既有建筑結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用

楊靜怡，吳 桐，方 峰，何 欽，周 聰

（1、廣東省建設(shè)工程質(zhì)量安全檢測總站有限公司 廣州 510500；2、橫琴粵澳深度合作區(qū)城市規(guī)劃和建設(shè)局 廣東珠海 519000）

0 引言

根據(jù)國家統(tǒng)計局發(fā)布的數(shù)據(jù)，我國既有建筑總面積已超過600億m2，其中使用年限超過20年的既有建筑面積高達總面積的1/3。許多建筑結(jié)構(gòu)已經(jīng)存在安全隱患，若采取直接拆除重建的方法去解決房屋安全問題，需要大量的人力、財力，還會引起回遷安置糾紛、建筑垃圾污染等一系列不良社會問題。

近幾年來，我國多個地區(qū)出現(xiàn)既有建筑結(jié)構(gòu)變形、傾斜甚至倒塌等安全事故，帶來了嚴(yán)重的社會危害與巨大的財產(chǎn)損失。2016 年10 月，浙江溫州市鹿城區(qū)發(fā)生一農(nóng)民自建房倒塌事故，造成20 余人死亡［1］；2020年3月初，福建省泉州市鯉城區(qū)一酒店轟然倒塌，造成29 人死亡［2］；同年8 月，山西省臨汾市襄汾縣一飯店發(fā)生坍塌事故，造成29人死亡；2022年4月，湖南省長沙市望城區(qū)發(fā)生一起特別重大居民自建房倒塌事故（見圖1），造成53人死亡［3］。

圖1 長沙自建房倒塌Fig.1 Self-built House Collapsed in Changsha

由于既有建筑結(jié)構(gòu)安全會受到前期設(shè)計、建筑材料、施工以及周邊環(huán)境等多因素的影響，現(xiàn)在也無法精確診斷某建筑健康壽命［4］，一旦發(fā)生安全事故，會帶來嚴(yán)重的后果，所以對既有建筑結(jié)構(gòu)進行安全監(jiān)測，在監(jiān)測值達到設(shè)定預(yù)警值時，馬上進行預(yù)警，對維護社會穩(wěn)定性非常重要。但是采用傳統(tǒng)的監(jiān)測手段監(jiān)測既有建筑結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)，無法實時獲取結(jié)構(gòu)相關(guān)信息，技術(shù)人員也無法遠程在線判斷結(jié)構(gòu)情況，預(yù)測結(jié)構(gòu)未來變形發(fā)展規(guī)律。因此對既有建筑結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測需要解決兩個問題：①了解既有建筑結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測的關(guān)鍵參數(shù)有哪些；②解決如何大面積開展經(jīng)濟合理且有效的結(jié)構(gòu)安全監(jiān)控管理工作。

1 既有建筑結(jié)構(gòu)安全事故原因及征兆

1.1 事故原因

史春樂等人［5］對1990 年后，近20 年間全國發(fā)生的49起既有建筑結(jié)構(gòu)安全事故（倒塌）進行調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)倒塌的原因主要有以下幾點：

⑴原本設(shè)計不規(guī)范、施工質(zhì)量差。在既有建筑結(jié)構(gòu)中，超1/3的自建房未檢查就開工建設(shè)，結(jié)構(gòu)受力情況可能不合理，同時施工隊伍不專業(yè)，施工質(zhì)量較差，所用材料的強度不夠，因此很容易出現(xiàn)安全問題。大多數(shù)自建房都是房主自己繪制圖紙，沒經(jīng)過規(guī)范的設(shè)計，也沒有科學(xué)的勘察地基情況。

⑵違規(guī)進行加建、改建、擴建。許多結(jié)構(gòu)年代較久，結(jié)構(gòu)整體可靠性由于使用時間較長、多次被私自拆改而大大降低。例如，私自改變使用用途，一些原本是居住功能的結(jié)構(gòu)被擅自改為經(jīng)營性人員密集場所，如培訓(xùn)教室、影院、KTV、具有娛樂功能的餐館等，沒有經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計、正規(guī)的施工，改變使用功能后，導(dǎo)致樓（屋）面使用荷載大幅增加，嚴(yán)重降低了結(jié)構(gòu)的安全性，非常容易造成既有建筑結(jié)構(gòu)安全事故的發(fā)生。

⑶環(huán)境因素。有的結(jié)構(gòu)建在河床旁邊或者所處工程地質(zhì)為軟弱不良地質(zhì)，當(dāng)發(fā)生臺風(fēng)、暴雨天氣時，基礎(chǔ)容易被破壞，承載力降低，地基發(fā)生不均勻沉降，最后導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)倒塌。

1.2 事故發(fā)生前征兆

許多結(jié)構(gòu)發(fā)生倒塌前都是有征兆的，大多數(shù)都是長時間累積的結(jié)果（量變到質(zhì)變）。本文統(tǒng)計了近10起結(jié)構(gòu)安全事故及其倒塌前的征兆，詳見表1。

表1 結(jié)構(gòu)倒塌前征兆Tab.1 Signs of Structural Collapse

從表1可以看出，在結(jié)構(gòu)倒塌前，結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)明顯的變形，如墻體開裂、傾斜、沉降等，如果在結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞前就對這些特征進行監(jiān)測，則能有效減少安全事故的發(fā)生。

2 主要監(jiān)測項目

既有建筑結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測項目需要能夠反映出既有建筑結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)性能：受力和變形。對于同一個監(jiān)測對象，這兩個指標(biāo)有著內(nèi)在的必然聯(lián)系，配套監(jiān)測可以幫助判斷數(shù)據(jù)的真?zhèn)危龅饺未嬲?。?.1 小節(jié)總結(jié)的既有建筑結(jié)構(gòu)安全事故發(fā)生的原因和倒塌前的征兆可知，周圍環(huán)境也會影響結(jié)構(gòu)的正常使用。因此，既有建筑結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測應(yīng)該包括結(jié)構(gòu)自身變化監(jiān)測和周邊環(huán)境監(jiān)測。

2.1 結(jié)構(gòu)自身變化監(jiān)測

2.1.1 水平位移

監(jiān)測并分析水平位移的規(guī)律性，有利于了解建筑物在內(nèi)、外荷載和地基變形等因素作用下的狀態(tài)是否正常，為判斷工程安全提供依據(jù)。水平位移監(jiān)測可以采用交會法、極坐標(biāo)法、以及自由設(shè)站法等。水平位移監(jiān)測點一般布設(shè)在外墻墻角、承重柱或者結(jié)構(gòu)其他重點位置上，當(dāng)結(jié)構(gòu)墻體中間部位有嚴(yán)重豎向裂縫時，還應(yīng)布設(shè)在裂縫兩側(cè)。

2.1.2 沉降

對結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測一般重點關(guān)注結(jié)構(gòu)的不均勻沉降，因為結(jié)構(gòu)的不均勻沉降會使得上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加變形和附加應(yīng)力，嚴(yán)重時房屋開裂，直接影響結(jié)構(gòu)安全性。同時其會引起結(jié)構(gòu)出現(xiàn)傾斜，也會引起結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫，因此在監(jiān)測時沉降監(jiān)測、傾斜監(jiān)測以及裂縫監(jiān)測可以相互反映。沉降監(jiān)測可采用水準(zhǔn)測量、靜力水準(zhǔn)測量等方法。沉降監(jiān)測點布設(shè)位置直接影響到結(jié)構(gòu)沉降分析的準(zhǔn)確性，一般布設(shè)在：①建筑的四角、大轉(zhuǎn)角處及沿外墻每10～20 m 處或每隔2～3 根柱基上；②建筑裂縫和沉降縫兩側(cè)、基礎(chǔ)埋深相差懸殊處、人工地基與天然地基接壤處、不同結(jié)構(gòu)的分界處以及地質(zhì)條件變化處兩側(cè)；③框架結(jié)構(gòu)建筑的每個或部分柱基上或沿縱橫軸線上。

2.1.3 傾斜

傾斜是指結(jié)構(gòu)的中心線或者墻、柱頂部的某點，與底部對應(yīng)點相對偏離的現(xiàn)象［6］。其產(chǎn)生的原因主要有3個方面［7-8］：①基礎(chǔ)的地基應(yīng)力不均勻或地基承載力不足；②相鄰新建筑施工對既有建筑結(jié)構(gòu)的影響，如周邊存在深基坑開挖等；③地面水對土體的軟化作用。結(jié)構(gòu)發(fā)生傾斜變形會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加的次應(yīng)力，結(jié)構(gòu)受力發(fā)生變化，荷載重分布，構(gòu)件的承載力也會因此受到影響，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)安全性的降低，嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)而倒塌［9］。不論是2016 年發(fā)行的《危險房屋鑒定標(biāo)準(zhǔn)》，還是2022 年國家住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部印發(fā)的《自建房結(jié)構(gòu)安全排查技術(shù)要點（暫行）》的通知中，傾斜都是判斷結(jié)構(gòu)是否安全的重要指標(biāo)之一，因此結(jié)構(gòu)傾斜需要進行重點監(jiān)測。傾斜監(jiān)測一般采用全站儀投點法、差異沉降法以及傾斜儀法等。傾斜監(jiān)測監(jiān)測點大多數(shù)布設(shè)在房屋頂部的角點處，對于已經(jīng)存在安全隱患的建筑結(jié)構(gòu)，監(jiān)測點的布置應(yīng)考慮主要傾斜方向，監(jiān)測數(shù)量宜適當(dāng)增加。

2.1.4 裂縫

荷載、溫度變化、地基基礎(chǔ)變形以及施工質(zhì)量都會引起結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫。建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)裂縫，可能會破壞結(jié)構(gòu)整體性，降低結(jié)構(gòu)剛度，從而影響其承載力。在一般條件下，細微的裂縫并不直接影響結(jié)構(gòu)的安全，但大多數(shù)工程的破壞與倒塌是從裂縫擴展開始的。因此，對既有建筑結(jié)構(gòu)安全和正常使用有影響的裂縫都應(yīng)該進行監(jiān)測［10］。裂縫監(jiān)測一般監(jiān)測裂縫的長度、寬度以及裂縫的位置、走向?？梢圆捎脺y縫計、電子裂縫觀察儀等方法。結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫的原因和形式各種各樣，需要專業(yè)技術(shù)人員判斷哪些裂縫需要進行監(jiān)測，在裂縫最寬處和末端兩側(cè)布設(shè)監(jiān)測點，同時還應(yīng)在監(jiān)測前進行拍照存檔，以便后續(xù)分析裂縫的發(fā)展情況。

2.2 周邊環(huán)境監(jiān)測

2.2.1 地下水位

地下水位的變化可能直接影響既有建筑的安全：①可能引起地基承載力下降；②可能引起基礎(chǔ)的附加沉降，如果土質(zhì)本身不均勻，地下水位下降還將造成地面的不均勻沉降，導(dǎo)致建筑物的傾斜和破壞。

2.2.2 周邊地表沉降

周邊地表沉降會影響既有建筑結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。如果其周邊地表長期處于沉降狀態(tài)，建筑物大概率會產(chǎn)生嚴(yán)重的傾斜，甚至損壞而成為危險房屋。

2.2.3 振動

有的既有建筑周邊會存在工程施工的情況，而施工過程中的振動會對建筑物帶來一定的影響，可能會導(dǎo)致周邊建筑外墻飾面掉落，當(dāng)動荷載超過一定限制時，會導(dǎo)致基礎(chǔ)產(chǎn)生不均勻沉降，結(jié)構(gòu)發(fā)生異常變形，從而被破壞［11］。

3 監(jiān)測方法選擇

合適的監(jiān)測方法是開展不同監(jiān)測項目監(jiān)測工作的前提，目前監(jiān)測方法主要分為兩大類：傳統(tǒng)人工監(jiān)測和自動化監(jiān)測。自動化監(jiān)測相比傳統(tǒng)人工監(jiān)測效率高，且可以同步將監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)測云平臺，但是自動化監(jiān)測設(shè)備需要大量的安裝和維護費，且其對環(huán)境要求較高。實際工程中需要監(jiān)測的結(jié)構(gòu)數(shù)量龐大，現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，因此需要綜合考慮多方面因素，選擇最合適的監(jiān)測方法。鑒于此，本文對目前工程監(jiān)測作業(yè)常用的儀器進行了匯總，如表2所示。

表2 監(jiān)測項目Tab.2 Monitoring Item List

⑴水平位移：目前監(jiān)測水平位移可以采用測量機器人（自動全站儀）或者GNSS位移監(jiān)測儀等。測量機器人和GNSS 位移監(jiān)測儀有著精度高，效率高的特點，還可以和計算機系統(tǒng)對接，方便后續(xù)數(shù)據(jù)處理。但是，在測量高層建筑時，需要將測量機器人放在視野開闊的地方，使用環(huán)境受限，且對既有建筑結(jié)構(gòu)的監(jiān)測是長期的，現(xiàn)場監(jiān)測環(huán)境復(fù)雜，若將測量機器人長期放在監(jiān)測現(xiàn)場，很容易受到損壞。而GNSS 位移監(jiān)測儀監(jiān)測覆蓋范圍小、點位較少，且安裝和維護的成本很高。因此，對水平位移的監(jiān)測宜用傳統(tǒng)人工監(jiān)測。

⑵沉降：沉降監(jiān)測目前常用的自動化設(shè)備有靜力水準(zhǔn)儀、測量機器人等。靜力水準(zhǔn)儀雖然監(jiān)測精度相對比人工測量高，但是靜力水準(zhǔn)儀必須等到液面徹底平靜時才能測量，因此無法及時反映出變化的位移，只能用在中長期的位移沉降趨勢變化監(jiān)測中，如果測點溫度不穩(wěn)定或附近有打樁機工作、列車經(jīng)過或其他振動源的存在，將極大的干擾靜力水準(zhǔn)儀的液位，導(dǎo)致數(shù)據(jù)嚴(yán)重錯誤，完全無法使用。特別是需要在位移超限時立即報警的項目中，誤報極其嚴(yán)重。用測量機器人監(jiān)測沉降和水平位移一樣，需要考慮其視野開闊以及成本等問題。因此對沉降進行監(jiān)測宜采用傳統(tǒng)人工監(jiān)測。

⑶傾斜：傾斜監(jiān)測可以采用全站儀、傾角傳感器等進行監(jiān)測。全站儀需要通視才能找到監(jiān)測點，而絕大多數(shù)需要監(jiān)測的建筑結(jié)構(gòu)都排列密集，受場地條件限制，大部分位置難以找準(zhǔn)上部監(jiān)測點，且其受光照等環(huán)境因素影響較大。舒國志等人［12］指出傾斜監(jiān)測是結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測的一個重要指標(biāo)，可以衡量結(jié)構(gòu)是否安全，同時也能夠作為房屋是否能夠正常使用的判定依據(jù)，所以及時有效的傾斜預(yù)警非常重要。相比于全站儀，傾角傳感器可以實現(xiàn)實時、連續(xù)、長期的監(jiān)測，不間斷將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳到監(jiān)測平臺上，便于查看結(jié)構(gòu)傾斜情況，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超過平臺設(shè)定限值時，可以立刻預(yù)警。同時，對于需要長期監(jiān)測既有建筑結(jié)構(gòu)傾斜情況來說，其設(shè)備和安裝成本相對較低，可以大面積開展自動化傾斜監(jiān)測工作。因此，對于傾斜監(jiān)測建議采用自動化監(jiān)測。

⑷裂縫：裂縫監(jiān)測常采用游標(biāo)卡尺、測縫計等。游標(biāo)卡尺是一種傳統(tǒng)的測量工具，將游標(biāo)放置在裂縫兩側(cè)，并讀取游標(biāo)與刻度尺之間的數(shù)值，即可得到裂縫的寬度，適用于快速測量和常規(guī)裂縫評估測量。裂縫計是一種專門設(shè)計用于測量裂縫寬度的儀器，其精度高，可以自動記錄監(jiān)測數(shù)據(jù)。裂縫監(jiān)測方法應(yīng)該根據(jù)裂縫類型和尺寸、測量精度需求以及監(jiān)測頻率等因素選擇。由于裂縫數(shù)量較多，全采用自動化監(jiān)測，則成本過高。因此，如果裂縫較為嚴(yán)重，需要實時監(jiān)測其變化情況，可以采用裂縫計等設(shè)備進行自動化監(jiān)測，如果只需要了解其是否發(fā)展等，宜定期進行人工測量。

⑸地下水位：地下水位可以用鋼尺位移計或者滲壓計等監(jiān)測。滲壓計雖然可以做到自動化監(jiān)測，但是其精度比鋼尺位移計低。由于目前對地下水位的監(jiān)測一般是定期監(jiān)測看其變化情況，相對來說采用自動化監(jiān)測成本高，因此宜采用傳統(tǒng)人工監(jiān)測。

綜上所述，可以看出自動化監(jiān)測由于受到使用環(huán)境、成本、監(jiān)測頻次的影響，其應(yīng)用場景十分有限。針對不同監(jiān)測項目而言，傾斜監(jiān)測采用自動化監(jiān)測是最優(yōu)選擇，而其他監(jiān)測項目難以長期、大面積開展自動化監(jiān)測。

4 “人防+技防”的監(jiān)測方案

對既有建筑結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測的目的是為了實時掌握結(jié)構(gòu)情況，及時預(yù)警，以保障人民生命財產(chǎn)安全，維護社會穩(wěn)定性。然而，現(xiàn)有監(jiān)管技術(shù)手段相對落后，缺乏成熟、完善的監(jiān)測管理方法，難以大面積開展和落實行之有效的結(jié)構(gòu)安全監(jiān)控管理工作。因此，本文提出了一種既有建筑結(jié)構(gòu)安全智能監(jiān)測方法——“人防+技防”的監(jiān)測方案。具體流程如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)安全智能監(jiān)測Fig.2 Intelligent Monitoring of Structural Safety

4.1 “技防”

“技防”是指利用信息化手段，以最優(yōu)的監(jiān)測方式對結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)進行監(jiān)測，及時反饋房屋安全狀態(tài)，開展房屋實時隱患防治工作。由第3 節(jié)分析可知，不同監(jiān)測項目所適宜的監(jiān)測方法不同，例如傾角監(jiān)測更適合采用自動化監(jiān)測，而裂縫監(jiān)測更適合用傳統(tǒng)人工監(jiān)測，因此，需要將傳統(tǒng)人工監(jiān)測與自動化監(jiān)測結(jié)合起來，以達到“技防”的目的——控制成本的同時又做到多方面監(jiān)測。

4.2 “人防”

“人防”由專業(yè)巡查與日常巡查組成。其中，專業(yè)巡查是指專業(yè)技術(shù)人員每年定期對結(jié)構(gòu)、周邊環(huán)境以及安裝的監(jiān)測設(shè)備等進行檢查；日常巡查是指社區(qū)網(wǎng)格員按照相關(guān)要求對結(jié)構(gòu)進行的檢查。兩者相輔相成，相互補充。

通過“技防”可以得到定量的數(shù)據(jù)，從而進行定量分析；而以目測為主的“人防”更加簡便，可以起到定性、補充的作用，以避免片面的分析和處理問題。因此將“人防”和“技防”結(jié)合起來，能夠全方位的對結(jié)構(gòu)進行安全監(jiān)測，避免結(jié)構(gòu)安全事故的發(fā)生。

4.3 智能監(jiān)測云平臺

將上述方法得到的監(jiān)測信息上傳至房屋安全智能監(jiān)測云平臺，平臺可以持續(xù)記錄結(jié)構(gòu)傾斜、沉降、裂縫變化等變形信息，同時自動繪制出監(jiān)測成果圖，以便專業(yè)技術(shù)人員對結(jié)構(gòu)狀況進行科學(xué)分析，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)達到設(shè)定的預(yù)警值時，立刻進行預(yù)警，實現(xiàn)對既有建筑結(jié)構(gòu)的智能化監(jiān)測。

4.4 工程實例

應(yīng)用上節(jié)介紹的“人防+技防”監(jiān)測方案，對廣州市番禺區(qū)某處30 余棟老舊房屋進行了安全監(jiān)測與預(yù)警，在監(jiān)測云平臺上可以查看實時傾斜監(jiān)測曲線以及各建筑結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)，同時對社區(qū)網(wǎng)格員進行專業(yè)培訓(xùn)，以達到群防群治的目的。當(dāng)傾斜值達到限值時，相關(guān)人員能立刻收到信息，做到第一時間給出預(yù)警房屋的位置及其目前情況。

以某棟建筑結(jié)構(gòu)為例：其地基基礎(chǔ)有明顯的不均勻沉降，門廊地面產(chǎn)生嚴(yán)重開裂現(xiàn)象。部分墻體產(chǎn)生水平、豎向及斜向裂縫，裂縫主要集中出現(xiàn)在門窗洞角邊、墻體與板底之間連接處及板底下方墻體；門廊磚柱及地面產(chǎn)生開裂，墻體局部飾面出現(xiàn)龜裂、滲水、起鼓及剝落現(xiàn)象；陽臺及天面護欄個別鋼筋混凝土構(gòu)件出現(xiàn)混凝土保護層開裂、剝落、露筋及銹蝕現(xiàn)象。由于附近工程施工回填土自重對地基土產(chǎn)生較大的附加應(yīng)力使房屋的傾斜有所發(fā)展，因此重點監(jiān)測其傾斜情況。結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀如圖3所示，監(jiān)測點布設(shè)位置如圖4所示，該結(jié)構(gòu)傾斜監(jiān)測的實時數(shù)據(jù)如圖5所示，可以看出在原本傾斜量的基礎(chǔ)上，其傾斜量有所增加，但是還未達到設(shè)定的預(yù)警值，因此未觸發(fā)預(yù)警系統(tǒng)。同時，專業(yè)技術(shù)人員和社區(qū)網(wǎng)格員定期開展的巡視檢查工作也發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)傾斜相較之前嚴(yán)重，且房屋墻面的裂縫也有所發(fā)展。

圖3 結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀Fig.3 Structure Status

圖4 監(jiān)測點布設(shè)Fig.4 Distribution of the Monitoring Points

圖5 傾斜實時監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.5 Inclination Real-time Monitoring Data

5 結(jié)論

在環(huán)境、外荷載作用下，既有建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不均勻沉降、傾斜、開裂等病害將降低結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與可靠性，影響結(jié)構(gòu)的正常使用，甚至危害結(jié)構(gòu)的安全。將傳統(tǒng)人工監(jiān)測與自動化監(jiān)測結(jié)合起來，對既有建筑結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)進行監(jiān)測，可以實時了解結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，再輔以巡視檢查，形成“人防+技防”的全方位監(jiān)測模式，實現(xiàn)既有建筑結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)控管理，做到及時預(yù)警，盡可能減少安全事故的發(fā)生。