建筑物沉降遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

◇銀川市勘察測(cè)繪院 李濤

老舊建筑物加固改造是城市建設(shè)和文明傳承的重要手段。對(duì)建筑隔震加固技術(shù)墻柱進(jìn)行托換抗震加固施工過(guò)程中，對(duì)建筑物沉降進(jìn)行全面、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)是建筑施工安全的重要保障。根據(jù)老舊建筑加固改造施工中建筑物沉降自動(dòng)化監(jiān)測(cè)需求，本文設(shè)計(jì)了一套建筑物沉降遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用磁致伸縮靜力水準(zhǔn)儀配合無(wú)線數(shù)據(jù)采集儀對(duì)建筑物沉降進(jìn)行遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)，將沉降位移量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)提供給施工部門(mén)。通過(guò)實(shí)例檢驗(yàn)了建筑物沉降遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的有效性，并對(duì)其特性和適用條件進(jìn)行了分析。

1 前言

城市老舊建筑物是城市文明的重要組成部分，很多老舊建筑仍然為醫(yī)院、學(xué)校、社區(qū)等單位提供服務(wù)。如果拆除重建會(huì)因?yàn)橐?guī)劃紅線的退讓，無(wú)法在原地建設(shè)。要想延長(zhǎng)老舊建筑物的使用壽命、增加電梯等功能，需要對(duì)其承重柱梁和基礎(chǔ)等進(jìn)行加固改造，增加建筑物抗震等級(jí)。加固改造后的老舊建筑，便既能滿足人們的需要，又可保證改造后的安全使用，進(jìn)而取得良好社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

老舊建筑物加固改造過(guò)程中，保持建筑物穩(wěn)定性是施工安全的重要保障，因此，必須對(duì)建筑物內(nèi)部和周邊進(jìn)行全面沉降監(jiān)測(cè)。鑒于建筑物內(nèi)部及周邊結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及水準(zhǔn)測(cè)量觀測(cè)的通視要求，水準(zhǔn)測(cè)量難以保障實(shí)時(shí)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)需求。為了能夠在施工期和運(yùn)營(yíng)期準(zhǔn)確掌握建筑物的變形情況，及早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，處理問(wèn)題，合理指導(dǎo)施工工序，利用傳感器技術(shù)、信號(hào)采集傳輸技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和軟件技術(shù)，設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)建筑物沉降自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、并實(shí)施沉降觀測(cè)遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)十分有必要。建筑物沉降遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將宏觀、微觀相結(jié)合，全方位監(jiān)測(cè)被測(cè)結(jié)構(gòu)的各種關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，記錄時(shí)序監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析變形發(fā)展走勢(shì)，以便輔助業(yè)主單位及政府進(jìn)行決策，提升房屋結(jié)構(gòu)變化預(yù)測(cè)和預(yù)報(bào)水平，有效防范和遏制不可逆轉(zhuǎn)的事故發(fā)生。

2 建筑物沉降自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成及工作原理

建筑物沉降自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)區(qū)傳感器、數(shù)據(jù)采集裝置、監(jiān)測(cè)區(qū)信號(hào)采集發(fā)射接收及處理裝置、監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)在線系統(tǒng)、手機(jī)在線和監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)組成。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析、預(yù)測(cè)以及分級(jí)報(bào)警，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)與管理。

建筑物沉降自動(dòng)監(jiān)測(cè)的工作原理如下：將磁致伸縮式靜力水準(zhǔn)儀安裝到各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位上，往各靜力水準(zhǔn)儀內(nèi)注入防凍液，采用連通管把它們連接起來(lái)，利用磁致伸縮式液位傳感器將沉降監(jiān)測(cè)數(shù)值實(shí)時(shí)通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)采集儀發(fā)送到云平臺(tái)監(jiān)測(cè)管理軟件上，第三方監(jiān)測(cè)單位可實(shí)時(shí)通過(guò)監(jiān)測(cè)管理軟件查看監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息及沉降變形趨勢(shì)信息。依托時(shí)序的歷史沉降數(shù)據(jù)，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可建立預(yù)警分析模型，當(dāng)發(fā)生異常沉降時(shí)，及時(shí)自動(dòng)發(fā)布預(yù)警消息到監(jiān)測(cè)管理人員，啟動(dòng)相應(yīng)應(yīng)急預(yù)案。

2.1 液位傳感器工作原理

根據(jù)建筑物沉降觀測(cè)規(guī)范和要求，選取符合精度指標(biāo)、分辨率高的磁致伸縮式靜力水準(zhǔn)儀用于沉降觀測(cè)。靜力水準(zhǔn)儀采用磁致伸縮液位計(jì)作為基本傳感器，通過(guò)測(cè)量電子倉(cāng)內(nèi)部發(fā)射部位到浮球的距離，推算出浮球所在液面的液位變化量，進(jìn)而求取沉降位移量。該液位傳感器是利用磁致伸縮原理研發(fā)出的一種新型高精度液位傳感器，兼有非接觸式、使用壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性好、精度高、重復(fù)性好等眾多特點(diǎn)。

2.2 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

系統(tǒng)依據(jù)連通器原理，將被測(cè)沉降點(diǎn)及基準(zhǔn)點(diǎn)用導(dǎo)壓連通管串連，并在連通管內(nèi)充入導(dǎo)壓液體，通過(guò)測(cè)量各沉降點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)之間的液面變化量，即可計(jì)算出各測(cè)點(diǎn)的沉降量。本系統(tǒng)對(duì)各測(cè)點(diǎn)的容器埋設(shè)高程有一定要求，各測(cè)點(diǎn)容器高程差不應(yīng)過(guò)大。測(cè)點(diǎn)容器由上下端蓋及有機(jī)玻璃罩組成，上端蓋安裝一個(gè)磁致伸縮式液位傳感器，當(dāng)測(cè)點(diǎn)容器相對(duì)于基準(zhǔn)容器和基準(zhǔn)傳感器或任意測(cè)點(diǎn)容器之間產(chǎn)生沉降或隆起變化時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)水平面會(huì)有所改變。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)接入標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)測(cè)量模塊獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，再利用計(jì)算模塊求得各沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)的相對(duì)沉降量。

2.3 靜力水準(zhǔn)的觀測(cè)計(jì)算

圖1 沉降量計(jì)算示意圖

各觀測(cè)點(diǎn)沉降或抬高的變化量△Hi(mm)可按下列公式計(jì)算：

其中，△hj表示靜力水準(zhǔn)儀基準(zhǔn)點(diǎn)液位變化量(mm)，△hi表示靜力水準(zhǔn)儀各觀測(cè)點(diǎn)液位變化量(mm)。

靜力水準(zhǔn)儀基準(zhǔn)點(diǎn)液位變化量△hj(mm)可按下列公式計(jì)算：

其中，Kj-靜力水準(zhǔn)儀基準(zhǔn)點(diǎn)傳感器系數(shù)(mm/F)；Fj-靜力水準(zhǔn)儀基準(zhǔn)點(diǎn)的當(dāng)前讀數(shù)(F)；Foj-靜力水準(zhǔn)儀基準(zhǔn)點(diǎn)的初始讀數(shù)(F)。

靜力水準(zhǔn)儀各觀測(cè)點(diǎn)液位變化量△hi(mm)可按下列公式計(jì)算：

其中，Ki-靜力水準(zhǔn)儀觀測(cè)點(diǎn)傳感器系數(shù)(mm/F)；Foi-靜力水準(zhǔn)儀觀測(cè)點(diǎn)的初始讀數(shù)(F)；Fi-靜力水準(zhǔn)儀觀測(cè)點(diǎn)的當(dāng)前讀數(shù)(F)。

由此，式（1）亦可按下列公式計(jì)算：

注：①計(jì)算的物理量符號(hào)，正值為液位上升，負(fù)值為液位下降。②△Hi為正值表示測(cè)點(diǎn)上浮，負(fù)值表示測(cè)點(diǎn)沉降。③單支傳感器參數(shù)如K值等，詳見(jiàn)傳感器說(shuō)明書(shū)。④計(jì)算時(shí)，請(qǐng)注意統(tǒng)一各參數(shù)的數(shù)量級(jí)、單位。

3 工程實(shí)例

某市醫(yī)院建設(shè)項(xiàng)目的科學(xué)教研、行政綜合樓及北側(cè)與門(mén)診樓相連的連廊進(jìn)行建筑隔震加固技術(shù)墻柱托換抗震加固施工，為保證建筑物的安全施工，根據(jù)國(guó)家相關(guān)規(guī)范和建筑設(shè)計(jì)要求，對(duì)施工期間的建筑物進(jìn)行沉降觀測(cè)。

3.1 基準(zhǔn)點(diǎn)布設(shè)

基準(zhǔn)點(diǎn)是測(cè)定觀測(cè)點(diǎn)沉降的基礎(chǔ)。除考慮到基準(zhǔn)點(diǎn)穩(wěn)定性、長(zhǎng)期性、使用方便的特點(diǎn)之外，基準(zhǔn)點(diǎn)必須選擇在建筑物基礎(chǔ)壓力擴(kuò)散影響之外的區(qū)域，即沉陷區(qū)之外進(jìn)行布設(shè)。結(jié)合本工程的具體情況，項(xiàng)目在該市醫(yī)院建設(shè)工程施工區(qū)外設(shè)置一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，采用一個(gè)磁致伸縮靜力水準(zhǔn)儀安裝于穩(wěn)定建筑物的柱體上作為監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)。

3.2 變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)的設(shè)置

為監(jiān)測(cè)建筑物變形情況，項(xiàng)目參照設(shè)計(jì)圖紙確定出具體能反映出建筑物變形特征、便于觀測(cè)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置。在實(shí)際安裝過(guò)程中，沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)要符合各施工階段的觀測(cè)要求，要特別注意裝修裝飾階段因墻或柱飾面施工而破壞或掩蓋觀測(cè)點(diǎn)的情況。設(shè)備的安裝應(yīng)避開(kāi)如雨水管、窗臺(tái)線、暖氣片、暖水管、天然氣管等有礙設(shè)標(biāo)志及觀測(cè)的障礙物，設(shè)備安裝完畢后施工方應(yīng)全力配合變形監(jiān)測(cè)，并對(duì)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)加以保護(hù)，嚴(yán)禁碰撞和人員踩踏，以保持變形監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)的連續(xù)和穩(wěn)定。

3.3 建筑物沉降成果的分析報(bào)告

建筑物的沉降觀測(cè)自2021年8月7日6時(shí)開(kāi)始，至2021年11月27日19時(shí)，歷時(shí)113天，監(jiān)測(cè)期次從1期到18期。沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)采用磁致伸縮式靜力水準(zhǔn)儀自動(dòng)采集，每天兩次，分別為早七點(diǎn)、晚七點(diǎn)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求及甲方意見(jiàn)，以周為數(shù)據(jù)采集周期進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。本示例數(shù)據(jù)分析選取每個(gè)觀測(cè)周期晚七點(diǎn)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。以下數(shù)據(jù)（表1、表2）為此次監(jiān)測(cè)的相關(guān)數(shù)據(jù)及沉降分析圖（圖2、圖3）。

表1 沉降量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表

表2 沉降數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

圖2 沉降過(guò)程曲線

圖3 沉降速度曲線

根據(jù)沉降數(shù)據(jù)分析表明，從數(shù)據(jù)采集11月27日，累計(jì)沉降量最大的為4.950mm（CJ10，18期），最大累計(jì)沉降速度：0.044mm/d（CJ10，18期），平均累計(jì)沉降速度0.030mm/d；最后一期最大沉降量-0.310mm（CJ8，第18期），最后一期最大沉降速度-0.044mm/d（CJ8，第18期），最后一期平均沉降速度-0.015mm/d。根據(jù)《建筑變形測(cè)量規(guī)范》（JGJ8-2016）中規(guī)定，建筑工程建筑物最后100天，沉降速率小于0.01-0.04mm/d，可認(rèn)為建筑物目前處于穩(wěn)定狀態(tài)。

根據(jù)沉降過(guò)程線組合圖可以明顯地看出兩個(gè)沉降階段:第一階段從2021年08月07日至2021年08月20日，設(shè)備處于調(diào)試階段，圖形變化幅度較大。第二階段從2021年08月21日至11月27日，設(shè)備正常觀測(cè)中，圖形變化較平緩，基本無(wú)明顯變化。從以上監(jiān)測(cè)期各數(shù)據(jù)分析情況可以看出，在設(shè)備調(diào)試階段，數(shù)據(jù)變化明顯屬正?，F(xiàn)象，后期數(shù)據(jù)正常采集階段各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降速率相對(duì)穩(wěn)定、最大沉降在規(guī)范允許范圍內(nèi)，各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)均符合規(guī)范相關(guān)要求，說(shuō)明該建筑物未出現(xiàn)明顯沉降情況。在工程監(jiān)測(cè)中，每一項(xiàng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目都應(yīng)該根據(jù)工程的實(shí)際情況、周邊環(huán)境和設(shè)計(jì)書(shū)等事先確定相應(yīng)監(jiān)控報(bào)警值，用以判斷支護(hù)結(jié)構(gòu)受力情況、位移是否超過(guò)允許范圍，進(jìn)而判斷建筑物安全性，決定是否對(duì)設(shè)計(jì)方案和施工方法進(jìn)行調(diào)整，并采取有效及時(shí)的處理措施。因此，實(shí)際工作中一定要保證觀測(cè)儀器穩(wěn)定性，安裝靜力水準(zhǔn)儀時(shí)，一定要固定穩(wěn)固，并采用隔熱棉和鐵皮箱進(jìn)行保護(hù)。往靜力水準(zhǔn)儀內(nèi)注入防凍液時(shí)一定不能摻水，否則容易產(chǎn)生氣泡，造成觀測(cè)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。

4 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)特性分析與適用條件

進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)建筑物，必須在施工前就要把儀器設(shè)備提前安裝好，整個(gè)系統(tǒng)調(diào)試穩(wěn)定大約需要1周左右的時(shí)間，觀測(cè)期間要派專人每天觀察靜力水準(zhǔn)儀和連接管處是否存在氣泡，儀器和連接管是否完好，并進(jìn)行記錄。實(shí)際監(jiān)測(cè)工作中，應(yīng)采用水準(zhǔn)測(cè)量或三角高程測(cè)量配合自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)完成共同監(jiān)測(cè)。出現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常時(shí)，應(yīng)加大觀測(cè)次數(shù)，進(jìn)行兩組數(shù)據(jù)對(duì)比，配合自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)共同完成數(shù)據(jù)分析。如果觀測(cè)期間發(fā)生數(shù)據(jù)變化異常，需要立即通知施工單位。

靜力水準(zhǔn)儀全自動(dòng)監(jiān)測(cè)也存在一定局限性，靜力水準(zhǔn)儀和連接管內(nèi)的液體會(huì)產(chǎn)生粘滯，當(dāng)內(nèi)部的連通液高度發(fā)生變化時(shí)，需經(jīng)一段時(shí)間的流動(dòng)才能重新達(dá)到平衡狀態(tài)，所以靜力水準(zhǔn)儀全自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不適合高速沉降變化量的監(jiān)測(cè)。

5 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)際測(cè)量工作中常規(guī)測(cè)量手段無(wú)法滿足測(cè)量需求時(shí)，需要結(jié)合項(xiàng)目和相關(guān)規(guī)范規(guī)程的技術(shù)及精度要求，采用新型自動(dòng)化測(cè)量?jī)x器來(lái)完成工作。對(duì)精度要求高的建筑物改造、地鐵、大壩及隧道等沉降監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中，可以采用靜力水準(zhǔn)儀全自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程觀測(cè)，采用恰當(dāng)?shù)挠^測(cè)方法和準(zhǔn)確、快速的數(shù)據(jù)處理方法，得到可靠的觀測(cè)數(shù)據(jù)，合理、科學(xué)、準(zhǔn)確地反映、分析、預(yù)測(cè)出變形體的整體沉降狀況，根據(jù)項(xiàng)目監(jiān)控報(bào)警值判斷監(jiān)測(cè)點(diǎn)的受力情況、位移是否超過(guò)允許的范圍，進(jìn)而判斷建筑物的安全性，并采取有效及時(shí)的處理措施。