建筑物沉降、傾斜自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)探究實(shí)踐思考*

池匯海 伍砥柱 殷才華

貴州中建建筑科研設(shè)計(jì)院有限公司 貴州 貴陽 550009

引言

在建筑物施工過程中，做好沉降和傾斜監(jiān)測，屬于非常重要的工作內(nèi)容。根據(jù)所得到的監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以對建筑物后期沉降/傾斜速度、后期沉降/傾斜總量等參數(shù)進(jìn)行科學(xué)預(yù)估，及時(shí)采取措施對其進(jìn)行處理，從而將建筑物沉降、傾斜量控制在安全范圍內(nèi)，提高建筑物工程的穩(wěn)固性。

1 沉降監(jiān)測要點(diǎn)

1.1 布設(shè)工作基點(diǎn)

在建筑物沉降監(jiān)測中，布設(shè)工作基點(diǎn)屬于非?；A(chǔ)的工作內(nèi)容。在具體布設(shè)中需要綜合考慮建筑物形狀、結(jié)構(gòu)方式、地形條件、地質(zhì)參數(shù)、樁基礎(chǔ)類型等因素，選擇可以敏感反應(yīng)建筑物沉降狀態(tài)的位置。同時(shí)對于沉降監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量進(jìn)行控制，例如，在高層建筑物沉降監(jiān)測活動(dòng)中，需要布設(shè)三個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，布設(shè)點(diǎn)和建筑物之間的距離控制在50～100m，以滿足沉降監(jiān)測要求。另外，應(yīng)建立固定的觀測路線，對于架設(shè)儀器的站點(diǎn)和轉(zhuǎn)點(diǎn)做好標(biāo)注，確保初始數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性。

1.2 觀測周期

合理地觀測周期可以直觀反映出目前該建筑的沉降狀態(tài)，這也要求開展監(jiān)測任務(wù)前，需做好統(tǒng)籌規(guī)劃工作，明確時(shí)間間隔，以獲取到完整的監(jiān)測數(shù)據(jù)。基于以往的作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，在施工期間展開沉降監(jiān)測活動(dòng)時(shí)，時(shí)間間隔多以3d、7d、15d為主，并且隨著建筑物層數(shù)、總荷載的增加，時(shí)間間隔也會(huì)進(jìn)行縮減，確保獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)的完整性。如果施工期間遇到暫時(shí)停工，那么在停工時(shí)和再次開工時(shí)展開一次觀測，以確定建筑物在暫停施工時(shí)產(chǎn)生的沉降變化量，借此為后續(xù)觀測方式、觀測次數(shù)調(diào)整提供參考。在建筑物竣工后，也需要進(jìn)行若干次沉降監(jiān)測，監(jiān)測間隔為1個(gè)月、2個(gè)月、3個(gè)月、半年與1年等，如果最后3個(gè)周期建筑物的沉降速度不超過0.04mm/d，那么可判定該建筑物已經(jīng)進(jìn)入到穩(wěn)定階段。

1.3 監(jiān)測過程

確定監(jiān)測周期之后，需要在工作基點(diǎn)穩(wěn)固后展開監(jiān)測，目前建筑物的層數(shù)較多，同時(shí)還有若干地下結(jié)構(gòu)。因此在首次觀測活動(dòng)時(shí)，需要從基礎(chǔ)開始進(jìn)行監(jiān)測，隨后圍繞縱橫軸線來展開沉降監(jiān)測，由于是第一次監(jiān)測，因此對于觀測數(shù)據(jù)精度要求較高，多使用N2級精密儀器來完成監(jiān)測，同一監(jiān)測點(diǎn)需進(jìn)行至少2次觀測，若所得數(shù)據(jù)高差小于±0.5mm，表明所得監(jiān)測數(shù)據(jù)合規(guī)。隨著建筑物高度的增加，需要對之前的監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行復(fù)測，直到建筑工程竣工。另外，在監(jiān)測過程中也需要布置若干永久監(jiān)測點(diǎn)，以便于后續(xù)監(jiān)測活動(dòng)的有序展開。

1.4 精度要求

基于建筑物的基本特點(diǎn)，也需要匹配相應(yīng)的觀測精度，通常情況下，在建筑物沉降監(jiān)測活動(dòng)中，使用二等水準(zhǔn)測量方法便可滿足沉降觀測要求，而測量方法應(yīng)用背景下對應(yīng)的精度要求如下：①往返較差、附和或環(huán)線閉合差：△h=∑a-∑b≤1.0，n表示測站數(shù)；②沉降監(jiān)測時(shí)的前后視距需控制在30m以下；③進(jìn)行沉降監(jiān)測時(shí)，監(jiān)測點(diǎn)的前后視距高差值不應(yīng)超過1.0m；④整個(gè)監(jiān)測過程中儀器的前后視距累積差值不應(yīng)超過3.0m；⑤在沉降觀測點(diǎn)相對于后視點(diǎn)的高差容差≤1.0mm。

2 傾斜監(jiān)測要點(diǎn)

2.1 測點(diǎn)布置

展開傾斜監(jiān)測活動(dòng)時(shí)，測點(diǎn)布置屬于非?；A(chǔ)的工作內(nèi)容。在建筑物的施工過程中，涉及土體開挖、回填等工作，過程中土體應(yīng)力會(huì)發(fā)生改變，從而對建筑物整體產(chǎn)生影響，導(dǎo)致建筑物出現(xiàn)傾斜問題。此時(shí)建筑物的受力會(huì)出現(xiàn)偏心問題，使得其整體出現(xiàn)受力不均的情況，因此也需要在合理位置布設(shè)傾斜監(jiān)測點(diǎn)，獲取相應(yīng)的傾斜監(jiān)測數(shù)據(jù)，便于后續(xù)穩(wěn)固措施的順利擬定。在監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)過程中，會(huì)在建筑物的上部和下部均勻布設(shè)4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，利用上下兩測點(diǎn)水平投影位移差來確定建筑物的傾斜狀態(tài)。

2.2 監(jiān)測方法

在建筑物傾斜測量活動(dòng)中，會(huì)使用到全站儀正倒鏡法。該監(jiān)測方法在應(yīng)用中，應(yīng)注意以下內(nèi)容：第一，合理選擇匹配型號的全站儀，將其固定在某點(diǎn)（記作Q），對中整平處理后，測量Q點(diǎn)和下部監(jiān)測點(diǎn)（記作A點(diǎn)）之間的距離（記作d1）和標(biāo)高（記作H1），隨后再測量Q點(diǎn)和上部監(jiān)測點(diǎn)（記作B點(diǎn)）之間的距離（記作d2）和標(biāo)高（記作H2），以及上部監(jiān)測點(diǎn)和下部監(jiān)測點(diǎn)之間的距離H0。第二，假定建筑物出現(xiàn)了傾斜，即A點(diǎn)偏移到了A0位置，B點(diǎn)偏移到了B0位置。此時(shí)再次在Q點(diǎn)架設(shè)全站儀，重新獲取Q點(diǎn)和A0、B0之間的距離，記作d3和d4，隨后展開傾斜度的計(jì)算。第三，在傾斜度的計(jì)算中，需分別計(jì)算A點(diǎn)和B點(diǎn)的位移量，記作a0和b0，由此可以獲得A0相對于B0的位移量，記作△AB，（△AB=|a0-b0|），從而得到傾斜度i=△AB/H0×100%。

3 建筑物沉降，傾斜自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 自動(dòng)監(jiān)測儀器選型

在自動(dòng)檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，所使用到的監(jiān)測儀器如下：①壓差式靜力水準(zhǔn)儀。壓差式靜力水準(zhǔn)儀是一款高精度壓差式靜力水準(zhǔn)傳感器，該傳感器是由進(jìn)口元件組成，通過工業(yè)化設(shè)計(jì)，具備體積小、響應(yīng)速度快、長期穩(wěn)定性的特點(diǎn)。該傳感器在實(shí)際應(yīng)用中，會(huì)使用到多個(gè)傳感器，以此來組建測試體系，獲取到更加完整和準(zhǔn)確的監(jiān)測數(shù)據(jù)。②AZ103X 傾斜儀。該儀器使用高精度 MEMS 傳感器，結(jié)合溫度、地磁傳感器的傾斜與振動(dòng)模塊，能夠垂直或者水平安裝，完成深層土體水平位移、傾斜、振動(dòng)、沖擊等測量；外形尺寸：27×25×112cm，防水能力：水下200m，具備了良好的監(jiān)測性能。

3.2 傳感器系統(tǒng)

在自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，傳感器系統(tǒng)屬于重要的組成部分。通常情況下為了確保獲取建筑物監(jiān)測數(shù)據(jù)的完整性，需在垂直方向和傾斜方向安裝相匹配的監(jiān)測傳感器，以獲取到準(zhǔn)確的監(jiān)測數(shù)據(jù)。而傳感器的工作原理是：傳感器內(nèi)部的壓敏元件會(huì)在單晶硅片上擴(kuò)散惠斯通電橋。在測量過程中，相應(yīng)介質(zhì)產(chǎn)生的壓力會(huì)改變結(jié)構(gòu)的壓阻效應(yīng)，此時(shí)電阻值便會(huì)發(fā)生變化，產(chǎn)生差分電壓信號，而系統(tǒng)會(huì)借助專用放大器將信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，利用傳輸系統(tǒng)完成信號傳輸。為了確保建筑物獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)的完整性，會(huì)基于建筑物特征在合適位置布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)，在監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)相應(yīng)的傳感器，設(shè)置傳感器傳輸頻率，確保監(jiān)測過程的連續(xù)性。

3.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

在自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也屬于重要的組成部分。該系統(tǒng)在應(yīng)用中的主要作用在于，對于建筑物沉降數(shù)據(jù)、傾斜數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，并且在傳輸前也會(huì)對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步整理，以此來加快數(shù)據(jù)傳輸效率。在對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要滿足以下應(yīng)用要求：①系統(tǒng)需要具備良好的通用性，即可以根據(jù)實(shí)際需求情況來對結(jié)構(gòu)進(jìn)行靈活設(shè)計(jì)，以滿足相應(yīng)的使用需求。②可以根據(jù)實(shí)際需求來匹配標(biāo)準(zhǔn)接口，使其可以和傳感器系統(tǒng)順利關(guān)聯(lián)在一起，確保信息傳輸過程的完整性。③考慮到建筑物沉降、傾斜監(jiān)測獲取數(shù)據(jù)較多，因此也需要做好多通道設(shè)計(jì)，使其可以滿足多通道同步傳輸需求。④基于實(shí)際情況來對數(shù)據(jù)采樣頻率進(jìn)行靈活設(shè)計(jì)，從而提高信號傳輸結(jié)果的完整性與高效性。

3.4 信息傳輸系統(tǒng)

在對信息傳輸系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)使用到有線和無線傳輸系統(tǒng)，以無線傳輸系統(tǒng)為例，目前使用較多的無線傳輸技術(shù)包括Zig Bee技術(shù)、Wi-Fi技術(shù)、GPRS技術(shù)、5G通信技術(shù)等。以5G通信技術(shù)為例，該技術(shù)在應(yīng)用中具備數(shù)據(jù)傳輸速度快、保真度高等優(yōu)勢，在現(xiàn)場監(jiān)測中有著良好應(yīng)用。并且在傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中也需注意以下內(nèi)容：①在數(shù)據(jù)傳輸之前需要對數(shù)據(jù)格式進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)整，搭配開放式通信協(xié)議完成信息傳輸；②如果需要進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，那么在前期應(yīng)用中需要使用具備校驗(yàn)性能的通信協(xié)議，起到提高數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確性的作用；③所有的通信協(xié)議都需要滿足國家通用標(biāo)準(zhǔn)，特殊數(shù)據(jù)也需要提前進(jìn)行加密，以提高傳輸數(shù)據(jù)的完整性與可靠性。

3.5 監(jiān)測中心系統(tǒng)

3.5.1 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。在對數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，需要其具備以下通用功能：①可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理，沉降數(shù)據(jù)、傾斜數(shù)據(jù)在傳輸前、傳輸中都進(jìn)行了初步處理，但是為了確保分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，還需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行校核，篩選出準(zhǔn)確的監(jiān)測數(shù)據(jù)。同時(shí)以監(jiān)測類型、監(jiān)測時(shí)間作為分類依據(jù)，對于監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分類整理。②對于數(shù)據(jù)進(jìn)行修正處理，該功能是將傳輸數(shù)據(jù)中的偏差數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，對于完成修正處理的數(shù)據(jù)信息，也會(huì)直接錄入到三維系統(tǒng)當(dāng)中，以首次監(jiān)測數(shù)據(jù)作為傳輸數(shù)據(jù)，建立相應(yīng)的三維坐標(biāo)系。③在三維體系當(dāng)中會(huì)對信息變化量進(jìn)行梳理，并以此來完成變化曲線繪制，從而提高數(shù)據(jù)分析結(jié)果的直觀性，便于預(yù)測工作的順利展開。

3.5.2 信息預(yù)警系統(tǒng)。在信息預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，需注意以下內(nèi)容：①明確相應(yīng)的監(jiān)測預(yù)警值，根據(jù)前期得到的勘察資料，選擇相應(yīng)的建筑規(guī)范來篩選預(yù)警值，這也為后續(xù)分析工作的展開提供良好參考。②根據(jù)獲取到的監(jiān)測值來確定預(yù)警區(qū)間，一般數(shù)值臨近預(yù)警紅線時(shí)，監(jiān)測系統(tǒng)便會(huì)將預(yù)警信息傳輸?shù)较到y(tǒng)當(dāng)中，通過交互端來完成預(yù)警，相關(guān)人員根據(jù)沉降或傾斜情況，擬定相應(yīng)的處理措施，確保建筑物的穩(wěn)固性[1]。

3.5.3 信息存儲(chǔ)系統(tǒng)。在對信息存儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意以下內(nèi)容：①對于獲取到的沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)、傾斜數(shù)據(jù)，都需要根據(jù)時(shí)間線進(jìn)行存儲(chǔ)，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。②在對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲(chǔ)時(shí)，應(yīng)使用開放性標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫，而且該數(shù)據(jù)庫在應(yīng)用中，也需具備充足的數(shù)據(jù)庫容量、信息共享性能，這樣便于數(shù)據(jù)信息的快速檢索，提高數(shù)據(jù)信息的應(yīng)用價(jià)值。③對于存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)信息，也需要具備便于維護(hù)、定期自動(dòng)備份和更新等功能，所備份的數(shù)據(jù)信息需要和豬數(shù)據(jù)庫中的信息分開存放，便于數(shù)據(jù)丟失時(shí)可以及時(shí)找回[2]。④對于以往的監(jiān)測數(shù)據(jù)，會(huì)采用TXT、Excel等格式進(jìn)行存儲(chǔ)，而且這些存儲(chǔ)格式應(yīng)滿足快速備份、共享等要求，這樣也便于數(shù)據(jù)信息的快速獲取，為后續(xù)數(shù)據(jù)信息整理工作的展開奠定基礎(chǔ)。

3.6 電路模塊設(shè)計(jì)

在自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)設(shè)計(jì)相匹配的電路模塊，為確保監(jiān)測過程的穩(wěn)定性，會(huì)使用外部蓄電池進(jìn)行供電。但是從節(jié)能角度進(jìn)行考量，會(huì)在傳感器模塊位置布設(shè)太陽能電池，供電的規(guī)格選擇12～24V直流電，從而確保傳感器數(shù)據(jù)采集過程的持續(xù)性。同時(shí)在模塊設(shè)計(jì)中也會(huì)使用到DC-DC穩(wěn)壓模塊，作用是維持整個(gè)電路模塊的穩(wěn)定性。另外，在模塊設(shè)計(jì)中也會(huì)應(yīng)用到標(biāo)準(zhǔn)電壓（5V）展開供電，確保整個(gè)監(jiān)測過程的穩(wěn)定性[3]。

3.7 數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)

除了上述應(yīng)用系統(tǒng)以外，在自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，還需要做好數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)實(shí)際需求情況來反饋不同監(jiān)測時(shí)間、監(jiān)測位置的沉降或傾斜信息，以此來提高信息交互過程的流暢性。現(xiàn)階段使用到的發(fā)布系統(tǒng)為Web平臺，在該平臺中會(huì)利用HTML文本來對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行整理，而且該平臺還可以根據(jù)實(shí)際情況來調(diào)整輸出數(shù)據(jù)格式，從而提高所整理數(shù)據(jù)信息的時(shí)效性和直觀性。

4 結(jié)束語

綜上所述，在建筑物施工過程中，做好沉降、傾斜監(jiān)測屬于非常重要的工作內(nèi)容。為提高獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)效性，會(huì)利用大數(shù)據(jù)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來建立自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)，一方面，可以進(jìn)一步加快監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取的及時(shí)性；另一方面，能夠?yàn)榻ㄖ锛庸烫峁┛煽拷ㄗh，提高建筑物施工質(zhì)量。