高層建筑物沉降監(jiān)測(cè)成果可視化方法研究

郭樹(shù)森，黃新民，鄧建林，胡伍生

(1.東南大學(xué)交通學(xué)院，江蘇 南京 210096；2.如皋市勘測(cè)院有限公司，江蘇 如皋 226500；3.如皋市基礎(chǔ)地理信息中心，江蘇 如皋 226500)

0 引 言

高層建筑物是指建筑層數(shù)達(dá)到10層以上、建筑高度不低于24 m的住宅建筑物或不低于28 m的其他民用性建筑物[1]。自21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)基建發(fā)展迅速，高層建筑物在全國(guó)各地立地而起。高層建筑物的大量興建給人民帶來(lái)便利、快捷的生活的同時(shí)也隱含了一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。在多種內(nèi)外因素影響下，建筑物會(huì)發(fā)生以沉降、傾斜為主的變形，當(dāng)建筑物變形量超過(guò)規(guī)定的設(shè)計(jì)限值時(shí)，會(huì)對(duì)建筑物自身的結(jié)構(gòu)和居民的生命、財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)巨大的危害。而導(dǎo)致建筑物變形的原因中，不均勻沉降不僅危害最大，而且也是導(dǎo)致傾斜與裂縫產(chǎn)生的主要原因?，F(xiàn)今，建筑物正朝著樓層高、體積大、重量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等方向發(fā)展，因此非常有必要在建筑物施工建設(shè)與運(yùn)營(yíng)管理期實(shí)施定期的沉降監(jiān)測(cè)，從而確保建筑物的安全。

建筑物沉降監(jiān)測(cè)是根據(jù)建筑物地理位置與周邊環(huán)境情況，結(jié)合國(guó)家和地方標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，設(shè)置一系列水準(zhǔn)點(diǎn)與沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)建筑物進(jìn)行周期性觀測(cè)，通過(guò)數(shù)據(jù)表達(dá)其沉降程度[2]。而沉降監(jiān)測(cè)成果可視化是借助圖形化手段，對(duì)沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形、圖像以及動(dòng)態(tài)表達(dá)，清晰快速地向施工與建設(shè)單位傳達(dá)建筑物的沉降情況。當(dāng)前，建筑物沉降監(jiān)測(cè)成果可視化大多采用表格、曲線圖、條形圖等可視化方法形成監(jiān)測(cè)報(bào)表綜合表達(dá)建筑物沉降情況。這些方法雖然能較為全面地反映建筑物沉降情況，但可視化效果一般。本文將圍繞某市某高層建筑物的沉降監(jiān)測(cè)成果研究沉降成果可視化表達(dá)的幾種方法及其內(nèi)涵。

1 工程概況

1.1 建筑物建設(shè)情況

A#大樓位于某市市區(qū)C小區(qū)內(nèi)，于2013年4月開(kāi)始施工。A#大樓建設(shè)樓層高度68 m，地下1層，地上23層。2015年12月，施工單位開(kāi)始對(duì)已封頂?shù)腁#大樓進(jìn)行高精度變形監(jiān)測(cè)，分析其在施工后期的變形情況。沉降監(jiān)測(cè)采用一等精密水準(zhǔn)測(cè)量，沿用A#大樓的獨(dú)立高程系統(tǒng)建立高程監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)。沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)共布設(shè)10個(gè)，點(diǎn)間距8～15 m，均在地基以上0.5～0.8 m(圖1)。沉降監(jiān)測(cè)時(shí)間為2015.12.11～2019.11.9，觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)1 430 d，觀測(cè)次數(shù)為599次，平均觀測(cè)周期為2.4 d/次。

圖1 A#大樓沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)圖

1.2 可視化需求

可視化是運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與圖像處理技術(shù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形、圖像，通過(guò)在顯示器屏幕上顯示，并進(jìn)行交互處理的理論、方法與技術(shù)。自1987年2月美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)“科學(xué)計(jì)算之中的可視化”研討會(huì)中將可視化正式定義為一門研究學(xué)科以來(lái)，可視化技術(shù)迅速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外計(jì)算機(jī)軟件公司出品了一批商業(yè)化的可視化軟件、系統(tǒng)以及具有可視化功能的數(shù)據(jù)分析軟件。另外也有不少的學(xué)者將可視化技術(shù)應(yīng)用于建筑物變形監(jiān)測(cè)監(jiān)測(cè)中：陳曉龍[3]運(yùn)用OpenGL軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)大型橋梁變形監(jiān)測(cè)成果的三維動(dòng)態(tài)可視化表達(dá)；馬路濱[4]就建筑物基坑監(jiān)測(cè)開(kāi)發(fā)了基于GIS平臺(tái)的基坑變形監(jiān)測(cè)三維可視化模擬系統(tǒng)；丘穎新[5]運(yùn)用BIM技術(shù)對(duì)高速鐵路變形監(jiān)測(cè)進(jìn)行三維可視化表達(dá)。在本文中，我們運(yùn)用可視化軟件Matlab與可視化庫(kù)Highcharts分別實(shí)現(xiàn)A#大樓沉降監(jiān)測(cè)成果的二維、三維及動(dòng)態(tài)可視化表達(dá)。

2 二維可視化表達(dá)

2.1 沉降曲線圖

曲線圖是變形監(jiān)測(cè)成果分析中最常見(jiàn)的二維可視化方法，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，信息表達(dá)直觀明了，能有效表達(dá)各種變形信息。曲線圖主要分為單縱軸曲線圖與雙縱軸曲線圖，而后者是前者的改進(jìn)，能同時(shí)展示不同類型的信息。我們根據(jù)A#大樓的沉降觀測(cè)成果運(yùn)用自編軟件繪制時(shí)間-荷載-沉降量曲線圖(雙縱軸)(圖2)。

如圖2所示，A#大樓各沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)在大概在750 d后沉降速率減小，趨于平緩。而在900 d后各沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降速率趨近于0，沉降曲線趨近于水平線。根據(jù)《建筑變形測(cè)量規(guī)范》5.5.5規(guī)定，可以認(rèn)為A#大樓在沉降監(jiān)測(cè)后期處于穩(wěn)定階段。時(shí)間-荷載-沉降量曲線，可以較直觀地反映建筑物不同時(shí)期內(nèi)的沉降情況。

圖2 A#大樓時(shí)間-荷載-沉降量曲線圖

2.2 沉降量等值線圖

等值曲線圖是工程建設(shè)行業(yè)上應(yīng)用最廣泛、信息表達(dá)最形象的可視化方法之一。等值曲線圖是以數(shù)值相等的各點(diǎn)連成曲線，投影到平面上表示被攝對(duì)象的外表特征的二維圖像。在測(cè)繪、地理信息與土木行業(yè)上，等值曲線圖常采用的形式為等高線圖，并且有很多繪圖軟件具有繪制等值曲線的功能。繪制等值曲線圖的關(guān)鍵在于如何根據(jù)給定的三維地理數(shù)據(jù)，選擇合適的插值與離散算法，從而得到既符合實(shí)際、又直觀形象的等值曲線圖。在本小節(jié)中，我們將根據(jù)A#大樓2019年11月9日的沉降監(jiān)測(cè)成果，運(yùn)用數(shù)學(xué)軟件Matlab繪制A#大樓的“沉降量等值線圖”(圖3)。

圖3 A#大樓沉降量等值線圖

根據(jù)圖3，可以看出在2019年11月9日，A#大樓南部沉降量普遍大于北部沉降量，南部沉降量最大的地方分別位于東南角與西南角，整棟大樓東西兩端沉降量大，中部沉降量小。根據(jù)某一時(shí)刻的建筑物等值沉降曲線圖，可以更直觀、清楚的觀察到該時(shí)刻建筑物各部分的沉降情況。

3 三維可視化表達(dá)

三維可視化是借助三維立體技術(shù)，根據(jù)被攝對(duì)象的數(shù)據(jù)建立三維模型，將被攝對(duì)象立體化呈現(xiàn)的可視化方法。與二維可視化相比，三維可視化不僅具有立體感、更真實(shí)、形象的表達(dá)效果，而且還能載負(fù)、表達(dá)更多被攝對(duì)象特征信息的優(yōu)點(diǎn)。近十幾年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與圖形設(shè)備的發(fā)展，二維可視化無(wú)法滿足測(cè)繪、土木等工科行業(yè)的需求，三維可視化由此嶄露頭角，并快速發(fā)展為一個(gè)研究方向。我們沿用A#大樓沉降觀測(cè)成果，運(yùn)用Matlab繪制A#大樓沉降三維曲面圖。三維曲面圖的繪制原理、方法與等值曲線圖一致，只是無(wú)須將建立的三維模型調(diào)整為二維俯視視角。A#大樓三維曲面如圖4所示。

圖4 A#大樓三維曲面圖

根據(jù)圖4，可以看出截至2019年11月9日，A#大樓南部沉降量普遍大于北部沉降量，并且大樓東西兩端的沉降量大，中部沉降量少。整幢大樓西南角沉降量最大，正北處沉降量最小。與圖3等值曲線圖相比，三維曲面圖能更明顯、形象地反映建筑物各部分的沉降情況。

4 動(dòng)態(tài)可視化表達(dá)

動(dòng)態(tài)可視化是對(duì)被攝對(duì)象的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將其靜態(tài)圖表、圖像動(dòng)態(tài)化，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)更新的可視化方法。動(dòng)態(tài)可視化作為當(dāng)今可視化領(lǐng)域的一個(gè)新穎的研究方向，與三維可視化相比，具有自動(dòng)更新、更加形象的特點(diǎn)。特別是在計(jì)算機(jī)信息技術(shù)領(lǐng)域中，衍生一批直接用于動(dòng)態(tài)可視化的商業(yè)軟件與開(kāi)源可視化庫(kù)，為各行各業(yè)的報(bào)表數(shù)據(jù)提供了動(dòng)態(tài)可視化的實(shí)現(xiàn)可能。近幾年來(lái)，動(dòng)態(tài)可視化也在測(cè)繪、土木等工程建設(shè)行業(yè)中興起，更有一些研究機(jī)構(gòu)嘗試三維與動(dòng)態(tài)可視化結(jié)合的實(shí)現(xiàn)，但是動(dòng)態(tài)可視化發(fā)展時(shí)間較短，發(fā)展方向較窄，實(shí)現(xiàn)成本普遍高于三維可視化，因此工程建設(shè)行業(yè)在可視化上的研究重心仍然是以三維可視化為主。我們根據(jù)沉降觀測(cè)成果，運(yùn)用可視化庫(kù)Highcharts繪制A#大樓動(dòng)態(tài)沉降態(tài)曲線圖(圖5)。

圖5 A#大樓動(dòng)態(tài)曲線截圖

Highcharts是挪威Highsoft公司開(kāi)發(fā)的基于JavaScript編程的可視化庫(kù)。Highcharts提供了大量的可視化模板與對(duì)應(yīng)的源代碼，操作用戶可以根據(jù)自己的需求選擇可視化模板與源代碼并進(jìn)行編輯修改。運(yùn)用Highcharts繪制動(dòng)態(tài)曲線的原理主要分為數(shù)據(jù)格式的調(diào)整、程序代碼的編寫、程序讀取數(shù)據(jù)，生成動(dòng)態(tài)曲線、根據(jù)可視化成果修改程序代碼并調(diào)試4個(gè)環(huán)節(jié)。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)曲線圖、等值線圖等二維可視化方法、表格再加上必要的文字闡述所組成的變形監(jiān)測(cè)成果報(bào)表雖然存在可視化效果一般的缺點(diǎn)，但仍能全面、直觀地反映被監(jiān)測(cè)對(duì)象的變形情況，并且實(shí)現(xiàn)效率高，基本滿足工程建設(shè)行業(yè)的實(shí)際需求。

(2)動(dòng)態(tài)可視化作為當(dāng)今可視化領(lǐng)域的一個(gè)新穎的研究方向，具有更加形象直觀的特點(diǎn)。本文運(yùn)用可視化庫(kù)Highcharts實(shí)現(xiàn)了A#大樓動(dòng)態(tài)沉降態(tài)曲線圖，應(yīng)用效果更好。