建筑物傾斜監(jiān)測新方法的研究及其應(yīng)用

張貴鑫

摘? ?要：建筑物變形監(jiān)測中，傾斜監(jiān)測工作是保障既有建筑基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)安全的重要安全監(jiān)控環(huán)節(jié);目前采用的常規(guī)監(jiān)測方法存在實施困難、監(jiān)測頻率低、時效性差、精度難保障等問題，難以保障建筑物傾斜監(jiān)測的有效性。本文提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的建筑物傾斜監(jiān)測方法，提高監(jiān)測頻率和適用性，創(chuàng)新了建筑傾斜監(jiān)測作業(yè)方法。

關(guān)鍵詞：建筑物傾斜? 監(jiān)測? 傾斜傳感器? 自動化

中圖分類號：TU196.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）09（c）-0154-03

隨著現(xiàn)代社會不斷發(fā)展，超高層建構(gòu)筑物數(shù)量的不斷增加，建構(gòu)筑物變形產(chǎn)生的安全隱患也不斷受到重視，而建筑物傾斜監(jiān)測數(shù)據(jù)在建筑物變形監(jiān)測中起到關(guān)鍵性參考作用。建筑物發(fā)生傾斜不僅對已有建筑有安全隱患存在，而且影響著施工中的高層建筑的施工質(zhì)量和安全。建筑物傾斜監(jiān)測可評估建構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)，及時做好對建筑物維護和管理，防范傾斜變形引起的安全問題。

當(dāng)前建筑物傾斜涉監(jiān)測項目中，既要避開風(fēng)荷載和強日照影響大的時間段又對控制點的選取較苛刻;作業(yè)環(huán)境約束著常規(guī)傾斜監(jiān)測方法，成為阻撓監(jiān)測正常進(jìn)行的主要原因之一，各常規(guī)傾斜監(jiān)測方法又存在各自難以克服的缺陷。

1? 常規(guī)的建筑物傾斜監(jiān)測方法

1.1 全站儀監(jiān)測

（1）投點法：采用全站儀照準(zhǔn)建筑物頂部固定位置，豎軸投射到建筑物底部同一水平線，對建筑物兩垂直面進(jìn)行觀測根據(jù)兩周期觀測點在建筑底部水平線上偏差值計算位移量，通過位移矢量與觀測點高度比值計算建筑傾斜率;此方式觀測對全站儀選站要求高（宜選在與傾斜方向成正交的方向線上測站點不少于2個），觀測環(huán)境通視要求高（距照準(zhǔn)目標(biāo)1.5～2.0倍目標(biāo)高度的固定位置），觀測所需時間長監(jiān)測頻率低。

（2）前方交會法：觀測點與基準(zhǔn)線必須滿足要求，交會角宜60°～120°。采用兩周期方向值差值推算坐標(biāo)變化量。此方式觀測對全站儀選站要求高，難已選取基準(zhǔn)線與觀測點組成的最佳構(gòu)形。同時，以上兩種方式，應(yīng)用于超高層建筑傾斜觀測時，難以在合適的視線長度和合適的豎直角之前平衡，這兩個因素過大都會影響觀測精度。

1.2 激光掃描測量與近景攝影測量

通過激光掃描或近景攝影的方式準(zhǔn)確、快速、批量地掃描或拍攝變形體。通過變形體數(shù)字影像的特征點的像點位置坐標(biāo)數(shù)值經(jīng)過批量轉(zhuǎn)換計算變形量。適合建筑上監(jiān)測點數(shù)量較多時實施;這種監(jiān)測方法實施成本高，對監(jiān)測人員要求高，勞動強度大、工作效率低、量測精度差。

1.3 激光鉛垂監(jiān)測

利用建構(gòu)筑物底部與頂部豎向通視條件，安置激光鉛直儀或激光經(jīng)緯儀，通過激光接收靶讀取和量測水平位移量和位移方向。作業(yè)時要求儀器嚴(yán)格對中置平、并通過回程180°取中值。對于超高層建筑通視要求高精度難把控還需要考慮大氣湍流的影響。

1.4 相對沉降差法

采用測定變形體基礎(chǔ)間的相對沉降量換算求得建筑整體傾斜率及傾斜方向。此作業(yè)方法以基礎(chǔ)傾斜代表建筑整體傾斜適用于剛性結(jié)構(gòu)建筑物，對于非剛性結(jié)構(gòu)建筑物難以實施且勞動強度大，工作效率低。

2? 無線傾角儀實時監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 設(shè)備組成

無線傾角儀實時監(jiān)測系統(tǒng)是由無線傾角儀模塊、太陽充電板、采集軟件組成。具備實時采集數(shù)據(jù)，傳輸數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)及信息反饋一體化傾斜監(jiān)測一體化系統(tǒng)。

2.1.1 采集軟件

主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)的接收和處理，對傾角儀模塊初始化以及設(shè)置預(yù)警值等操作，數(shù)據(jù)展示部分展示包括實時狀態(tài)和數(shù)據(jù)記錄（見圖1）。

2.1.2 傾角儀模塊

如圖2，無線傳輸傾角儀設(shè)備構(gòu)成是由傾角儀模塊雙軸傾斜傳感器、集成電路、3G單點傳輸模塊、內(nèi)置鋰電池、太陽能供電板組成。同時具備超長待機，根據(jù)自主設(shè)定采集頻率和傳輸頻率滿足實時監(jiān)測需求。傾斜傳感器采用一種基于高精度半導(dǎo)體角度應(yīng)變雙軸傾角傳感器和數(shù)字集成電路，雙軸可以測相對于正交兩個軸的角度變化。當(dāng)傾斜傳感器靜止時也就是側(cè)面和垂直方向沒有加速度作用，那么作用在它上面的只有重力加速度。重力垂直軸與加速度傳感器靈敏軸之間的夾角就是傾斜角。重力擺錘位與電阻器圓心鏈接，當(dāng)裝置傾斜時擺錘始終垂直地面從而轉(zhuǎn)動電阻器改變輸出信號值，經(jīng)數(shù)據(jù)采集計算后得到相應(yīng)傾斜值。

2.1.3 傳輸模式

采用單點傳輸，可使用移動或聯(lián)通3G或定制其他通訊模塊實現(xiàn)實時監(jiān)測目的。模塊終端通過集成電路設(shè)置在指定時間內(nèi)下載主機設(shè)置的采集頻率、傳輸頻率等參數(shù);按照設(shè)置的指定時間傳輸數(shù)據(jù)（最小采集間隔5min最小傳輸間隔10min），當(dāng)數(shù)據(jù)采集值超過設(shè)定的預(yù)警值時終端啟動時傳輸機制，保證監(jiān)測實時性;傳輸數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)存儲于固定服務(wù)器內(nèi)部，建筑物傾斜監(jiān)測系統(tǒng)在確定開始監(jiān)測時間后自動抓取服務(wù)器數(shù)據(jù)，自主運算傾斜率累計變化量、本次變化及變化速率。

2.2 數(shù)據(jù)對比測試

2.2.1 測試方法

在采用投點法對建筑物傾斜監(jiān)測過程中利用將無線傾角儀安置建筑物上照準(zhǔn)部位置如圖3～5;通過同日同時取初值，在等周期兩次數(shù)據(jù)的采集比對判斷設(shè)備數(shù)據(jù)可靠性。

2.2.2 測試結(jié)果

從已經(jīng)試驗的工地來看，以下為實驗數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)列表表明8月12日投點法與傾角儀最大位移差值為1.5mm最小差值為0.1mm，最大傾斜率差值為0.42‰，最小傾斜率差值為0.03‰。傾斜率曲線走向及趨勢基本一致，符合度較好。

3? 設(shè)備需完善方面

（1）實驗過程遇南方雨季，高溫高濕環(huán)境下防水性能較差，部分設(shè)備出現(xiàn)因設(shè)備短路引起的數(shù)據(jù)異常率高。目前通過提升設(shè)備防水等級設(shè)計，得到較好解決。

（2）內(nèi)置傳感器受氣溫影響高，在長期日照高溫數(shù)據(jù)波動較大;同時發(fā)現(xiàn)內(nèi)置傳感器受工地基礎(chǔ)施工時產(chǎn)生振動對數(shù)據(jù)引起偏差。

4? 結(jié)語

采用無線傾角儀監(jiān)測建筑物傾斜，可以節(jié)約成本較多并可以增加監(jiān)測頻率。因安裝位置較好保護所以回收率較高，對比傳統(tǒng)埋設(shè)方式埋設(shè)成本雖沒有較多提升，但在過程實施監(jiān)測中只需安排階段性對設(shè)備進(jìn)行維護其人員成本極低。大大縮減了建筑物傾斜監(jiān)測的成本支出，提高了生產(chǎn)效率。

傾角儀的投入使用擺脫了常規(guī)監(jiān)測中受作業(yè)環(huán)境的束縛，對于通視較差的及高層建筑的測量環(huán)境也能較好地適用，克服了常規(guī)監(jiān)測方式的局限性。安裝簡單使用便捷：測量使用的無線傾角傳感器是內(nèi)置電池采用太陽能供電，與服務(wù)器之間使用無線通信，無需布線，安裝簡單，也不會破壞建筑整體性。同時滿足了工程監(jiān)測的遠(yuǎn)程自動化要求。

較高精度：測量模塊搭載的是高精度雙軸傾角傳感器，滿足測量需求，可精準(zhǔn)的識別建筑的細(xì)微結(jié)構(gòu)形變。

無線傾角儀設(shè)備處于第一代測試原型，技術(shù)性能及穩(wěn)定性有待優(yōu)化和挖掘，仍需進(jìn)一步研究和應(yīng)用測試。

另：研發(fā)、測試、應(yīng)用全過程得到了領(lǐng)導(dǎo)、同事的大力支持，也得到了行業(yè)相關(guān)檢測單位的大力配合，在此表示衷心感謝。

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