淺談測繪技術(shù)在樓體形變監(jiān)測中的應(yīng)用

◆ 朱生鑫

（西寧市房地產(chǎn)交易服務(wù)中心，青海西寧 810000）

自然因素和人為的因素會(huì)導(dǎo)致高層建筑物產(chǎn)生各種變形，對于預(yù)防工程事故，保證高層建筑物的正常及安全使用，了解建筑物形變程度，分析形變的具體緣由，預(yù)測建筑物未來的形變趨向是十分重要的。因此，為了保障人民安全，保護(hù)人民的財(cái)產(chǎn)不受侵害，不影響高層建筑物的正常使用，必須在高層建筑物建設(shè)之前、建設(shè)過程中以及交付給用戶使用期間，對建筑物進(jìn)行持續(xù)的形變監(jiān)測。

1 建筑物的裂縫監(jiān)測

很多原因會(huì)致使建筑物墻體產(chǎn)生裂縫。例如建筑物因?yàn)槭芰Σ痪鶆虺两?、設(shè)計(jì)方案不當(dāng)、地基的處理有缺陷等，都會(huì)導(dǎo)致建筑物所受的拉應(yīng)力過大，最終產(chǎn)生裂縫。建筑物所處的環(huán)境不同使得建筑物的允許傾斜程度也不同，對于上海來說，建筑物通常在軟土地基上，其最大允許建筑物變形量可為50cm～60cm。第四紀(jì)的土層其最大允許沉降量為8cm～10cm，北京就處于這一土層上，當(dāng)建筑物沉降超過最大允許限度就可能發(fā)生建筑物裂縫。當(dāng)在建筑物中發(fā)現(xiàn)了裂縫現(xiàn)象，應(yīng)對其進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，來觀察其變化趨勢。

觀測每條裂縫時(shí)，布設(shè)的觀測標(biāo)記不應(yīng)少于兩條，在裂縫最寬處和裂縫末端各布設(shè)一條，并對這些裂縫進(jìn)行統(tǒng)一的編號和記錄。

1.1 石膏標(biāo)志

在建筑物裂縫所在兩端抹上一層水泥砂漿，等待砂漿干后用一條約5mm 的帶顏色的橫線作為標(biāo)記，橫線應(yīng)當(dāng)垂直于裂縫，并且應(yīng)當(dāng)覆蓋整個(gè)裂縫。若砂漿發(fā)生開裂現(xiàn)象，則伴隨裂縫發(fā)生開裂，測量標(biāo)記處裂縫的寬度。

1.2 薄鐵片標(biāo)志

用兩塊薄鐵片，一塊約為10cm2的方形鐵片，另一塊為1.5cm×0.5cm的矩形鐵片，兩塊鐵片的厚度均為0.5mm。在建筑物裂縫所在一側(cè)固定方形鐵片，將標(biāo)記顏色覆蓋于整個(gè)鐵片之上，做好顏色標(biāo)記后，保證矩形鐵片將建筑物裂縫和已經(jīng)做好顏色標(biāo)記的方形鐵片都覆蓋住的情況下，在建筑物裂縫所在另一側(cè)固定矩形鐵片的一半，并使矩形鐵片方向與裂縫將要開裂趨勢的方向垂直。再對兩塊鐵片同時(shí)進(jìn)行其他色彩的標(biāo)記，標(biāo)記方式可以是噴紅色的油漆。若兩鐵片搭蓋處顯現(xiàn)方形鐵片所覆蓋著的顏色的條紋，則表明裂縫繼續(xù)開裂，每次測量條紋的寬度即可。

1.3 金屬標(biāo)志

對于有建筑物需要重點(diǎn)監(jiān)測的，我們可以選擇在墻體出現(xiàn)裂隙的兩端，打孔然后嵌入金屬標(biāo)志，利用游標(biāo)卡尺有計(jì)劃和細(xì)致地進(jìn)行測量，記錄每次測量的數(shù)值，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、對比就能掌握建筑物裂縫的變形情況。有時(shí)墻體會(huì)出現(xiàn)眾多裂縫或者其面積及數(shù)量較大時(shí)，采用近景攝影測量方法。

裂縫變化速度不同，裂縫監(jiān)測周期也不同，通常開始半月1次，以后一月1次。當(dāng)發(fā)現(xiàn)裂縫縫隙有變大的趨勢或已經(jīng)發(fā)現(xiàn)裂縫變大時(shí)，應(yīng)加大觀測頻率，直至幾天1次或逐日1次的持續(xù)觀測。觀測裂縫時(shí)，量取精度應(yīng)達(dá)到0.1mm。每次觀測時(shí)所采集的信息有：裂縫形態(tài)、尺寸以及位置，并且注明日期和附照片資料。

2 建筑物撓度觀測

建筑物的撓度一般為其整體或構(gòu)件在水平方向或者豎直方向發(fā)生彎曲，我們把彎曲值稱為撓度。例如橋的梁部以及高層建筑物都會(huì)發(fā)生位移，前者為水平方向的變形，后者產(chǎn)生側(cè)向彎曲。

2.1 平置構(gòu)件

面對平置的構(gòu)件，測量其撓度時(shí)需設(shè)置三個(gè)沉降觀測點(diǎn)分別在構(gòu)件的中間位置還有兩端，同時(shí)測量這三個(gè)點(diǎn)在某一時(shí)間段內(nèi)的沉降量，分別為ha，hb和hc，則構(gòu)件的撓度值為

式中，Sac、hb、ha、hc分別為該構(gòu)件兩端點(diǎn)間的水平間距、構(gòu)件中間點(diǎn)的沉降量和構(gòu)件兩端點(diǎn)的沉降量。監(jiān)測時(shí)，在選定位置安裝掛尺螺栓，使掛鉤朝上，用尺卡卡住水準(zhǔn)尺上端，在尺卡頂端焊鐵環(huán)，掛在掛尺螺栓的掛鉤上，使水準(zhǔn)尺離地面0.3m 左右，定期對監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行觀測。

2.2 直立構(gòu)件

面對直立的構(gòu)件，測量其撓度時(shí)，設(shè)置三個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，分別在該構(gòu)件的上、中、下三個(gè)位置，利用測得三個(gè)點(diǎn)的位移量（相對于地面的水平位移）來求得其撓度。監(jiān)測時(shí)，常運(yùn)用正垂線法，在建筑物的頂部位置固定一個(gè)繩索，將鉛錘掛在另一端，讓其受重力作用自由靜止，借助機(jī)械式的坐標(biāo)儀表或光學(xué)式量測出在鉛垂線的不同高程上各點(diǎn)的位置，然后與鉛垂線最低點(diǎn)的位置相對比，求出相對位置。任何一點(diǎn)的撓度計(jì)算，需要得知頂點(diǎn)與鉛垂線最低端的相對位移，還需要得出任意點(diǎn)與鉛垂線最低端的相對位移，前者減去后者即為該點(diǎn)的撓度。

3 建筑物傾斜監(jiān)測

傾斜測量的監(jiān)測工作一般用經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀或其他儀器，監(jiān)測工作隨時(shí)間的變化而進(jìn)行。有兩類方法用于測定建筑物的傾斜：一類是直接測定的方法，就是用儀器直接測量建筑物的傾斜；另一類是間接測量的方法，即通過測量建筑物基礎(chǔ)沉降量，然后經(jīng)過計(jì)算來確定建筑物傾斜。

3.1 直接測定建筑物傾斜的方法

3.1.1 垂準(zhǔn)線法（含激光鉛錘法）

利用垂球進(jìn)行測量時(shí)，懸掛條件應(yīng)滿足以下幾個(gè)條件：第一點(diǎn)，應(yīng)該選擇在樓體高處的墻角、建筑物的幾何中心處懸掛垂球；第二點(diǎn)，垂球線的長度應(yīng)該使得其剛剛好接觸到地面但不與地面有接觸；此時(shí)欲求該建筑物的傾斜量，用尺子量出垂球尖至高處點(diǎn)在底部的理論投影位置的距離即可。激光鉛垂線的原理和垂球相似，將垂線改變形式為一束可見光照射，即將重力的測量改為光的傳播來測量，也是量取相對應(yīng)的距離來計(jì)算傾斜值。如圖3-1所示。

圖3-1 激光鉛垂儀

3.1.2 經(jīng)緯儀投影法

如圖3-2（a）所示，根據(jù)建筑物的構(gòu)造形式，建筑物的高度為h 、A、A’兩點(diǎn)是建筑物或構(gòu)件的同一豎直線上的兩個(gè)點(diǎn)，當(dāng)建筑物發(fā)生傾斜時(shí)，在水平方向上A點(diǎn)相對于A’點(diǎn)移動(dòng)了某一距離a，則該建筑物的傾斜為

必須精確的測得a 和h 的具體數(shù)值，才能確定建筑物的傾斜程度。其中h的數(shù)值通常為樓體的高度，一般為已知量，當(dāng)h 未知時(shí)，則可對著建筑物設(shè)計(jì)一條基線，用三角測量的方法確定其高度。具體原理如圖3-2（b）所示。

圖3-2 傾斜和計(jì)算

3.2 測定建筑物基礎(chǔ)沉降的方法

假設(shè)建筑物或者某個(gè)構(gòu)件是剛性的，可以通過測量建筑物或者構(gòu)件不同位置的相對沉降量來間接的求算建筑物的傾斜度，一般采用下列方法。

3.2.1 精密水準(zhǔn)測量方法

通常建筑物沉降是一個(gè)長期的觀測，在較短時(shí)間內(nèi)不會(huì)有很明顯的變化，因而要進(jìn)行長期的沉降監(jiān)測。沉降監(jiān)測工作貫穿于工程施工的整個(gè)期間，開始時(shí)間是建筑物或構(gòu)件的基礎(chǔ)墊層澆灌后或基礎(chǔ)施工完畢，截止時(shí)間是到建筑物的沉降速率平緩接近穩(wěn)定。盡可能使系統(tǒng)誤差不變，是為了系統(tǒng)誤差不影響沉降值，在后續(xù)的計(jì)算中消除系統(tǒng)誤差，所以沉降監(jiān)測一般采取以下措施。

a.盡量滿足往返測在同一路線上進(jìn)行，這就要求測站點(diǎn)、監(jiān)測路線和立尺點(diǎn)盡量固定；

b.縮短二等水準(zhǔn)環(huán)線的總長度以及路線的長度；

c.在同一測段或路線時(shí)應(yīng)使用同一套儀器、標(biāo)尺，同一測段最好由同一個(gè)監(jiān)測員進(jìn)行相應(yīng)的監(jiān)測；

d.當(dāng)工程區(qū)域處在沉降速率較大的土層時(shí)，為確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的牢靠，應(yīng)在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)閉合環(huán)的測量工作。

3.2.2 液體靜力水準(zhǔn)測量方法

近年來，液體靜力水準(zhǔn)測量方法（如圖3-3所示）日益得到廣泛的應(yīng)用。這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是不受距離限制，而且距離越長，測定傾斜精度越高，并且能使實(shí)現(xiàn)測量自動(dòng)化的方法簡單而有效。

圖3-3 液體靜力儀

其測量原理是：在相連接的兩個(gè)容器里盛有均勻液體，在大氣壓強(qiáng)相同的情況下，起始刻度為相同值，但當(dāng)外界壓力變化時(shí)，刻度便會(huì)發(fā)生變化，利于兩個(gè)容器的液面的讀數(shù)值，可求出兩個(gè)觀測點(diǎn)之間的高差，所求得的高差值與兩點(diǎn)間的距離之比即為傾斜度。因?yàn)橐后w熱脹冷縮原理的影響，該測量誤差主要來源于外界的溫度變化，特別是監(jiān)測頭附近局部溫度變化。為了降低誤差，應(yīng)使連接軟管下垂量最小以削弱溫度的影響。目前，在高精度液體靜力水準(zhǔn)測量中往往采用恒溫系統(tǒng)。

4 建筑物日照變形監(jiān)測

塔式建筑物在長時(shí)間受溫度荷載的影響下會(huì)有來回?cái)[動(dòng)的現(xiàn)象，因而需要對建筑物進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測，即日照觀測。

影響建筑物的日照變形的原因有很多，例如變形會(huì)由于建筑的結(jié)構(gòu)、材料、類型以及陽光照射高度、方位不同而不同。這種情況說明對建筑物日照變形產(chǎn)生影響的因素比較復(fù)雜，同時(shí)，顯著的變形，對建筑結(jié)構(gòu)的抗拉性能也會(huì)有很大的影響。但現(xiàn)在沒有將日照影響寫入國家建筑標(biāo)準(zhǔn)中去，所以在面對具體的工程時(shí)，通常選取適當(dāng)?shù)木葋硎y。

國內(nèi)開展日照變形觀測是從20 世紀(jì)70年代開始，如今已日益增多，其中大多采用交會(huì)法、經(jīng)緯儀投點(diǎn)法和測水平角法。其精度情況見表4-1所示。

表4-1 日照變形監(jiān)測精度

5 建筑物風(fēng)震變形監(jiān)測

高層建筑物在受到強(qiáng)烈的風(fēng)荷載作用下，建筑物或者其構(gòu)件就會(huì)發(fā)生來回?cái)[動(dòng)的情況，如美國紐約百層的帝國大廈，曾經(jīng)在風(fēng)荷載作用下，最大擺動(dòng)超過7厘米。風(fēng)振觀測所需的條件比較苛刻，要在高層建筑遭受到強(qiáng)風(fēng)作用的時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行，需要連續(xù)而且同步的進(jìn)行風(fēng)震監(jiān)測，監(jiān)測內(nèi)容有建筑物所受風(fēng)的大小、頂部水平位移以及風(fēng)向。建立合理的建筑物風(fēng)荷設(shè)計(jì)方案很大程度是依靠風(fēng)振監(jiān)測結(jié)果來完成。因此，在實(shí)際的監(jiān)測工作中，測量人員必須與設(shè)計(jì)單位緊密配合，共同商榷施測方案的具體細(xì)節(jié)和研究施測中的有關(guān)技術(shù)問題，才能順利完成監(jiān)測任務(wù)。通常，風(fēng)振變形監(jiān)測可采用如下方法完成。

5.1 激光位移計(jì)自動(dòng)測記法

一般選擇地下室或者建筑物的底板為位移計(jì)的安裝位置，接收裝置為樓頂部，可以利用電梯井等直接透視的通道作為激光位移計(jì)的激光通道，當(dāng)位移計(jì)啟動(dòng)，開始工作發(fā)射激光時(shí)，接收裝置將激光信號傳輸給測試室的光線示波器，在示波器上可顯示其圖像，接收器會(huì)直接記錄位移圖像及有關(guān)參數(shù)。

5.2 加速度計(jì)法

通過加速度積分求解位移值，這時(shí)需要求得樓頂?shù)募铀俣龋鸵獙⒓铀俣葌鞲衅靼惭b在建筑物頂部，測定建筑物在振動(dòng)時(shí)的加速度。

5.3 GPS動(dòng)態(tài)差分載波相位法

在一基準(zhǔn)站上架設(shè)一臺(tái)GPS接收機(jī)，其要求時(shí)距待測建筑物相對穩(wěn)定且保持一定距離，在待測建筑物的樓頂安裝另一臺(tái)接收機(jī)的天線。要想完成這一操作，需要保證接收機(jī)信號不被遮擋，能夠同時(shí)接收到6顆衛(wèi)星的信號，且接收頻率為10赫茲。一測段的數(shù)據(jù)要滿足以下條件，兩臺(tái)接收機(jī)要同時(shí)開始工作，并且記錄的是同一個(gè)時(shí)間段的數(shù)據(jù)。對于一個(gè)監(jiān)測項(xiàng)目來說有多個(gè)測段組成，具體要記錄的測段數(shù)視工程要求而確定。根據(jù)在WGS-84大地坐標(biāo)系下所定位的坐標(biāo)才可以求得該建筑物相應(yīng)的位移值，這就需要通過相應(yīng)的軟件對接收機(jī)所接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)逐一進(jìn)行動(dòng)態(tài)差分后然后輸出結(jié)果。

5.4 經(jīng)緯儀測角前方交會(huì)或方向差交會(huì)法

在對于精度要求不是很嚴(yán)格的建筑物監(jiān)測中可運(yùn)用此方法，作業(yè)中應(yīng)防止儀器受到天氣影響，如大風(fēng)等吹動(dòng)或吹倒儀器。如運(yùn)用經(jīng)緯儀，觀測點(diǎn)相對測站點(diǎn)的誤差要滿足點(diǎn)位中誤差不應(yīng)大于±15mm。

結(jié)束語：

傳統(tǒng)測量方法外業(yè)工作量大、耗時(shí)耗力、測量成本高、所采集的信息量小而且信息的利用率低，同時(shí)其測量宜受天氣狀況的影響。GPS測量方法測量時(shí)間短、測量速度快、具有高自動(dòng)化、不受通視條件的影響，所得數(shù)據(jù)精度高，動(dòng)態(tài)監(jiān)測和靜態(tài)監(jiān)測無需棱鏡，一個(gè)人即可實(shí)現(xiàn)測點(diǎn)。數(shù)據(jù)處理簡單，將測量手簿中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X，運(yùn)用軟件即可進(jìn)行處理。但地形對其信號連續(xù)度有影響，可能造成準(zhǔn)確度受損。所以對于未來變形監(jiān)測的工作，我們應(yīng)更多地采取攝影測量以及GPS測量的方法，來提高監(jiān)測精度和監(jiān)測范圍。但其儀器和數(shù)據(jù)處理軟件任大量依靠進(jìn)口，需要我們自主研發(fā)，來降低成本。