高層建筑物沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)處理方法研究①

鄭 麗

(宿州學(xué)院環(huán)境與測繪工程學(xué)院，安徽 宿州234000)

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展和我國現(xiàn)代化進程的不斷加快，城市各類高層建筑物越來越普遍.由于建筑物的增高、荷載的增加，在地基基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)的共同作用下，建筑物將發(fā)生不均勻沉降，輕者將使建筑物產(chǎn)生傾斜或裂縫，影響正常使用，當變形值超過一定限度時，會影響建筑物本身的安全以及人民生命財產(chǎn)的安全［1～2］.因此，在建筑物施工和運營期間，有必要設(shè)計一個合理、可行的沉降監(jiān)測方案，對它們進行定期監(jiān)測，根據(jù)已測數(shù)據(jù)進行合理地統(tǒng)計分析和研究，對其進行相應(yīng)預(yù)測預(yù)報是非常必要的［3］.

目前，建筑物變形預(yù)測應(yīng)用比較多的方法主要包括:回歸分析、灰色預(yù)測、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，很多學(xué)者對建筑物變形監(jiān)測預(yù)測工作展開研究，王旭華等［4］應(yīng)用指數(shù)平滑法對建筑物的變形進行預(yù)測，通過某大樓一沉降監(jiān)測點45 期實測數(shù)據(jù)，對比分析了指數(shù)平滑法及改進指數(shù)平滑法預(yù)測值，結(jié)果表明改進的平滑法克服了原方法的誤差累積的缺點，取得較好預(yù)測結(jié)果.李德江等［5］通過工程實例證明基于支持向量機的建筑物沉降預(yù)測模型可行性，并將預(yù)測結(jié)果與BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測結(jié)果相比，借助絕度誤差和相對誤差測算，得出支持向量機建筑物沉降預(yù)測模型更好的結(jié)論.謝波［6］針對建筑物變形監(jiān)測的動態(tài)特性，闡述了卡爾曼濾波和附加衰減因子自適應(yīng)卡爾曼濾波的算法，通過工程實例相關(guān)觀測數(shù)據(jù)建立自適應(yīng)卡爾曼濾波法建筑物動態(tài)模型，表明其在建筑物變形監(jiān)測中的應(yīng)用前景.鄒廣黔［7］運用傳統(tǒng)灰色GM(1，1)模型和動態(tài)GM(1，1)模型分別建立高層建筑物變形監(jiān)測數(shù)據(jù)模型，研究結(jié)果表明動態(tài)模型更適合于中長期變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理.為此，筆者應(yīng)用三次指數(shù)平滑模型，探索建筑物沉降預(yù)報工作，可為高層建筑物監(jiān)測預(yù)報工作提供一定的借鑒和參考.

1 三次指數(shù)平滑模型

若一個時間序列的未來值被某一個數(shù)學(xué)函數(shù)嚴格確定，則稱該時間序列為確定性的.確定性時間序列分析模型主要包括:移動平均模型、二次滑動平均模型、指數(shù)平滑模型、二次指數(shù)平滑模型和三次指數(shù)平滑模型［8］.

若時間序列數(shù)據(jù)點的分布出現(xiàn)曲率，則應(yīng)使用三次指數(shù)平滑(Triple Exponential Smoothing)模型進行預(yù)測，它是建立在二次指數(shù)平滑模型的基礎(chǔ)上，得到了二次指數(shù)平滑模型的平滑數(shù)據(jù)后，再進行一次平滑，平滑公式如下:

有了三次指數(shù)平滑模型，可得到三次指數(shù)平滑的預(yù)測公式為:

其中:T 為預(yù)測周期，根據(jù)最小二乘法確定參數(shù)at，bt，ct按下述公式計算:

2 工程概況

沉降監(jiān)測的方法是通過布設(shè)基準點和沉降觀測點，采用周期觀測來獲取建筑物沉降數(shù)據(jù)，并對沉降數(shù)據(jù)進行分析，及時發(fā)現(xiàn)建筑物的沉降情況，以便采取科學(xué)措施，確保高層建筑物施工的安全.本工程為建設(shè)高層建筑，主要由17 個單體工程組成，其中2 棟為29 層框架結(jié)構(gòu)，在建設(shè)過程中，參照建筑物設(shè)計總平面圖、建筑設(shè)計圖及《建筑物變形監(jiān)測規(guī)范(2007)》，在建筑物主要軸線布設(shè)六個變形監(jiān)測點，具體點位布設(shè)情況如圖1 所示.這些變形觀測點埋設(shè)于室內(nèi)地坪上方20 ～30cm 左右，從2012 年的4 月至12 月進行了12 期的變形觀測，從而了解建筑物的沉降變化情況.

在沉降觀測中，2 號沉降點的沉降值最大為6.6 mm，沉降值最小為0mm，累計沉降量41.5mm，平均沉降值3.46mm ＜200mm 符合高層建筑物的沉降的允許范圍(《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》中表5.3.4 建筑物的地基允許變形值中規(guī)定體型簡單的高層建筑物基礎(chǔ)的平均沉降量200mm)，說明該點的沉降量均屬正常，暫未出現(xiàn)異常變化，所有觀測結(jié)果均符合國家的相關(guān)規(guī)范(《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》、《建筑變形測量規(guī)范》和《建筑物沉降觀測方法》)的要求.

圖1 沉降監(jiān)測點分布圖

本文以監(jiān)測點2 的沉降值為樣本數(shù)據(jù)，用于計算模型參數(shù)，建立三次指數(shù)平滑模型，進行預(yù)測，以與實際沉降量作比較.由于建筑物沉降影響因素較為復(fù)雜，觀測數(shù)據(jù)起伏較大，規(guī)律性不明顯.基于均方擬合誤差最小的原則，運用試算法，經(jīng)多次計算，選取較好的a 值為0.23，此時均方誤差為0.2533，指數(shù)平滑值分別為at=6.7171，bt=0.5596，ct=－0.0047，因而建立三次指數(shù)平滑預(yù)測模型為:

^yt+T=6.7171+0.5596T－0.0047T2(6)

表1 2 號點沉降觀測值與預(yù)測值一覽表

圖2 2 號點沉降量實測值與擬合值變化趨勢圖

從表1 中可以看出:所建立三次指數(shù)平滑模型殘差絕對值均小于0.5mm，相對誤差最小為0，最大為25.49%，平均相對誤差為7.13%，根據(jù)表1所得數(shù)據(jù)繪制2 號點沉降量實測值與擬合值變化趨勢圖2.從圖2 中可以發(fā)現(xiàn):2 號點4 ～12 月12期觀測數(shù)據(jù)參與建立三次指數(shù)平滑模型條件下，模型預(yù)測變形量與實際變形量，相差較小，說明該三次指數(shù)平滑模型基本可靠，對于確保高層建筑物施工和運營管理有重要意義.

3 結(jié) 論

高層建筑物沉降監(jiān)測是非常有必要的.在施工期間，結(jié)合具體工程實況，根據(jù)所增加層數(shù)和荷載情況逐步進行沉降觀測.本文基于高層建筑物沉降監(jiān)測中2 號監(jiān)測點12 期實測數(shù)據(jù)建立三次指數(shù)平滑模型，以掌握、監(jiān)控建筑物的沉降情況，分析是否正常，若有異常情況發(fā)生，需及時分析采取相應(yīng)的措施，以保證建筑物的施工安全.通過實證分析得出以下結(jié)論:

(1)根據(jù)時間－沉降－曲線圖可以判斷出，原始沉降量具有趨勢性，選擇三次指數(shù)平滑模型.高層建筑物沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)處理方法很多，將三次指數(shù)平滑模型應(yīng)用于高層建筑物沉降監(jiān)測，具有方法簡便，容易操作，預(yù)測精度高等特點，及時反饋某些點的動態(tài)沉降量，以判斷沉降變化量是否出現(xiàn)異常，以便及時采取相關(guān)措施，避免安全事故的發(fā)生.

(2)通過工程實例可知高層建筑物沉降監(jiān)測是一項長時間不間斷的測量工作，應(yīng)盡量避免使用三次指數(shù)平滑模型進行中長期變形監(jiān)測預(yù)報工作，且要根據(jù)實測監(jiān)測數(shù)據(jù)對所建模型實時更新，取得較好預(yù)測效果.

此外，工程沉降是由地基、基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)以及降水共同作用的結(jié)果，進行建筑物沉降監(jiān)測僅僅是其中一個方面，若觀測期內(nèi)，沉降量若超過一定的限度，就會影響物的正常使用和安全.這就要求從建筑物的沉降程度映射到整個地區(qū)的沉降趨勢，引起足夠的重視［9］，確保建筑物施工和運營的安全.

［1］ 丁寧，孫英君，崔健，等.高層建筑物變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理與分析［J］.測繪科學(xué)，2011，36(5):93－94.

［2］ 熊俊楠，王澤根等.高層建筑物變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理方法研究及工程應(yīng)用［J］.測繪科學(xué)，2010，35 增刊:69－71.

［3］ 陳偉清.灰色預(yù)測在建筑物沉降變形分析中的應(yīng)用［J］.測繪科學(xué)，2005，30(5):43－45.

［4］ 王旭華，陳雄，趙德深.指數(shù)平滑法在建筑物變形預(yù)測中的應(yīng)用［J］.測繪通報，2004，(3):28－30.

［5］ 李德江，花向紅，李濤，朱成林.基于支持向量機的建筑物沉降預(yù)測模型研究［J］.測繪工程，2009，18(3):29－31.

［6］ 謝波.卡爾曼濾波在建筑物變形監(jiān)測中的應(yīng)用［J］.長春工程學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)，2013，14(3):8－10.

［7］ 鄒廣黔.高層建筑物形變監(jiān)測中動態(tài)灰色理論模型的應(yīng)用［J］.測繪與空間地理信息，2010，33(1):197－200.

［8］ 任永泰.經(jīng)濟數(shù)學(xué)方法與模型［M］.北京:中國農(nóng)業(yè)出版社，2008:109－110.

［9］ 溫宇斌.建筑物沉降監(jiān)測的實踐及探討［J］.測繪通報，2002，(11):37－39.