基于智云監(jiān)測技術(shù)的大型群體建筑沉降監(jiān)測研究

寇 琛，張 業(yè)，陳 軒，朱井學(xué)，張小剛，候 樂

(中建八局第一建設(shè)有限公司，山東 濟南 250100)

伴隨著基礎(chǔ)建設(shè)工作的持續(xù)推進，新型城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷發(fā)展，大量群體性建筑工程持續(xù)增加。相較于普通的單體建筑，群體性建筑施工過程中的非正常沉降概率更高，建筑的傾覆風(fēng)險更大。建筑物的非正常沉降將造成結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不同程度的質(zhì)量問題，甚至?xí)绊懡ㄖ锿度胧褂煤蠓€(wěn)定性和安全性[1-2]。施工過程中建筑物的沉降觀測是掌握建筑物沉降情況的重要舉措，對結(jié)構(gòu)非正常沉降的及時發(fā)現(xiàn)，并采取應(yīng)對措施，可有效避免建筑非正常沉降引起的結(jié)構(gòu)破壞。

施工過程中結(jié)構(gòu)的沉降觀測通常采用靜力水準儀，通過人工觀測的方法對結(jié)構(gòu)的沉降情況進行觀測，然而觀測結(jié)果的精確性往往受人為因素的影響較大。對于大型群體性建筑沉降觀測任務(wù)更為繁重，數(shù)據(jù)處理任務(wù)也更為繁雜，采用人工觀測的方法已無法滿足和適應(yīng)高精度觀測要求。近年來計算機技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)了飛躍式的發(fā)展，為結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測技術(shù)提供新的手段與技術(shù)，如曹金嘎[3]與李家春[4]采用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)對建筑深基坑與邊坡變形進行監(jiān)測，張隆偉[5]通過電子水準儀對邊坡沉降情況進行自動化監(jiān)測，吳俊[6]系統(tǒng)地闡述了自動化沉降、傾斜監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用中的工作原理。目前對于大型群樓的自動化沉降觀測技術(shù)，還鮮有探索研究，群樓自動化沉降觀測有待進一步的開發(fā)。

1 工程概況

鄭東新區(qū)科學(xué)谷數(shù)字小鎮(zhèn)建設(shè)項目（一期）EPC 總承包第二標段位于鄭州市鄭東新區(qū)云溪北路以南，東科路以東，雁鳴路以西，云溪以北，總建筑面積48.45 萬m2，其中地上建筑面積共計約30.75 萬m2，地下建筑面積共計約17.70 萬m2。項目共有單體56 棟，辦公、配套商業(yè)、學(xué)校、綜合展覽館單體23 棟，住宅區(qū)單體33 棟，屬于大型群體性建筑，施工過程中結(jié)構(gòu)的沉降觀測難度大，監(jiān)測數(shù)據(jù)繁重。

該工程用地范圍內(nèi)水位較高、土質(zhì)松軟，建筑物的大幅變形風(fēng)險較大。項目針對變形觀測的各種復(fù)雜因素，采用先進的智能云監(jiān)測技術(shù)，建立了群樓變形監(jiān)測平臺。采用本云監(jiān)測系統(tǒng)平臺，可實現(xiàn)主體沉降的精準監(jiān)測，以及大幅變形狀態(tài)下的變形預(yù)警。

2 智云監(jiān)測系統(tǒng)

本工程基于壓差式靜力水準儀、北斗云數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、GNSS 監(jiān)測傳感器、物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)服務(wù)平臺（GIS）、5G 智能終端數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)等，建立了智云監(jiān)測系統(tǒng)，如圖1 所示。圖2 進一步給出了智云監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理，系統(tǒng)通過GNSS監(jiān)測傳感器內(nèi)嵌的北斗云系統(tǒng)對結(jié)構(gòu)實施精準定位，自主識別群樓結(jié)構(gòu)坐標位置的變化情況，系統(tǒng)自主獲取壓差式靜力水準儀的壓力測量值的變化，通過各測點的壓力變化量，進而分析地表的相對沉降高度。采用該智云監(jiān)測系統(tǒng)，可對建筑結(jié)構(gòu)的沉降情況進行智能化監(jiān)測，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形情況的實時精準監(jiān)測，以及沉降量的累計記錄。同時，當結(jié)構(gòu)的變形情況超過一定幅值時，系統(tǒng)將通過5G 智能終端進行報警提示，形成了識別-處理-反饋-預(yù)警為一體的大型群樓變形云監(jiān)測系統(tǒng)。

圖2 智云監(jiān)測系統(tǒng)原理圖

3 現(xiàn)場的測點布置

在車庫頂板上分區(qū)域設(shè)置監(jiān)測基準點，沿各主樓負一層區(qū)域?qū)ΨQ布置靜力水準儀，對主樓的沉降進行監(jiān)測?，F(xiàn)場測點布置情況如圖3～圖4所示。在系統(tǒng)正式運行前，反復(fù)對整個云監(jiān)測系統(tǒng)進行調(diào)試，重點復(fù)核靜力水準儀的測試精度、信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性、GIS 平臺的穩(wěn)定運行情況，以保證整個測試數(shù)據(jù)的精準性與有效性。

圖3 某主樓區(qū)域內(nèi)的測點布置

圖4 現(xiàn)場測點布置

4 施工過程中的沉降觀測

工程基于智云監(jiān)測系統(tǒng)對結(jié)構(gòu)從1 層施工至頂層過程中的沉降情況進行了采集，獲得了結(jié)構(gòu)的實時沉降觀測值，對沉降數(shù)據(jù)進行智能處理，得到了結(jié)構(gòu)的累計沉降量。本文以群樓中某一單體建筑為例，給出1 個月內(nèi)該結(jié)構(gòu)的單日沉降量、累計沉降量情況，如圖5～6 所示。由圖可知，各測點觀測得到的結(jié)構(gòu)單日沉降量較為接近，累計沉降量的變化趨勢相同，隨著時間的推移，結(jié)構(gòu)累計沉降量近似呈線性增長的趨勢；各測點識別得到的結(jié)構(gòu)單日沉降量與累計沉降量分別位于0～0.2mm 與2.1～2.2mm 的范圍內(nèi)，滿足規(guī)范設(shè)計的要求[6]。

圖5 某主體結(jié)構(gòu)的單日沉降情況

圖6 某主體結(jié)構(gòu)的累計沉降情況

表1～表2 分別給出了1 個月內(nèi)主體的施工情況以及不同階段內(nèi)的累計沉降量。由表中的沉降數(shù)據(jù)可知，不同測點識別得到的結(jié)構(gòu)累計沉降量較為接近，結(jié)構(gòu)每增加一層的累計沉降量為0.5～0.6mm?？梢?，智云監(jiān)測系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性。

表1 現(xiàn)場施工情況

表2 智云監(jiān)測系統(tǒng)識別的累計沉降量（單位：mm）

5 智云監(jiān)測系統(tǒng)的精確性分析

為了進一步對智云監(jiān)測系統(tǒng)的精確性進行分析，沿主樓外側(cè)靠近壓力傳感器附近布置人工觀測點，對沉降數(shù)據(jù)進行復(fù)核。圖7 與表3 分別給出了人工監(jiān)測的測點布置與結(jié)構(gòu)不同施工階段的累計沉降量。將云監(jiān)測值與人工測量值進行對比，兩種方法得到的結(jié)果極為吻合。表4 給出了云監(jiān)測值與人工測量值兩者間的相對誤差，兩者的最大相對誤差為18.03%，智云監(jiān)測系統(tǒng)可以有效對結(jié)構(gòu)的沉降情況進行記錄。綜合上述對比結(jié)果可知，云監(jiān)測值與人工測量值兩者無明顯差異，智云監(jiān)測系統(tǒng)的精確性可以滿足工程實踐的要求，適用于大型群體性建筑的沉降觀測。

圖7 某主樓區(qū)域內(nèi)的人工測點布置

表3 人工監(jiān)測識別的累計沉降量 （單位：mm）

表4 云監(jiān)測系統(tǒng)的誤差分析

6 主體封頂后的沉降情況

工程基于智云監(jiān)測系統(tǒng)平臺對主體結(jié)構(gòu)封頂后的沉降情況進行了采集，獲得了結(jié)構(gòu)封頂后的累計沉降量。圖8 給出了某主體結(jié)構(gòu)封頂砌體施工階段30 天內(nèi)的累計沉降量，由圖可知，各測點識別得到的主體結(jié)構(gòu)沉降情況相吻合，在主體結(jié)構(gòu)封頂砌體施工階段，結(jié)構(gòu)的累計沉降情況趨于穩(wěn)定，相較于主體結(jié)構(gòu)施工階段，此階段內(nèi)結(jié)構(gòu)的累計沉降量相對較??；結(jié)構(gòu)在砌體施工階段30天內(nèi)的累計沉降增量均值為0.8mm。

圖8 某主體結(jié)構(gòu)的累計沉降情況

綜合上述，砌體施工引起的結(jié)構(gòu)沉降相對較小，結(jié)構(gòu)的沉降主要發(fā)生在主體施工階段。

7 與傳統(tǒng)沉降觀測技術(shù)的優(yōu)勢對比

大型群體性建筑沉降觀測，具有觀測難度大、數(shù)據(jù)采集信息量大、數(shù)據(jù)處理任務(wù)繁重等特點，人工方法對群樓的沉降情況進行觀測，無法有效的保證數(shù)據(jù)的精確性。智云監(jiān)測系統(tǒng)不僅可以有效地保證數(shù)據(jù)的精確性，極大地減輕人工觀測任務(wù)，而且可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)沉降量的實時精準監(jiān)測、數(shù)據(jù)的智能化處理。另一方面，從經(jīng)濟成本角度出發(fā)，人工成本已成為工程項目費用的最重要組成之一，智云監(jiān)測系統(tǒng)的綜合成本投入遠低于人工觀測的人工成本費用。

8 結(jié)論與展望

本工程基于壓差式靜力水準儀、北斗云數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)服務(wù)平臺（GIS）、5G 智能終端數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)等，建立了結(jié)構(gòu)沉降智云監(jiān)測系統(tǒng)。采用該智云監(jiān)測系統(tǒng)，可對結(jié)構(gòu)的沉降情況進行智能化監(jiān)測，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)沉降情況的實時精準監(jiān)測，以及沉降量的累計記錄。

采用智云監(jiān)測系統(tǒng)對大型群體性建筑進行沉降觀測，相較于傳統(tǒng)的人工沉降觀測技術(shù)，可實現(xiàn)沉降數(shù)據(jù)的智能化采集與處理，減輕人工的觀測任務(wù)，有效提高沉降觀測數(shù)據(jù)的精準性，降低項目沉降觀測的費用投入。

智云監(jiān)測系統(tǒng)的整體精度受周圍環(huán)境振動影響相對較大，周圍環(huán)境的劇烈振動會降低傳感器的計算精度。進一步提升傳感器的穩(wěn)定性，對提高云監(jiān)測系統(tǒng)整體精度和穩(wěn)定性具有重要意義。