GPS應(yīng)用于建筑物變形觀測(cè)的探討

黃家弟

（貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局三總隊(duì) 遵義 563000）

引言

建筑變形監(jiān)測(cè)是對(duì)建筑變形的及時(shí)、準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)，為掌握建筑物的穩(wěn)定性和安全運(yùn)行的診斷提供必要的信息，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并采取措施。通過對(duì)建筑變形的實(shí)際監(jiān)測(cè)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，了解建筑變形的原因，改進(jìn)工程設(shè)計(jì)理論，對(duì)建筑設(shè)計(jì)進(jìn)行反饋，建立有效的變形預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)。改革開放30年來，中國(guó)建設(shè)了大量的水利、工業(yè)、交通、城市高層建筑和許多地下空間工程設(shè)施，安裝了一批大型精密機(jī)械設(shè)備和科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備以確保其安全可靠的運(yùn)行，造福人民。

1 建筑物變形監(jiān)測(cè)內(nèi)容及現(xiàn)狀

在運(yùn)行過程中，建筑物由于受到各種因素的影響，會(huì)出現(xiàn)一定的變形。變形在允許的限度內(nèi)，是正?，F(xiàn)象；但如果變形程度嚴(yán)重，會(huì)影響建筑物的正常使用，危及建筑物的安全，甚至可能造成建筑物倒塌等嚴(yán)重事故，對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重?fù)p失。因此，在工程建筑的施工和運(yùn)行過程中必須進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)，即建筑物的變形監(jiān)測(cè)。變形監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容包括：垂直位移監(jiān)測(cè)、水平位移監(jiān)測(cè)、傾斜監(jiān)測(cè)、裂縫監(jiān)測(cè)、擺動(dòng)監(jiān)測(cè)和旋轉(zhuǎn)監(jiān)測(cè)。建筑物的變形監(jiān)測(cè)具有監(jiān)測(cè)時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，需要反復(fù)監(jiān)測(cè)，測(cè)量?jī)x器和成果的精度要求高，數(shù)據(jù)處理要求嚴(yán)格，不同工程的特點(diǎn)不同。

一般地說，建筑物變形觀測(cè)的基本觀測(cè)點(diǎn)應(yīng)設(shè)置三種測(cè)量點(diǎn)，即基準(zhǔn)點(diǎn)、工作點(diǎn)和觀察點(diǎn)，應(yīng)在結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)上選擇一定數(shù)量的有代表性的觀察點(diǎn)。目前，我國(guó)對(duì)建筑物變形監(jiān)測(cè)的關(guān)注還不夠，設(shè)計(jì)部門在設(shè)計(jì)圖紙時(shí)，對(duì)變形監(jiān)測(cè)沒有提出明確的要求和標(biāo)簽，觀測(cè)點(diǎn)也沒有按照規(guī)定制定和實(shí)施。

2 GPS定位技術(shù)概述及其特點(diǎn)

GPS的全稱是全球定位系統(tǒng)，是一種具有全定向、實(shí)時(shí)、高精度三維導(dǎo)航定位功能的衛(wèi)星導(dǎo)航和定位系統(tǒng)。GPS定位技術(shù)，以其全天候、高效率、低要求的優(yōu)勢(shì)，在各行各業(yè)應(yīng)用率較高，得到用戶的認(rèn)可和廣泛應(yīng)用。特別是在大型建筑物變形監(jiān)測(cè)中，避免了傳統(tǒng)的常規(guī)測(cè)量技術(shù)必須要求能見度、多站誤差的累積性，測(cè)量精度受到環(huán)境影響比較大的不足，顯示出其無可比擬的優(yōu)勢(shì)。

GPS系統(tǒng)具有全覆蓋連續(xù)導(dǎo)航定位、高精度三維定位、實(shí)時(shí)導(dǎo)航定位、被動(dòng)全天候?qū)Ш蕉ㄎ弧⒖垢蓴_性能好、保密性強(qiáng)等特點(diǎn)。相比于傳統(tǒng)的常規(guī)水平比觀測(cè)方法和沉降位移變形監(jiān)測(cè)法，GPS技術(shù)更適合應(yīng)用于大型建筑物的變形監(jiān)測(cè)。傳統(tǒng)的常規(guī)變形監(jiān)測(cè)技術(shù)在理論和技術(shù)水平上都非常成熟，但由于其工作量大，監(jiān)測(cè)周期長(zhǎng)，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，運(yùn)行成本高，效率低，使其開發(fā)空間和市場(chǎng)將越來越小。GPS定位技術(shù)利用其可實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、連續(xù)的觀測(cè)精度優(yōu)勢(shì)，正在逐步取代部分傳統(tǒng)的變形監(jiān)測(cè)技術(shù)，并隨著科技的進(jìn)步，早期部分投入成本較高、信號(hào)差和低精度的缺點(diǎn)將被逐一克服，這將大大提高GPS應(yīng)用于變形監(jiān)測(cè)的效率和精度。

3 GPS定位系統(tǒng)在建筑物變形監(jiān)測(cè)工作中的應(yīng)用

GPS定位系統(tǒng)可以監(jiān)控三維位置、速度和準(zhǔn)確時(shí)間。由于其三維定位精度較高，逐漸成為一種非常有效、常用的建筑變形監(jiān)測(cè)方法。

（1）GPS靜態(tài)絕對(duì)定位法經(jīng)過10多年的研究發(fā)展，其絕對(duì)定位處理系統(tǒng)已基本成熟。很多建筑物其變形過程是非常緩慢的，有的幾個(gè)月，有的幾年甚至幾十年，在一定的相對(duì)時(shí)期內(nèi)，可以認(rèn)為它是穩(wěn)定的，傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)這種建筑物變形監(jiān)測(cè)通常需要浪費(fèi)大量的人力物力，以及大量的時(shí)間。GPS靜態(tài)絕對(duì)定位法，是在接收機(jī)天線處于靜止?fàn)顟B(tài)下，確定測(cè)站的三維地心坐標(biāo)，它定位所依據(jù)的觀測(cè)量，是根據(jù)相關(guān)測(cè)距原理測(cè)定的衛(wèi)星與測(cè)站之間的微距。

（2）GPS定位系統(tǒng)也廣泛應(yīng)用于高層建筑的變形監(jiān)測(cè)。傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法有懸索線下降法、激光鉛法、經(jīng)緯儀交叉觀測(cè)法等。在實(shí)際觀測(cè)工作中，受環(huán)境氣象因素和建筑本身高度的影響較大，人為因素也占很大比例。通過建設(shè)基準(zhǔn)站和移動(dòng)站，GPS定位系統(tǒng)將得到接收到的GPS信號(hào)的差分改正數(shù)和已知點(diǎn)的坐標(biāo)，并發(fā)送到移動(dòng)站，移動(dòng)站將糾正數(shù)據(jù)并將其傳送到監(jiān)控中心。這種監(jiān)測(cè)方法人工干預(yù)較少，整個(gè)過程中數(shù)據(jù)自動(dòng)處理，減少了人為造成的誤差，大大減少了工作量，使監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。

（3）傳統(tǒng)的測(cè)量建筑物水平和垂直位移的方法通常是三角測(cè)量或水平交會(huì)測(cè)量。由于這些傳統(tǒng)的測(cè)量方法是在外部環(huán)境進(jìn)行的，而且大部分建筑工地環(huán)境復(fù)雜，各種儀器和設(shè)備的施工過程都缺乏足夠的能見度，這些因素進(jìn)一步加劇了常規(guī)變形監(jiān)測(cè)工作的難度，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)大型建筑物水平或沉降位移的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，給建筑物安全運(yùn)行帶來了隱患。然而，GPS定位技術(shù)的應(yīng)用可以很好地解決這一問題，其定位精度也在逐步提高。例如，沉降位移監(jiān)測(cè)可以獲得不超過±10mm的精度，水平位移觀測(cè)可以達(dá)到小于±2mm的精度。目前一些項(xiàng)目利用GPS技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)大型建筑物水平和垂直位移的精確實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，建立了能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、處理、分析、存儲(chǔ)管理、預(yù)測(cè)的建筑物變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)λ胶痛怪蔽灰谱冃螖?shù)據(jù)自動(dòng)采集、處理、分析，并根據(jù)預(yù)置的變形閾值報(bào)警，實(shí)現(xiàn)對(duì)大型建筑物變形的自動(dòng)監(jiān)測(cè)和預(yù)警。

4 GPS定位技術(shù)在某大型建筑變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用實(shí)例

案例項(xiàng)目是一座100m高的住宅建筑。在重力、風(fēng)力等外力作用下，建筑的水平方向容易偏移、傾斜、沉降、開裂等問題，嚴(yán)重影響建筑物的安全使用和使用壽命。因此，在主體結(jié)構(gòu)的施工過程中，不僅需要準(zhǔn)確地確定承載結(jié)構(gòu)的安裝位置和垂直度，而且要全過程監(jiān)控建筑物的變形，并確定實(shí)時(shí)位移和垂直度，為建筑物的順利施工、竣工及運(yùn)行提供安全保障。

首先，工程人員使用徠卡GX1230 GPS接收機(jī)對(duì)公司頂層平臺(tái)的建筑變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，數(shù)據(jù)處理軟件采用徠卡地理辦公組合軟件。在樓頂控制點(diǎn)安裝GPS接收機(jī)，在項(xiàng)目運(yùn)行過程中GPS接收機(jī)固定。此外，GPS接收器天線被放置在一個(gè)平臺(tái)的頂部，可以在東、西、北和南四個(gè)方向移動(dòng)。該平臺(tái)具有測(cè)微儀，可準(zhǔn)確測(cè)定天線的位移，精度可達(dá)0.1mm?？梢哉J(rèn)為，天線的運(yùn)動(dòng)量是已知的。GPS定位結(jié)果每5h、2h、1h測(cè)量一次，每組進(jìn)行10次，應(yīng)用該軟件進(jìn)行處理后，計(jì)算三組GPS測(cè)量天線的偏移量。通過計(jì)算結(jié)果可以看出，測(cè)量角度誤差變化在5h、2h和1h時(shí)分別達(dá)到±0.4mm，±0.6mm和±1.0mm，可以滿足國(guó)家規(guī)范的要求。

5 結(jié)語(yǔ)

由于建筑傳統(tǒng)的變形監(jiān)測(cè)方法往往受到外部環(huán)境的較大影響，且大型建筑施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的視覺環(huán)境不佳，進(jìn)一步加重了變形監(jiān)測(cè)的難度和工作量。隨著GPS定位技術(shù)的迅速發(fā)展，其在大型建筑變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用已為從業(yè)人員所認(rèn)識(shí)，其精度也逐漸接近于傳統(tǒng)的常規(guī)測(cè)量方法，甚至在某些領(lǐng)域也優(yōu)于傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)，而GPS技術(shù)具有全天候、動(dòng)化程度高、實(shí)時(shí)、高精度、動(dòng)態(tài)、自不受能見度條件影響等優(yōu)點(diǎn)，在建筑變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域逐步取得長(zhǎng)足進(jìn)展，其精度也逐漸達(dá)到了相應(yīng)措施的要求，具有廣泛的應(yīng)用前景。