胡冬芽，宋奇海，蘇鐵柱

(1.珠海市測繪院，廣東珠海519000;2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)土地管理學(xué)院，江蘇南京210007;3.湖南省勘察測繪院，湖南株洲412007)

沉降觀測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的構(gòu)建與設(shè)計(jì)

胡冬芽1，宋奇海2，蘇鐵柱3

(1.珠海市測繪院，廣東珠海519000;2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)土地管理學(xué)院，江蘇南京210007;3.湖南省勘察測繪院，湖南株洲412007)

當(dāng)前，建筑物沉降觀測非常普遍和繁瑣，如何構(gòu)建相關(guān)計(jì)算機(jī)軟件來處理沉降觀測數(shù)據(jù)和編寫報(bào)告，極具現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值。分析沉降觀測的特點(diǎn)、方法及圖表拓?fù)潢P(guān)聯(lián)，構(gòu)建和展示所開發(fā)軟件的功能和特色。

沉降觀測;Excel;圖表;VSTO

一、引 言

自改革開放以來，我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，住房和辦公條件明顯改善，可建設(shè)用地資源日漸減少，建筑設(shè)計(jì)施工技術(shù)水平不斷提高，高層及超高層建(構(gòu))筑物越來越多。高層及超高層建(構(gòu))筑物的興建，改變了地面原有狀態(tài)，地基荷載的增加，引起地基及周圍地層的變形。為保障建(構(gòu))筑物的使用安全和正常使用壽命，并為建設(shè)過程中的勘察設(shè)計(jì)與施工提供可靠的資料來源和技術(shù)參數(shù)，建(構(gòu))筑物沉降觀測的必要性和重要性愈加明顯。本文針對(duì)土木工程沉降觀測數(shù)據(jù)的計(jì)算方法、曲線模擬和沉降分析等技術(shù)環(huán)節(jié)，敘述如何構(gòu)建計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)來取代人工方式，并作出應(yīng)用性分析研究。該方法可大大降低工作強(qiáng)度和提高沉降觀測效率，具有很強(qiáng)的應(yīng)用和技術(shù)推廣價(jià)值。

二、沉降觀測技術(shù)及規(guī)范

形變觀測的任務(wù)是周期性地對(duì)觀測點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)觀測得到多期觀測值，以求得各個(gè)觀測周期間的變化量。主要包括:

1)測定建筑物地基的沉降量、不均勻沉降(沉降差)及沉降速度。

2)計(jì)算周期沉降量、周期沉降速度、地基傾斜、彎曲和重大構(gòu)件(橋墩等)傾斜等。

形變觀測的工作內(nèi)容應(yīng)根據(jù)建(構(gòu))筑物的性質(zhì)與地基情況來定，其主要特點(diǎn)是:

1)具有明確的針對(duì)性，既有重點(diǎn)，又要作全面考慮，以期正確反映建(構(gòu))筑物的現(xiàn)狀。通過計(jì)算機(jī)來整理觀測資料，詳細(xì)計(jì)算各影響因子值(位移大小、沉降速率等)，并將其繪制成便于實(shí)際應(yīng)用的圖表。

2)探討建(構(gòu))筑物的形變成因，求出形變值與荷載之間的函數(shù)關(guān)系，從而對(duì)建(構(gòu))筑物運(yùn)營狀態(tài)作出正確判斷并進(jìn)行相關(guān)預(yù)測預(yù)報(bào)。

根據(jù)建(構(gòu))筑物的特性，以及建設(shè)、設(shè)計(jì)單位的要求選擇沉降觀測精度的等級(jí)。如在沒有特別要求的情況下，針對(duì)一般性高層建(構(gòu))筑物，采用二等水準(zhǔn)測量觀測方法就能滿足沉降觀測要求。其各項(xiàng)觀測指標(biāo)要求如下。

1)往返較差、附和或環(huán)線閉合差:Δh=∑a－∑b≤1.0;

2)測站前后視距≤30 m;

3)測站前后視距差≤1.0 m;

4)前后視距累積差≤3.0 m;

5)沉降觀測點(diǎn)相對(duì)于后視點(diǎn)的高差容差≤1.0 mm。

形變觀測技術(shù)方案確定后，用測繪儀器(水準(zhǔn)儀等)定時(shí)進(jìn)行觀測，形成一定數(shù)量的數(shù)據(jù)集合后，需要內(nèi)業(yè)處理(計(jì)算、分析和建模等)，并提交如下成果:①沉降觀測成果表(或者位移成果表);②沉降(位移)觀測點(diǎn)位分布圖及各周期沉降展開圖;③u+t+s(沉降速度-時(shí)間-沉降量)曲線圖;④p+ t+s(荷載-時(shí)間-沉降量)曲線圖;⑤ 建筑物等沉降曲線圖;⑥沉降(位移)觀測分析報(bào)告。

三、Excel利用特色介紹

Microsoft Excel是世界上功能強(qiáng)大、技術(shù)先進(jìn)、使用最方便的電子表格軟件之一。它不僅是功能齊全的電子表格處理軟件，也是一種操作簡便的制圖工具，同時(shí)支持用戶功能性的二次開發(fā)(目前微軟主要支持的開發(fā)工具是 visual studio tools for office，VSTO)。它可對(duì)表格中的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行快速處理、計(jì)算和分析等，并便捷地生成各種直觀、生動(dòng)的圖表。

多年來的實(shí)踐表明，對(duì)于形變(沉降和位移)測量的紛繁數(shù)據(jù)，Excel是最好的數(shù)據(jù)記錄器(多頁表格)，同時(shí)又是最好的計(jì)算器和繪圖工具;測繪人員只要懂得一些Excel的宏命令，會(huì)寫一些簡單的代碼，就可以充分利用Excel。

1.Excel的工作表與四維數(shù)據(jù)

沉降(變形)測量是按次(期)進(jìn)行的，每次(期)測量的數(shù)據(jù)算一組，這里的四維數(shù)據(jù)，也就是三維地形數(shù)據(jù)和一維時(shí)間數(shù)據(jù)，即f(x，y，h，t)。一般格式文件(包括數(shù)據(jù)庫格式文件)不易表達(dá)四維數(shù)據(jù)，而Excel則可以很巧妙地表達(dá)，它提供了多重工作簿(sheets)。理論上，一個(gè)Excel文件可以包含無限個(gè)工作簿(實(shí)際與計(jì)算機(jī)內(nèi)存和存貯硬盤有關(guān)聯(lián))。沉降觀測中，將每一次(期)測量數(shù)據(jù)錄入一個(gè)工作簿并改名(如圖1所示)。

圖1 Excel的多個(gè)工作簿

2.各種數(shù)據(jù)格式的設(shè)定和檢查

對(duì)于非10進(jìn)制的數(shù)據(jù)，如角度值，測量儀器顯示的是度分秒，為 60進(jìn)制，如 12.345 6表示12°34'56″，如何計(jì)算角度和檢查是否超限，用戶如何采用自編函數(shù)，Excel已很好地加以解決。同樣對(duì)于時(shí)間值類型數(shù)據(jù)的計(jì)算，如何快速計(jì)算兩個(gè)日期值的間隔天數(shù)(如從2007年1月21日起，到2009年8月28日止)，Excel有專門的計(jì)算函數(shù)(DateDiff(interval，date1，date2［，firstdayofweek［，firstweekofyear］］)，使用非常方便。另外，對(duì)于設(shè)置數(shù)據(jù)格式(小數(shù)位數(shù)、日期等)，則更加簡單，有專門的對(duì)話框(如圖2所示)，用戶都很熟悉其設(shè)置方法，本文不再贅述。

3.圖與表的拓?fù)潢P(guān)聯(lián)

Excel圖表是指將工作表中的數(shù)據(jù)用圖形表示出來，使用起來也非常簡便。當(dāng)基于工作表選定區(qū)域建立圖表時(shí)，Excel使用來自工作表的數(shù)值，并將其當(dāng)作數(shù)據(jù)點(diǎn)在圖表上加以顯示。數(shù)據(jù)點(diǎn)用條形、線條、柱形、切片、點(diǎn)及其他形狀表示，這些形狀稱作數(shù)據(jù)標(biāo)示(如圖3所示)。Excel工作表中任何數(shù)據(jù)有變化，圖形都會(huì)隨之變化，同樣，圖形有任何變化，數(shù)據(jù)也會(huì)跟隨變化。也就是說，圖形和表格數(shù)據(jù)是相互關(guān)聯(lián)、有拓?fù)潢P(guān)系的。

圖2 數(shù)據(jù)格式設(shè)置

圖3 繪圖式樣

四、沉降數(shù)據(jù)處理軟件架構(gòu)的設(shè)計(jì)

本軟件系統(tǒng)編程語言選用C#語言，采用VSTO開發(fā)模式，編程界面簡潔大方，不修改Excel主菜單，只是添加Excel任務(wù)窗格，將處理沉降數(shù)據(jù)的功能加載在上面(如圖4所示)。 1.軟件的功能設(shè)計(jì)與架構(gòu)

圖4 沉降軟件的界面

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.軟件功能分析

1)參數(shù)設(shè)置。主要設(shè)置小數(shù)位數(shù)、角度值格式(度分秒或者弧度)、極限形變值等，為計(jì)算精度和預(yù)警作準(zhǔn)備。

2)參考例子與幫助。對(duì)于一線測量工作人員，本軟件提供參考例子，以方便理解和掌握，同時(shí)提供在線幫助。

3)數(shù)據(jù)錄入/輸出與編輯功能。出現(xiàn)專門的界面，用戶可按照界面提示輸入各種數(shù)據(jù)，也可以仿照例子，在Excel工作表里輸入(典型的Excel操作);可將輸出數(shù)據(jù)按次轉(zhuǎn)為一般文本數(shù)據(jù)保存或者與其他軟件交換。

4)數(shù)據(jù)計(jì)算與超限檢查。按次檢查和計(jì)算沉降值、時(shí)間間隔及誤差是否超限。

5)分點(diǎn)計(jì)算形變值和繪制折線圖。按照每個(gè)測點(diǎn)的各期測量值，計(jì)算形變值和累計(jì)形變量、時(shí)間間隔值，并繪制每點(diǎn)形變折線圖，支持圖形輸出到AutoCAD。

6)多個(gè)(全部)測點(diǎn)計(jì)算形變并繪制折線圖。計(jì)算形變值和累計(jì)形變值、時(shí)間間隔值，并繪制多條形變折線圖，用作比較和監(jiān)測。

7)位移量的計(jì)算、圖形繪制和沉降曲線的回歸分析模擬、預(yù)測。

8)沉降量展開圖繪制與分析，找出沉降異常點(diǎn)，避免拉裂建(構(gòu))筑物。

9)沉降量等值線和沉降速度等值線繪制。

10)綜合分析和報(bào)告生成。根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)，按照國家規(guī)范要求，得出形變結(jié)論，編寫出形變觀測報(bào)告。

11)觀測數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)與評(píng)估。對(duì)于測量數(shù)據(jù)，主要分析數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性，進(jìn)行如下檢測:①線性回歸檢驗(yàn);②奇異性檢驗(yàn)與插補(bǔ);③回歸分析與建模;④自由網(wǎng)平差。

3.應(yīng)用實(shí)例

通過對(duì)南通地區(qū)某商業(yè)大廈(22層，地下2層，地上20層)的形變觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，驗(yàn)證了本系統(tǒng)計(jì)算的快捷和圖表成果的可靠。形變監(jiān)測時(shí)間為4.5年。其中，建設(shè)初期(0.5年)是基坑的位移監(jiān)測數(shù)據(jù)處理;中期是建設(shè)期間(1年)沉降觀測的數(shù)據(jù)處理;后期是竣工后(3年)進(jìn)行沉降觀測的數(shù)據(jù)處理。各期數(shù)據(jù)圖、表和監(jiān)測報(bào)告自動(dòng)生成，方便快捷。有關(guān)圖表略。

五、結(jié)束語

實(shí)踐證明，本沉降觀測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)采用VSTO方式實(shí)現(xiàn)了Excel的二次開發(fā)，節(jié)約了計(jì)算機(jī)內(nèi)存;使用方便、操作簡單，能夠適合不同計(jì)算機(jī)水平用戶。該系統(tǒng)自動(dòng)繪制各種生動(dòng)美觀的圖表，編寫標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)測報(bào)告，極大地減少了工作強(qiáng)度，提高了工作效率，具有很強(qiáng)的應(yīng)用及推廣價(jià)值。

［1］ 中華人民共和國建設(shè)部.JGJ 8—2007建筑變形測量規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007.

［2］ 中華人民共和國建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB 50026—2007工程測量規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007.

［3］ 中國地質(zhì)調(diào)查局.DD 2006—2地面沉降監(jiān)測技術(shù)要求［S］.北京:［s.n.］，2006.

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［5］ 曾洪飛，張帆，盧擇臨.AutoCAD VBA＆VB.NET開發(fā):基礎(chǔ)與實(shí)例教程［M］.北京:中國電力出版社，2008.

［6］ KATHLEEN M，PAUL S.VSTO開發(fā)者指南［M］.李永倫，譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［7］ 伍逸.C#二維三維圖形繪制工程實(shí)例寶典［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2010.

［8］ Excel Home.Excel VBA實(shí)戰(zhàn)技巧精粹［M］.北京:人民郵電出版社，2008.

Construction and Design of the Settlement Observational Data Processing System

HU Dongya，SONG Qihai，SU Tiezhu

0494-0911(2012)06-0025-03

P208

B

2012-02-15

胡冬芽(1972—)，男，江西新余人，高級(jí)工程師，主要從事測繪地理信息實(shí)用技術(shù)研究工作。