高層建筑物的傾斜觀測方法探討

□　余新梅（山西省勘察設計研究院，山西太原030013）

高層建筑物的傾斜觀測方法探討

□余新梅
（山西省勘察設計研究院，山西太原030013）

隨著社會的進步，高層建筑越來越多，對高層建筑的質(zhì)量、技術、施工及運營期間的安全提出了更高的要求。本文以某高層建筑物為例，從建筑物的參數(shù)以及所使用的儀器軟件，技術原理，作業(yè)方法、數(shù)據(jù)處理分析等方面介紹了傾斜觀測的方法，對建筑物進行了簡單的評價。

高層建筑物；建筑物參數(shù)；傾斜觀測原理；作業(yè)方法

隨著我國土地資源越來越稀缺，為了節(jié)約土地資源，提高土地利用效率，目前在大中城市民用建筑領域，已開始限制低層民用建筑的審批，取而代之的是高層建筑，而高層建筑面臨的問題是施工難度大，隱患多。目前，在高層建筑物中出現(xiàn)傾斜問題就是一個非常嚴重的問題，直接影響建筑物的耐用年限，影響建筑物的質(zhì)量。因此必須對高層建筑進行傾斜觀測，這已成為高層建筑物施工和運營過程中的一個常態(tài)性的工作。本文針對某小區(qū)1#樓主體建筑物進行一次傾斜觀測。

1.任務概況

1.1目的與任務

為查明建筑物傾斜狀態(tài)是否滿足有關規(guī)范要求，受某單位的委托，對某小區(qū)1#樓建筑物進行一次傾斜觀測。

1.2建筑物參數(shù)

某小區(qū)1#樓具體參數(shù)如下：長約84米，寬約17米，北面25層，南面26層，其中北面底下2層為商鋪。

1.3工作量

對某小區(qū)1#樓布設傾斜觀測點34個，進行了1次傾斜觀測。

1.4所使用的儀器

本次建筑物主體傾斜觀測使用Ⅰ級全站儀進行觀測，型號：索佳NET05X，技術規(guī)格：測角0.5″，300米免棱鏡觀測。

2.觀測依據(jù)

（1）《工程測量規(guī)范》GB50026-2007

（2）《建筑變形測量規(guī)范》JGJ8-2007

（3）《本工程合同》

（4）相關圖紙

3.測量技術方案

3.1建筑物主體傾斜觀測常用原理

建筑物主體傾斜觀測，是測定建筑物房角的頂部、底部的相對偏移量（稱為傾斜量e）。其基本原理如圖1所示，O為底部，O/點為對應頂部觀測點的投影點，A、B為測站點，AO，BO大致（目估）垂直且應大于建筑物高度的1.5倍。分別測出兩小角∠OAO/，∠OBO/和距離AO、BO，可求得垂直方向上頂部觀測點的相對偏移量a，b進而求得建筑物的傾斜量。

圖1　常用觀測方法示意

3.2建筑物主體傾斜觀測常用原理存在的問題

（1）居民區(qū)建筑稠密，要在所測建筑物周圍選擇兩條與頂?shù)撞坑^測點都通視且相互垂直的方向線，比較困難。

（2）觀測方向不垂直，目估使AO，BO大致垂直，有時會有相當大的誤差，這種誤差對觀測結果會產(chǎn)生多大的影響，進行探討。

3.3傾斜觀測的通用原理及準確度分析

（1）觀測方向不垂直時傾斜量的計算

圖2　傾斜方向與觀測方向關系圖

如圖2，O，O/和AO，BO含義同前，是分別與B1O，A1O垂直的方向。這里A1O，B1O也可作為觀測方向，表示兩觀測方向夾角小于90o的情形，而AO，BO則表示夾角大于90o的情形。AO，BO，A1O，B1O這4條方向線將投影平面分成8個區(qū)域，O/可能位于這4條線 (8個方向)上或是這8個區(qū)域內(nèi)，共有16種可能。再考慮觀測方向還可能是AO，BO或A1O，B1O兩種可能，因此，通用方法應考慮到32種可能。設AO，BO對應（1）～（16）種，A1O，B1O對應（17）～（32）種。按每種可能情況作圖(如圖3，限于篇幅及推導過程類似，這里僅繪出其中兩種)，圖3中a1，b1為觀測方向上的偏移量，為a，b兩方向線間的銳角，θ為兩觀測方向的夾角，其他字母含義同前。根據(jù)觀測求得的與觀測方向垂直的方向上的偏移量a，b便可推算出觀測方向上的偏移量a1，b1。全部32種可能情形的計算結果列于表1中，其中(3)、(4)分別與圖3對應。

圖3　觀測方向上偏移量推導示意圖

設a，b在O點的水平夾角為β，β＞90°時

表1　觀測方向上偏移量計算表達式表

式(6)即為計算建筑物傾斜量的通用公式。同時，還可利用a，a1或b，b1計算出e與AO或BO間的夾角以表示傾斜方向。使用該式時應注意：①其中的“±”號，當β＞900時取“+”，反之取“-”；②當a=0或b=0時，以a1，b1代替a，b進行計算。

（2）觀測方向間的夾角θ對傾斜量e的影響1)了解的觀測誤差對 e的影響程度，因mα=mθ，也就是了解θ具有多大的觀測誤差時對e不會具有明顯影響；

由式（6）求微分，并應用誤差傳播定律可得：

其中，“±”號含義同上。（7）式可以看出me與mα、a、b、e、大小有關。如果me≤1mm即認為mα對e無明顯的影響，根據(jù)式（7），對不同的a計算出mα的限差列于表2（這里a=b=10cm）。

表2 me=1mm時ma(mθ)隨不同a的變化情況

由表2可知，對（或說θ）的觀測精度要求，隨夾角的變化是極不平衡的，但大多數(shù)情況下都是很低的，一般為幾分、幾十分甚至幾度。進一步分析計算表明，只有在θ接近0°或180°情況下，其觀測精度要求有時會高于1/。

2）在常用方法中，目估使兩方向垂直可以容許有多大的近視程度，也即θ在90°附近多大范圍內(nèi)變化時其傾斜觀測結果與θ=90°時相差不會過大。

現(xiàn)給出a、b、的一些不同值，由式（6）計算相應的e值列于表3中=90°的值與其它e值，可得目估θ產(chǎn)生的誤差對傾斜量e的影響。

表3　觀測方向的夾角與傾斜量的關系

由表3可知：①β＞900時要求θ估值精度高；②a、b相差越小要求θ估值精度越高；③進一步的實例還證明，a、b值越大，要求θ估值精度越高；④a、b相差較大且β＜900時，對θ要求精度較低。

若假定e值改變5mm實際上可以接受。當a，b較大且a≈b時，則要求θ估值與900之差不大于50?？梢?，這種條件下目估使兩觀測方向垂直是很難滿足要求的，尤其在β＞900時更是如此。β＜900且a，b相差較大時，對θ的估值精度要求較低，目估基本上能滿足要求。但在觀測之前β，a，b的大小未知，是無法一次性做出這種判斷的，需要對θ角進行測量,保證θ角的精度。θ的觀測精度要求很低，一般很容易做到。當兩測站A，B通視時，可在觀測偏移量a，b的同時觀測r1，r2而求得；當兩測站不通視時，可臨時選擇若干點觀測各轉(zhuǎn)角而求得(如圖4)。

圖4　通用觀測方法外業(yè)布置

4.建筑物主體傾斜觀測

4.1作業(yè)方法

4.1.1觀測方法

采用測水平角法進行建筑物主體傾斜觀測。觀測方法如下圖所示：

如上圖，第一步：分別測出兩小角∠OAOˊ，∠OBOˊ和距離AO，BO，可求得兩垂直方向上頂部觀測點的相對偏移量a，b；第二步：觀測水平角r1，r2（如A、B兩點不通視時，還要測出r3，r4等等），算得θ值。第三步：根據(jù)a，b值，可由式（1）—式（4）求得β，第四步：由下式

求得傾斜量。

4.1.2點位布設原則

依據(jù)《建筑變形測量規(guī)范》規(guī)定：對于一次性傾斜觀測項目，觀測點標志可采用標記形式或直接利用符合位置與照準要求的建筑特征部位，測站點可采用小標石或臨時性標志。

（1）測站點布設原則

依據(jù)《建筑變形測量規(guī)范》規(guī)定：當從建筑物外部觀測時，測站點的點位應選在與傾斜方向成正交的方向線上距照準目標1.5～2.0倍目標高度的固定位置。本次所有觀測點位均選在大于1.5倍樓高的小區(qū)部位，使用鋼釘作為臨時性測站點標志。

（2）觀測點布設原則

本次觀測選建筑物的四個角的大轉(zhuǎn)角線與地面的交點為4個底部觀測點（西北角、東北角、東南角、西南角依次標記為O1、O2、O3、O4）；然后從每個底部觀測點往上每3層選取一個上部觀測點（如O4底部觀測點，其對應的上部觀測點分別取第3層、第6層、第9層等作為上層觀測點O31、O32、O33、……O3n），每個觀測點觀測2個測回（水平角觀測、距離觀測）。

測站點、觀測點布設位置見下圖。

觀測點布置示意圖

4.1.3某小區(qū)1#樓觀測點位布設

根據(jù)二期初設測算，水庫多年平均淤積量為10.6萬m3，到2020水平年，水庫淤積庫容為521萬m3。淤積庫容的增大使水庫有效庫容逐漸減小，興利庫容與防洪庫容都會相應減小，興利、防洪會受到很大影響。

本建筑物北面25層，南面26層；其北面底下2層為商鋪，我們選取西北角和東北角第3層特征部位作為底部觀測點O1、O2，選取東南角和西南角的底部作為底部觀測點O3、O4。所有觀測點位置如下表所示。

底部　3　6　9　12　15　18　21　24　25/26西北角　O1　O11　O12O13O14O15O16O17　O18東北角　O2　O21O22O23O24O25O26O27　O28東南角　O3O31O32O33O34O35O36O37O38　O39西南角　O4O41O42O43O44O45O46O47O48　O49層數(shù)部位

4.2觀測精度要求

4.2.1觀測級別

綜合考慮建筑物用途、等級、結構、層數(shù)及地基基礎的設計等級，

本工程位移觀測的級別定為：《建筑變形測量規(guī)范》中三級位移觀測。

變形測量級別沉降觀測　位移觀測主要適用范圍觀測點測站高差中誤差（mm）觀測點坐標中誤差（mm）三級　±1.5　±10.0地基基礎設計為甲級的建筑的變形測量；重要的古建筑和特大市政橋梁等變形測量等

4.2.2數(shù)據(jù)精度要求

變形測量平差計算和分析中的數(shù)據(jù)取位要求

級別 高差(mm)角度（″）邊長(mm)坐標(mm)高程(mm)沉降值(mm)位移值(mm)三級　0.1　0.1　0.1　0.1　0.1　0.1　0.1

4.2.3實測結果：水平角觀測2測回，測回差3″，要求5″，符合要求。采用算術平均值；距離觀測2測回，測回差3mm，要求5mm，符合要求。采用算術平均值。

5.觀測數(shù)據(jù)及結果分析

5.1觀測數(shù)據(jù)處理

式中：a=（n-1）×180°-γ1-γ2-…-γn（其中n為水平角的測量次數(shù)，n≥2；當a＜90°時，取“+”號；當a＞90°時，取“-”號）。

5.2結論

5.2.1本次觀測所得的觀測點位移量e如下表：

單位：m底部　3　6　9　12　15　18　21　24　25/26西北角　O1　O11　O12　O13　O14　O15　O16　O17　O180.0258　0.0232　0.0306　0.0381　0.0298　0.0482　0.0461　0.0550東北角　O2　O21　O22　O23　O24　O25　O26　O27　O280.0110　0.0263　0.0233　0.0360　0.0309　0.0338　0.0545　0.0562層數(shù)部位底部　3　6　9　12　15　18　21　24　25/26東南角　O3O31　O32　O33　O34　O35　O36　O37　O38　O390.0149　0.0126　0.0149　0.0238　0.0337　0.0252　0.0243　0.0189　0.0320東北角　O4O41　O42　O43　O44　O45　O46　O47　O48　O490.0153　0.0286　0.0338　0.0368　0.0389　0.0385　0.0449　0.0435　0.0394層數(shù)部位

根據(jù)上表所示，在建筑物4條角線不同樓層所取的34個觀測點中，最大傾斜量e=0.0562m位于東北邊第25層O28觀測點。

5.2.2建筑物傾斜量要求

引起建筑物位移的原因有三：其一是基礎不均勻沉降引起的傾斜，根據(jù)《建筑變形測量規(guī)范》JGJ8—2007條文說明中表3—10中規(guī)定：

多層和高層建筑基礎的整體傾斜　傾斜率Hg≤24m 24m100m 0.004 0.003 0.0025 0.002

其二是由于結構施工中樓層軸線放樣引起的誤差限差為2cm，其三是由于樓層內(nèi)鋼筋混凝土施工中建筑模板施工誤差小于5cm。

以上三種因數(shù)的綜合影響下，本建筑物西北邊和東北邊的傾斜量的水平投影偏差允許值為：；東南邊和西南邊的傾斜量的水平投影偏差允許值按矢量疊加原理為：

5.2.3通過觀測

該建筑物整體偏移量最大值位于東北邊第25層O28觀測點e=5.62cm<19.51cm，地基傾斜率0.00075<0.0025，該建筑物整體垂直性良好，符合規(guī)范要求。

6.結束語

高層建筑越來越多。對房屋的質(zhì)量及安全也要求更為嚴格。目前執(zhí)行質(zhì)量終身責任制，為隨時監(jiān)測建筑質(zhì)量。因此房屋的沉降觀測與傾斜觀測任務也隨之增多。隨著經(jīng)濟建設的發(fā)展，現(xiàn)場施工條件也越來越便利。本文從高精度全站儀測角測距的優(yōu)點方面介紹了全站儀進行傾斜觀測的方法，采用兩個在垂直方向與直角越接近，觀測距離在建筑物高度1.5～2.0倍等距離的兩個測站點觀測的精度最高。

【1】JGJ8-2007.建筑變形測量規(guī)范[S].2007.

【2】李青岳，陳永奇.工程測量學（修訂版）[M].北京測繪出版社.2008.

P201

B

2095-7319（2015）06-0045-06

余新梅（1978-），女，2000年畢業(yè)于北京工業(yè)職業(yè)技術學院工程測量專業(yè)，2006年畢業(yè)于太原理工大學測繪工程專業(yè)。工程師，現(xiàn)在山西省勘察設計研究院從事測量等工作。