GPS應(yīng)用于建筑物變形觀測的分析與研究

李小山 汪山林 趙華山

摘要：GPS技術(shù)的應(yīng)用，為導(dǎo)航定位以及測量等工作的發(fā)展帶來了革命性的改變。GPS技術(shù)具有速度快、全天候、自動化程度高、測站間無需通視、可以同時測定點(diǎn)的三維位移等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛地應(yīng)用于各種形式的變形監(jiān)測工作中。隨著我國工程建設(shè)的快速發(fā)展，對GPS的應(yīng)用也更加深入和廣泛，通過GPS技術(shù)，對各類建筑物的建設(shè)，以及使用等方面進(jìn)行全面、精確的觀測，保障建筑的質(zhì)量和安全，對我國建筑行業(yè)的發(fā)展和穩(wěn)定，做出了重要貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：GPS;建筑變形觀測;變化分析

Abstract： The application of GPS technology has brought revolutionary changes to the development of navigation and positioning and measurement. GPS technology has the advantages of fast speed， all-weather， high degree of automation， no intervisibility between stations， and can simultaneously measure three-dimensional displacement of points， so it is widely used in various forms of deformation monitoring. With the rapid development of China’s engineering construction， the application of GPS has become more in-depth and extensive. Through GPS technology， comprehensive and accurate observations are made on the construction and use of various types of buildings， ensuring the quality and safety of buildings， and making important contributions to the development and stability of China’s construction industry.

Keywords： GPS; building deformation observation; change analysis

一、前言

隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，各類大型項目工程的數(shù)量也在不斷地增多，因此，建筑的施工安全，以及工程質(zhì)量等問題，也逐漸成為建筑工程的主要關(guān)注焦點(diǎn)。建筑的形變通常包括建筑的本身的位移、人為原因造成的建筑物或地殼的改變。

這些位移或改變的出現(xiàn)，極易對工程質(zhì)量、安全等問題，造成極大的危害。而GPS應(yīng)用于建筑物變形觀測，能夠準(zhǔn)確的判斷出建筑物的變形情況，為維護(hù)等工作提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

二、建筑物變形監(jiān)測的必要性和重要性

（一）必要性

建筑物在施工過程中和使用期間，因受到工程的地質(zhì)條件、地基處理方法、建筑物的整體結(jié)構(gòu)等諸多客觀因素的影響，極有可能會導(dǎo)致建筑本身或四周的地形發(fā)生形變。建筑物由于本身的基礎(chǔ)及外部受力等因素的影響，也可能導(dǎo)致與建筑的內(nèi)部應(yīng)力出現(xiàn)抵制，造成建筑本身發(fā)生形變[1]。

建筑本身還是具有一定程度的承受性能，建筑物的形變在一定的范圍內(nèi)，是不會對建筑造成影響。但如果建筑所受的外部因素影響過大，使建筑產(chǎn)生的形變超出其本身的承受界限，就會導(dǎo)致建筑出現(xiàn)安全問題，可能會出現(xiàn)開裂、傾斜，甚至造成建筑物的整體坍塌。

監(jiān)測建筑的形變情況，分析造成建筑出現(xiàn)影響的因素，及時采取相應(yīng)的處理措施，消除建筑的安全隱患，對建筑工程的發(fā)展，以及我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)等都具有重要意義。

很多建筑工程都修建在人群密集的地方，因此，很多的建筑施工形式都是通過垂直開挖一類的方式進(jìn)行施工。而這種垂直開挖的施工形式，需要對基坑邊坡的土體進(jìn)行支撐，但由于基坑土體支撐的影響因素眾多，在施工的過程中很可能會出現(xiàn)形變問題，對建筑施工造成影響。

對于一些垂直施工的過程中，對周邊的地質(zhì)條件等因素，進(jìn)行監(jiān)測是非常有必要的。建筑物在使用的過程中，會受到諸多外部因素的影響，例如：人為因素、環(huán)境因素等多個方面，都可能造成建筑物發(fā)生形變。而這些形變會對建筑物造成一定的影響，如果建筑物的變形超出其本身的臨界點(diǎn)，很可能會導(dǎo)致建筑出現(xiàn)某些安全問題，造成不可預(yù)計的危害。

（二）重要性

隨著我國整體建設(shè)的快速發(fā)展，各類建筑的種類和數(shù)量也在不斷地在更多，而建筑物的安全問題，也逐漸成為建筑物的關(guān)注焦點(diǎn)。在很多的大型建筑物中，建筑變形情況層出不窮對人們的生命財產(chǎn)安全，帶來巨大的威脅[2]。因此，建筑物的安全監(jiān)測成為建筑管理一項基本工作，而建筑物變形監(jiān)測的具體方案，也更具建筑物的性質(zhì)，以及相應(yīng)的地基類型等，實(shí)施不同的監(jiān)測方法。

針對工業(yè)與民用建筑的主要監(jiān)測工作，包括有建筑物自身的變形監(jiān)測和地基基礎(chǔ)的沉降觀測。對建筑物自身的觀測，一般都是通過觀測建筑物的形態(tài)觀測，裂縫觀測、傾斜觀測。對于建筑物的地基沉降監(jiān)測，主要是觀察建筑物本身所出現(xiàn)的均勻沉降和不均勻沉降。對于一些高層的建筑物，還應(yīng)對建筑物的動態(tài)變形進(jìn)行監(jiān)測，例如：振動頻率、振幅大小和扭轉(zhuǎn)情況等。對于軍事設(shè)施和一些工業(yè)企業(yè)的監(jiān)測，主要是監(jiān)測建筑物的垂直位移和水平位移等情況。

針對水工建筑物，例如：土石壩一類的建筑物，為了能夠準(zhǔn)確了解建筑物本身的應(yīng)用狀態(tài)和安全性能，需要對建筑物本身進(jìn)行水平、垂直的位移情況、裂縫及滲透情況的觀測。而對于一些混凝土壩的監(jiān)測，由于壩體體重、外界溫度變化、水壓力等因素的綜合作用，主要進(jìn)行垂直位移、水平位移以及伸縮縫的觀測，這些通常都成為外部變形觀測。為了詳細(xì)了解土壩結(jié)構(gòu)內(nèi)部的情況，還應(yīng)該對水工建筑的溫度、鋼筋應(yīng)力、混凝土應(yīng)力等方面進(jìn)行監(jiān)測，這些統(tǒng)稱為內(nèi)部觀測。

地面沉降是一種較為常見，但影響巨大的沉降問題。在一些建立在江河中下游沖積層上的城市，由于長期以來工業(yè)用水和民用水，對于地下水過量的抽取，導(dǎo)致地面發(fā)生一定的沉降現(xiàn)象[3]。在一些礦產(chǎn)資源染豐富的地區(qū)中，由于地下礦產(chǎn)大量的開采導(dǎo)致地表發(fā)生沉降現(xiàn)象。沉降現(xiàn)象嚴(yán)重的城市中，在暴雨后極易出現(xiàn)大范圍的積水，對群眾的生命財產(chǎn)安全造成嚴(yán)重的影響，甚至對以下地下管線造成破壞，對城市的公共設(shè)施造成嚴(yán)重的損害（圖1為觀測工具）。

三、傳統(tǒng)觀測方法及影響因素

變形監(jiān)測是對建筑物施工建設(shè)和建筑物使用過程的一種監(jiān)測。傳統(tǒng)的建筑變形觀測水平位移觀測，一般選用視準(zhǔn)線法、交會法等方法進(jìn)行觀測。沉降觀測是選用精密較高的機(jī)械設(shè)備對建筑物的變形情況進(jìn)行定期觀測。但傳統(tǒng)的觀測方法，雖然應(yīng)用非常方便，但是極易受外界因素的影響，主要影響因素如下。

（一）溫度變化的影響

傳統(tǒng)的建筑物變形觀測所應(yīng)用的儀器，大多是光學(xué)測量儀器。而溫度的變化對光學(xué)觀測儀器的精度有極大的影響，儀器的視角會隨著溫度的變化而出現(xiàn)不同的變化，因此，應(yīng)用光學(xué)儀器觀測建筑物的變形情況，如果不能掌握觀測的某些規(guī)律，就會對精度造成極大的影響[4]。

在一些大型的工程項目中，因為有很多的地方需要進(jìn)行觀測，所需的時間很長，但為了保障工程的建設(shè)質(zhì)量，只能采用分塊測量的方法進(jìn)行觀測，極大的損耗人力和物力，對工程建設(shè)進(jìn)程造成一定的阻礙。

（二）大氣垂直折光的影響

大氣垂直折光的影響，主要集中在沉降觀測中。由于大氣垂直對光的折射影響，會使觀測的視線出現(xiàn)改變，進(jìn)而使讀數(shù)出現(xiàn)不同程度的誤差。在平坦的地區(qū)，當(dāng)觀測前后視距相同時，大氣垂直折光對前、后視讀數(shù)的影響，在符號和數(shù)值上都是一樣的，在非平坦區(qū)域中就不會存在這種誤差的影響。但如果沿著一條具有一定坡度的路線進(jìn)行測量，則每一站的后視視線，比前視視線距離更近，大氣垂直折光前、后視讀數(shù)的影響并不相同，高差中將產(chǎn)生系統(tǒng)性質(zhì)的誤差。

以當(dāng)前的沉降觀測實(shí)際應(yīng)用來看，受到一些施工現(xiàn)場的客觀因素影響，在觀測中無法使前后視距相等，和讓水準(zhǔn)路線基本位于同一水平面，是大氣垂直折光對沉降觀測的影響始終存在著。

（三）儀器和水準(zhǔn)標(biāo)尺垂直位移的影響

儀器及水準(zhǔn)標(biāo)尺的垂直沉降，是精密水準(zhǔn)測量中系統(tǒng)誤差的重要來源之一。如果儀器的水準(zhǔn)隨時間下沉，當(dāng)讀完后視讀數(shù)后，再轉(zhuǎn)向前視讀數(shù)時，由于儀器下沉導(dǎo)致前視讀數(shù)變小;如果標(biāo)尺隨時間下沉，將會使下一站的后視讀數(shù)偏大[5]。

在一些項目工程的施工過程中，由于施工現(xiàn)場管理不規(guī)范，常常導(dǎo)致固定的導(dǎo)線或水準(zhǔn)路線遭到改變，導(dǎo)致儀器的觀測精度發(fā)生變化，難以準(zhǔn)確判斷建筑的水平位移或豎向位移的情況，為建筑的質(zhì)量埋下了極大的安全隱患。

四、GPS觀測的優(yōu)點(diǎn)

（一）GPS具有較高的定位精度

GPS是一項效果很好地定位技術(shù)，而且，經(jīng)相關(guān)研究表明GPS具有很高的定位精度。在應(yīng)用GPS進(jìn)行定位觀測是，如果按照正常的規(guī)范性操作，結(jié)合相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理辦法，甚至能夠?qū)⒂^測的精度進(jìn)一步的調(diào)高。在一些大型的建筑物的變形觀測過程中，應(yīng)用GPS進(jìn)行觀測，然后將觀測數(shù)據(jù)應(yīng)用相對應(yīng)的軟件和數(shù)據(jù)模型進(jìn)行處理，能夠使建筑物的變形觀測效果，能夠達(dá)到極高的精度，如圖2。

（二）GPS自動化程度高，觀測時間短

在當(dāng)前的GPS技術(shù)在建筑物的觀測過程中，只需要將相應(yīng)的GPS設(shè)備安放在相應(yīng)的測量位置上，并對相應(yīng)的環(huán)節(jié)調(diào)試準(zhǔn)確，在啟動接收單元后，接收機(jī)就可以自動開始工作，對建筑物的變形情況進(jìn)行測量。應(yīng)用GPS進(jìn)行靜態(tài)定位觀測是，可以將相應(yīng)的建筑物的相關(guān)數(shù)據(jù)采集時間縮短為1小時左右，精度不會超出正常的誤差范圍。

如果在相應(yīng)的GPS設(shè)備中安裝快速定位軟件，對于雙頻接收機(jī)來說，采集完整的定位信息，只需要短短的五分鐘左右;而對于單頻接收機(jī)而言，只要能夠觀測到5顆衛(wèi)星，采集完整的觀測數(shù)據(jù)，并保持在合理的誤差范圍內(nèi)，也只需要15分鐘左右[6]。

（三）GPS可以進(jìn)行全天候觀測

傳統(tǒng)的建筑物變形觀測方法，受環(huán)境等因素的影響程度極大，很難得到準(zhǔn)確的觀測數(shù)據(jù)。而GPS定位設(shè)備，能夠快速的對建筑物的變形情況完成觀測，且受環(huán)境等客觀因素的影響程度非常小，可以進(jìn)行全天候的工作，極大的保障工程的建設(shè)進(jìn)度和觀測工作的進(jìn)度，也保障觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)性[7]。

圖3為GPS自動化監(jiān)測系統(tǒng)，通過GPS對建筑的全天候自動化監(jiān)測，能夠準(zhǔn)確的分析建筑物的變形情況，并作出風(fēng)險的預(yù)警。

（四）應(yīng)用GPS能夠減少觀測的經(jīng)濟(jì)成本

在傳統(tǒng)的建筑物的變形觀測中，為了保障觀測工作的全面性和準(zhǔn)確性，需要消耗大量的人力物力進(jìn)行觀測工作。但由于受一些客觀因素或觀測方法本身所制約，觀測的質(zhì)量始終難以提高，且為了保障觀測數(shù)據(jù)的全面，必須要對建筑物進(jìn)行全面、長時間的觀測，極大的損耗人力和物力[8]。

而應(yīng)用GPS對建筑物進(jìn)行觀測，能夠快速完成觀測工作，且對于一些長期觀測的建筑物，可以利用一些GPS設(shè)備設(shè)置觀察點(diǎn)，對建筑物進(jìn)行實(shí)時觀察，保障觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，極大的降低觀測所需的成本。

五、GPS應(yīng)用于變形觀測

經(jīng)過國內(nèi)外的一些工程應(yīng)用實(shí)踐，表明GPS應(yīng)用于建筑物的觀測，具有很好的觀測效果，且隨著GPS觀測技術(shù)的深入應(yīng)用，觀測技術(shù)和觀測精度都有了巨大的提升。在我國的當(dāng)前的建筑物GPS觀測的應(yīng)用總能，GPS具有極大的觀測精度，且操作簡單。而且，隨著GPS相關(guān)技術(shù)的不斷地開發(fā)研究，GPS對于建筑公的發(fā)展的影響也越來越深，且美國隨著GPS技術(shù)應(yīng)用的范圍更加廣泛，也開放更多的應(yīng)用頻率，對GPS技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展產(chǎn)生極大的推動。

對于一些建筑物的水平位移觀測準(zhǔn)確度來說，現(xiàn)有的GPS觀測精度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過全站儀、加速傳感器和激光準(zhǔn)直等儀器的觀測精度。但在建筑物沉降觀測的領(lǐng)域中，GPS高程分量的相對閉合差小于或等于相應(yīng)等級的幾何水準(zhǔn)測量的相對閉合差，由于觀測時受諸多客觀因素的影響，導(dǎo)致GPS在沉降觀測中的應(yīng)用還存在的一些不足。

通常情況下，建筑物的沉降觀測點(diǎn)與沉降工作基點(diǎn)的距離不會超過一公里。在這個區(qū)域內(nèi)，如果觀測環(huán)境的影響因素較少，結(jié)合相匹配的觀測數(shù)據(jù)處理軟件，能夠盡可能的將誤差降到最小。

由此來看，GPS誤差的主要來源是觀測誤差和接收設(shè)備的誤差。諸如天線相位中心的對中誤差等因素。如果在實(shí)際的觀測過程中，加強(qiáng)對天線長度的控制，能夠極大的提升建筑的GPS觀測精度。

六、結(jié)論

綜上所述，目前，在建筑物的變形觀測中，GPS技術(shù)得到了極大的應(yīng)用，無論是觀測精度，還是客觀影響因素的控制，都得到極大的提升。但在部分方面仍存在一定的不足，隨著科學(xué)技術(shù)的不=斷發(fā)展，以及信息技術(shù)、電子技術(shù)的深入融合，使GPS對建筑物的觀測水平也在不斷地提高，不斷地提升建筑物變形的觀測效率和質(zhì)量，為我國建筑行業(yè)的發(fā)展、穩(wěn)定做出更大的貢獻(xiàn)。

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