jiān)測中的應(yīng)用研究［J］.城市勘測，2009（3）：102－105.

［6］李仁忠，劉潔.三維激光掃描技術(shù)在高層建筑變形監(jiān)測中的應(yīng)用［J］.重慶建筑，2010，9（10）：42－45.

［7］高寧，崔希民，高彩云.高層建筑物沉降變形的灰線性預(yù)測［J］.測繪科學(xué)，2012，37（3）：96－98.

［8］趙立中，黃強(qiáng)，房華樂，等.高層建筑物基坑變形的綜合監(jiān)測與預(yù)報(bào)［J］.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，43（4）：539－542.

［9］范志龍，陳雪豐.基于MATLAB的高層建筑沉降變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理［J］.測繪與空間地理信息，2009，32（5）：137－139.