引文格式： 張亞雄. 公共建筑運行安全性評估信息數(shù)據(jù)采集分析研究[J].測繪通報，2015(4)：91-96.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0119

公共建筑運行安全性評估信息數(shù)據(jù)采集分析研究

張亞雄

(上海建科工程咨詢有限公司，上海 200032)

Information Data Acquisition Operation Safety Assessment of Public Buildings

ZHANG Yaxiong

摘要：針對大型公共建筑運行健康安全性評估，以上海8萬人體育場為例，利用測量監(jiān)測方法，通過三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)采集計算空間物體的線性姿態(tài)，并結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)資料分析了建筑物運行過程中的變化情況，從而了解該類建筑物的健康安全狀況，為后期運行使用和決策提供第一手?jǐn)?shù)據(jù)資料，確保公共建筑的安全運行，并以期對建筑物健康安全性評估信息系統(tǒng)的建立提供參考。

關(guān)鍵詞：健康安全性；監(jiān)測控制網(wǎng)；懸挑梁和環(huán)形梁；監(jiān)測數(shù)據(jù)采集分析

中圖分類號：P258

收稿日期：2014-02-11

作者簡介：張亞雄(1965—)，男，工程師，研究方向為工程測量。E-mail：taxinan169@sina.com

一、引言

目前，我國已有部分上世紀(jì)末建成的大型公共建筑，其運行已接近20年，使用年限已達到壽命周期的20%～30%，雖然還處在“青壯年”時期，但也歷經(jīng)了各種環(huán)境因素和超負荷運行的考驗。為了了解和掌握多年運行后建筑物的變形情況，以及結(jié)構(gòu)安全狀況，有必要盡早對此類大型公共建筑物建立健康安全性評估信息系統(tǒng)，以便及時掌控其變形發(fā)展趨勢，確保結(jié)構(gòu)安全和健康平穩(wěn)運行，避免安全事故的發(fā)生。大型公共建筑物健康安全性監(jiān)測及評估所涉及的專業(yè)項目較多，但多數(shù)離不開測量數(shù)據(jù)的采集和處理，本文以上海8萬人體育場(如圖1所示)為例，就有關(guān)測量數(shù)據(jù)的采集，以及測量數(shù)據(jù)的分析和處理等方面進行探討，為今后大型公共建筑健康安全評估信息系統(tǒng)的建立提供參考。

圖1　上海8萬人體育場

二、測量監(jiān)測控制網(wǎng)的建立及測點設(shè)置

1. 測量監(jiān)測控制網(wǎng)的建立

測量監(jiān)測控制網(wǎng)是測量作業(yè)和數(shù)據(jù)采集的控制基準(zhǔn)和依據(jù)，其控制點的設(shè)置、觀測以及精度將直接影響到后期測量數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性，因此，建立完整可靠的測量控制網(wǎng)是建筑物健康安全性評估的測量作業(yè)首要工作。測量控制網(wǎng)設(shè)置應(yīng)結(jié)合建筑物的結(jié)構(gòu)特點和所需監(jiān)測的區(qū)域部位，以及后期測量作業(yè)的需要，如上海8萬人體育場監(jiān)測控制網(wǎng)的設(shè)置如圖2所示。

圖2　體育場監(jiān)測控制網(wǎng)平面圖

本次所設(shè)置的監(jiān)測控制網(wǎng)為相對獨立控制網(wǎng)，根據(jù)現(xiàn)場控制點測量觀測數(shù)據(jù)情況，對其4項測量精度進行了內(nèi)業(yè)計算和評定，即測角中誤差mβ=±2.24″，測邊中誤差mD=±1.25mm，測邊相對中誤差mD/D=1/105000，高程閉合差W=1.55mm。

根據(jù)以上測量精度評定計算值，平面控制精度達到了四等三角測量技術(shù)要求，高程精度達到了三等水準(zhǔn)測量技術(shù)要求，滿足了本次測量技術(shù)作業(yè)的精度標(biāo)準(zhǔn)，確保了觀測數(shù)據(jù)的精確度和可靠性。

2. 監(jiān)測點的設(shè)置

根據(jù)前期制定的測量方案，本次擬對體育場外環(huán)梁和懸挑梁進行三維測量數(shù)據(jù)采集，并通過相關(guān)數(shù)據(jù)處理分析，以便能較準(zhǔn)確地反映鋼結(jié)構(gòu)的整體空間姿態(tài)，從而對其安全性進行初步評定。

(1) 監(jiān)測部位選擇和測點設(shè)置

針對體育場屋架結(jié)構(gòu)對稱性的特點，擬對其主要結(jié)構(gòu)控制部分進行監(jiān)測，在懸挑梁監(jiān)測部分，主要選擇4個區(qū)域，分別在東南西北4個方向。以對稱軸及其兩側(cè)各一榀桁架梁所圍成的區(qū)域，體育場屋架體系中共有3道環(huán)形梁，本次僅對其最內(nèi)圈的外環(huán)形梁進行監(jiān)測，如圖2所示。

筆者對此4個區(qū)域內(nèi)的部分鋼構(gòu)件進行了全面監(jiān)測，對于建筑物安全性監(jiān)測，其監(jiān)測點的位置選擇非常重要，下面就體育場鋼結(jié)構(gòu)懸挑桁架梁和環(huán)形梁(內(nèi)環(huán))的具體監(jiān)測點位布置進行闡述。鋼結(jié)構(gòu)環(huán)形梁主要觀測其在懸挑梁最前端、短橫梁中部上表面的中點，點位設(shè)置如圖3所示。對于鋼結(jié)構(gòu)懸挑梁監(jiān)測，主要在其設(shè)定的4個區(qū)域8榀懸挑桁架上進行監(jiān)測點設(shè)置，懸挑梁監(jiān)測項目包括豎向擾度和側(cè)向彎曲度，點位設(shè)置如圖4所示，本次實測的是下懸梁。

圖3　體育場鋼結(jié)構(gòu)屋架內(nèi)環(huán)形桁架梁監(jiān)測點位置分布圖

體育場鋼結(jié)構(gòu)屋架內(nèi)環(huán)形桁架梁監(jiān)測點位于下懸挑梁兩根鋼管端部連接桿上頂表面中點(如圖3所示)。體育場鋼結(jié)構(gòu)屋架懸挑梁起拱度監(jiān)測點位于鋼管頂表面，懸挑梁側(cè)向彎曲監(jiān)測點位于鋼管側(cè)表面，編號由外向內(nèi)設(shè)置(如圖4所示)。所有監(jiān)測點位置確定后，在其現(xiàn)場進行點位標(biāo)注標(biāo)示，環(huán)形梁監(jiān)測點共布設(shè)32組(點)，懸挑梁共在8條軸線累計布設(shè)152點，本次體育場共設(shè)置184個監(jiān)測點，采集數(shù)據(jù)552組。

圖4　體育場下懸梁上表面及側(cè)面監(jiān)測點位置示意圖

(2) 監(jiān)測項目統(tǒng)計和內(nèi)容

該體育場所需監(jiān)測項目較多，本文主要針對其環(huán)形桁架梁和懸挑梁進行姿態(tài)監(jiān)測，具體項目情況見表1。

表1　體育場主要監(jiān)測項目及部位

根據(jù)前期監(jiān)測方案的要求，本次監(jiān)測的主要內(nèi)容包括懸挑梁的起拱(或下擾)度、側(cè)向彎曲度，以及環(huán)形梁對稱性變化等。

三、監(jiān)測點測量數(shù)據(jù)觀測和計算

該體育場鋼結(jié)構(gòu)屋架體系監(jiān)測數(shù)據(jù)主要依據(jù)本文設(shè)立的“獨立監(jiān)測控制網(wǎng)”，以及相關(guān)設(shè)計圖紙，對各項目的監(jiān)測點進行三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)采集、匯整和相關(guān)計算，并整理成監(jiān)測數(shù)據(jù)成果(本文平面坐標(biāo)數(shù)據(jù)均為相對值)。

1. 懸挑梁觀測數(shù)據(jù)及成果

本文懸挑梁共計監(jiān)測8條軸線，計152點，采集三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)456組，見表2(由于數(shù)據(jù)量較多，僅提供95軸部分?jǐn)?shù)據(jù))。

表2　鋼結(jié)構(gòu)懸挑梁監(jiān)測數(shù)據(jù)測量成果(95軸)

表2僅以本次監(jiān)測的95軸懸挑梁的起拱度和側(cè)向彎曲所采集的測量數(shù)據(jù)為例，其余軸線上的懸挑梁測量成果省略。懸挑梁測量觀測平面坐標(biāo)為相對數(shù)據(jù)，標(biāo)高為絕對數(shù)據(jù)，起拱度測點位于鋼管頂表面，側(cè)向彎曲測點位于鋼管側(cè)表面，編號均由外向內(nèi)設(shè)置。

2. 環(huán)形梁觀測數(shù)據(jù)及成果

該體育場環(huán)形梁共有4道(如圖2所示)，其內(nèi)圈和外圈為全封閉式環(huán)形桁架梁，中間兩道梁未封閉或僅有局部梁，本文主要針對內(nèi)圈環(huán)形桁架梁進行監(jiān)測分析，在內(nèi)環(huán)梁共布設(shè)32個監(jiān)測點，采集三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)32組，見表3。

表3　鋼結(jié)構(gòu)環(huán)形梁監(jiān)測數(shù)據(jù)測量成果(內(nèi)環(huán))

續(xù)表3

環(huán)形梁平面坐標(biāo)為相對數(shù)據(jù)，標(biāo)高為絕對數(shù)據(jù)，測點位于下懸挑梁兩根鋼管端部連接桿上頂表面中點(如圖3所示)。

四、監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理和分析

根據(jù)該體育場鋼結(jié)構(gòu)屋架的建筑特點，以及前期制定的相關(guān)監(jiān)測評估方案，本文主要對該建筑物的部分結(jié)構(gòu)控制性項目進行了健康安全性評估。根據(jù)本建筑呈現(xiàn)的對稱性特點，僅在對稱軸線上的主要懸挑梁和內(nèi)環(huán)形桁架梁等特征性結(jié)構(gòu)部位上進行了監(jiān)測數(shù)據(jù)觀測計算，并以此來進行分析評估。

由于監(jiān)測之前該建筑物未建立健康安全性評估信息系統(tǒng)，因此本次評估僅以原設(shè)計圖紙和建筑物自身對稱性特征等為依據(jù)進行分析評估。

1. 懸挑梁監(jiān)測數(shù)據(jù)處理和分析

共對兩組對稱軸上的4條軸線8根懸挑圓管梁進行了信息數(shù)據(jù)采集，由于篇幅所限，文中僅以95軸上的一根下懸挑梁起拱度為例(如圖5、圖6所示)，進行相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理和分析研究(側(cè)向彎曲本文不作探討)。

圖5　32#懸挑梁(95軸)圓管頂表面標(biāo)高偏差數(shù)據(jù)圖

圖6　32#懸挑梁(95軸)圓管姿態(tài)示意圖

在95軸鋼圓管懸挑梁上表面共設(shè)置14個監(jiān)測點(如圖6所示)，現(xiàn)場實測采集三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)14組(見表2)。在梁撓度的處理上，以該梁兩端根部為基準(zhǔn)連線，計算各監(jiān)測點距離基準(zhǔn)線的偏差值，并以此來判斷鋼梁撓度(上撓或下?lián)?，從各測點的計算數(shù)據(jù)來看(見表4)，偏差值為2.9～67.5mm，最大值67.5mm基本位于梁中部，且各監(jiān)測點的偏差值均為正值，位于基線的上面，以此判斷該鋼梁存在上撓姿態(tài)，實測該梁傾斜角i=11°25′52″，此兩項均與設(shè)計要求基本吻合。其余軸線上的懸挑梁數(shù)據(jù)計算分析略。

表4　體育場鋼結(jié)構(gòu)懸挑梁撓度偏差計算值(95軸)

注：以該梁兩端根部為基準(zhǔn)連線，“+”偏差值表示位于基線上部(上撓)，“-”偏差值表示位于基線下部(下?lián)?

2. 環(huán)形桁架梁監(jiān)測數(shù)據(jù)處理和分析

該體育場鋼結(jié)構(gòu)屋面設(shè)計理念是以東西向中心軸線為對稱的軸對稱結(jié)構(gòu)，本文僅對內(nèi)環(huán)梁進行整體監(jiān)測，共測得內(nèi)環(huán)形梁上的數(shù)據(jù)32組，包括平面坐標(biāo)數(shù)據(jù)和絕對高程數(shù)據(jù)值(見表3)。

首先，計算出南、北側(cè)兩對稱區(qū)域的相對測點的空間平面投影長度，并將對稱部位的長度進行比對，計算出其偏差數(shù)據(jù)值，具體偏差數(shù)據(jù)見表5。從長度偏差計算值(見表6)來看，南側(cè)區(qū)域的空間連線投影長度比北側(cè)區(qū)域的長，偏差范圍為18.2～48.0mm不等，由此反映出南側(cè)區(qū)域鋼結(jié)構(gòu)屋面開口有增大的趨勢，或者說明由于其他結(jié)構(gòu)的沉降變形造成了其增大。

表5　內(nèi)環(huán)梁平面對稱測點投影長度偏差表　mm

接下來將內(nèi)環(huán)梁從對稱軸處展開，如圖7所示，計算測點軸線長度和絕對標(biāo)高，并計算其相對應(yīng)的對稱部位的兩項偏差數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)見表6、表7。從表中計算結(jié)果來看，對稱軸線長度(相鄰)偏差無一定的規(guī)律，可能是施工安裝過程中積累的偏差。而從對稱測點絕對標(biāo)高偏差計算數(shù)據(jù)來看(見表7)，北側(cè)區(qū)域整體上較南側(cè)區(qū)域偏高，由此反映出南側(cè)區(qū)域整體鋼結(jié)構(gòu)屋面呈較小的下落的形態(tài)，這一點與南側(cè)區(qū)域鋼結(jié)構(gòu)屋面開口有增大的趨勢相吻合。

表6　內(nèi)環(huán)梁軸線對稱測點平面長度偏差表　mm

表7　內(nèi)環(huán)梁軸線對稱測點絕對標(biāo)高偏差表　mm

續(xù)表7　mm

五、結(jié)束語

本文對現(xiàn)場采集的測量數(shù)據(jù)和計算結(jié)果進行了初步分析。由于無前期可對比的監(jiān)測資料，本次相關(guān)計算結(jié)果分析主要與設(shè)計圖紙要求為參照，并對其空間姿態(tài)現(xiàn)狀進行描述。該體育場正常運行已超過15年，從整體空間形態(tài)上來看，即使所測得的數(shù)據(jù)和計算結(jié)果都是由于前期的沉降變形所造成的，其變形量和變化速率均較小。僅從測量結(jié)果上來看，該體育場屋面鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)行整體姿態(tài)相對穩(wěn)定。若要對其相對穩(wěn)定性進行較為全面的整體性評定，最好進行周期性監(jiān)測，并結(jié)合其他專業(yè)(如結(jié)構(gòu)專業(yè)、焊接專業(yè)等)一起進行監(jiān)測分析評估。

據(jù)此，筆者建議對類似大型公共建筑物的健康安全性的問題，有必要建立一套長期有效的監(jiān)測分析信息系統(tǒng)，以便及時了解掌握建筑物安全運行狀況，確保其健康平穩(wěn)地運行。

圖7　體育場內(nèi)環(huán)梁線性展開對稱測點高程數(shù)據(jù)對比圖

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