周向陽 況中華 沈志勇

上海建工集團股份有限公司 上海 201114

隨著社會的進步，城市發(fā)展開始進入新模式，有不少老舊建筑漸漸跟不上時代發(fā)展的潮流而將面臨淘汰。然而一些具有重要歷史意義的建筑仍需我們悉心呵護，因此歷史建筑的保護與再利用在城市發(fā)展歷程中具有重要意義。

為了保證歷史建筑在修繕改造工程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與安全，對影響結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定的因素進行全過程實時監(jiān)控顯得尤為重要[1-5]。本文以某大學(xué)歷史保護建筑加固改造修繕工程為例，對自動化監(jiān)測技術(shù)在工程中的應(yīng)用進行研究。

1 工程背景

背景工程位于某大學(xué)校園內(nèi)中西部，該樓建造于1922年，后經(jīng)過1947年、1963年、1984年3次修繕改造?，F(xiàn)對此樓將再一次進行修繕改造。

修繕改造項目分2個部分，即原歷史保護建筑南堂修繕加固保護項目及北堂新建項目（圖1）。南堂主體為木屋架、混凝土框排架組成的混合結(jié)構(gòu)體系，其中結(jié)構(gòu)柱、結(jié)構(gòu)梁、樓板均為鋼筋混凝土，1層結(jié)構(gòu)為混凝土框架結(jié)構(gòu)，2層結(jié)構(gòu)接近混凝土排架結(jié)構(gòu)，修繕后整個建筑面積為1 777 m2。

新建北堂基坑緊鄰優(yōu)秀歷史建筑南堂北側(cè)，基坑南側(cè)過于靠近南堂（僅距4.5 m），新建的北堂三軸攪拌樁施工時外邊線幾乎緊貼南堂北立面室外樓梯。南堂基礎(chǔ)和地面受北堂基坑開挖時大型機械設(shè)備、車輛、材料堆放帶來的荷載影響較大，抵抗基礎(chǔ)沉降、結(jié)構(gòu)變形程度有限。因此，對南堂進行全方位、全天候?qū)崟r監(jiān)控很有必要。

圖1 項目改造完成效果圖

2 自動化監(jiān)測技術(shù)原理及特征

自動化監(jiān)測系統(tǒng)由現(xiàn)場采集模塊、存儲模塊、遠程傳輸模塊（DTU）以及遠程監(jiān)控顯示平臺組合而成。

其工作原理為：系統(tǒng)前端為多種類型的傳感器及其采集存儲模塊，數(shù)據(jù)以有線的方式傳遞到DTU，通過DTU超遠距離傳輸功能將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆品?wù)器，通過軟件程序監(jiān)聽串口，在云服務(wù)器端進行數(shù)據(jù)的解析入庫等操作，遠程監(jiān)控平臺調(diào)取數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)至Revit模型，經(jīng)輕量化處理后發(fā)布至Web頁面（圖2）。

與傳統(tǒng)監(jiān)測手段實時性差、監(jiān)測頻率低、監(jiān)測工作量大、精度差以及人工成本高相比，該系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)采集速度快、頻率高、精度高以及節(jié)省人力成本的優(yōu)點，同時能夠全天不間斷實時采集，確保數(shù)據(jù)的完整性、連續(xù)性，能夠及時顯示結(jié)構(gòu)的整體狀態(tài)，滿足各方對數(shù)據(jù)關(guān)注的需求。

3 自動化監(jiān)測實施

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)工作原理

南堂為歷史保護建筑，墻體及屋架的安全和穩(wěn)定是修繕加固施工過程中首先要解決的問題，而對墻體及屋架進行實時監(jiān)測是確保安全的一個有效手段。

此工程施工內(nèi)容涉及局部拆除、基礎(chǔ)加固、結(jié)構(gòu)加固、水電風(fēng)安裝、室外室內(nèi)保護性修繕復(fù)原。通過對改造影響較大的主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行自動化監(jiān)測，了解結(jié)構(gòu)構(gòu)件因荷載增加而發(fā)生的變形情況[3]，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，實時將結(jié)構(gòu)的狀態(tài)反映給施工管理人員，確保整個施工過程安全可控。

3.1 監(jiān)測網(wǎng)建立

南堂木構(gòu)架的損壞主要包括木柱糟朽，柱身劈裂、折斷，檁條彎垂、腐朽，木屋架斷裂、傾斜以及早期加固不到位等情況。年久失修、木材材質(zhì)劣化、結(jié)構(gòu)性能持續(xù)惡化，使得結(jié)構(gòu)對外界環(huán)境影響、人為擾動和施工荷載均比較敏感，故需要建立科學(xué)有效的變形監(jiān)測網(wǎng)點，以實現(xiàn)全方位、全天候?qū)崟r修繕施工的精確控制。

3.2 監(jiān)測內(nèi)容

監(jiān)測內(nèi)容根據(jù)結(jié)構(gòu)自身性質(zhì)、地基情況以及施工工況決定。利用專用儀器設(shè)備，采用特定方法，對結(jié)構(gòu)變形進行持續(xù)觀測、分析和預(yù)測。通過科學(xué)的監(jiān)測，可以確定結(jié)構(gòu)在各種荷載和外力作用下的受力反應(yīng)，為結(jié)構(gòu)修繕施工安全控制提供必要的信息，及時發(fā)現(xiàn)問題并采取相應(yīng)措施。

本監(jiān)測項目主要包含以下3個方面：

1）外立面墻體結(jié)構(gòu)以及屋架結(jié)構(gòu)的傾斜變形：外立面墻體結(jié)構(gòu)及屋架結(jié)構(gòu)在施工過程中因北堂基坑開挖和南堂內(nèi)部結(jié)構(gòu)修繕導(dǎo)致的平面外傾覆引起的豎向位移。

2）外立面墻體與屋架結(jié)構(gòu)的位移變形：施工過程中，監(jiān)測墻體內(nèi)側(cè)與屋架橫梁之間的相對位移變化。

3）外立面基礎(chǔ)沉降變形：外地面基礎(chǔ)因北堂基坑開挖和南堂內(nèi)部結(jié)構(gòu)修繕?biāo)鸬某两底冃巍?/p>

3.3 測點布設(shè)

為保護墻體及屋架在施工過程中的安全，通過監(jiān)測外墻及屋架的傾覆變形、外墻與屋架橫梁之間的相對位移以及基礎(chǔ)的不均勻沉降，來判定墻體及屋架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，保證施工安全進行。

3.3.1 傾斜測點布置

對墻體及屋架結(jié)構(gòu)傾斜進行監(jiān)測，采用精密傾角儀進行測量，在靠近北堂基坑側(cè)內(nèi)墻上部及屋架頂部按三軸位置布置傾角儀。三軸共計部署6套傾角儀，對應(yīng)編號為QX1～QX6（圖3）。

圖3 傾斜測點布置示意

3.3.2 位移測點布置

對墻體與屋架橫梁之間相對位移進行監(jiān)測，采用精密位移計進行測量，在南北兩側(cè)外墻內(nèi)側(cè)上部與橫梁之間按三軸位置相對布置位移計。三軸共計部署6套位移計，對應(yīng)編號為WY1～WY6（圖4）。

圖4 位移測點布置示意

3.3.3 沉降測點布置

對基礎(chǔ)不均勻沉降進行監(jiān)測，采用靜力水準(zhǔn)儀進行測量，在建筑四周角落及三軸北堂基坑側(cè)位置處布置靜力水準(zhǔn)儀。共計部署7套靜力水準(zhǔn)儀，各套之間通過水管進行連接，對應(yīng)編號為CJ1～CJ7（圖5）。

圖5 位移測點布置示意

3.4 監(jiān)測設(shè)備

設(shè)備選型需具備滿足監(jiān)測需求、可靠耐用性以及可操作性等功能。

1）監(jiān)測需求：設(shè)備的各項參數(shù)應(yīng)該滿足監(jiān)測所需。儀器的測量范圍應(yīng)該可以覆蓋參數(shù)的變化范圍，并留有部分余量；儀器的精度及分辨率要足夠高，使得監(jiān)測對象的測量值足夠精確并有足夠高的信噪比。

2）可靠耐用性：設(shè)備應(yīng)具備很好的穩(wěn)定性和可靠性。由于該項目監(jiān)測周期較長，在整個期間儀器要保持良好的工作性能。

3）可操作性：該系統(tǒng)要求儀器設(shè)備安裝方便，使施工過程中損壞的設(shè)備易于更換。

最終選定的監(jiān)測設(shè)備的具體信息如表1所示。

表1 監(jiān)測設(shè)備類型匯總

4 監(jiān)測結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

選取監(jiān)測期間8—10月份的數(shù)據(jù)進行分析（圖6～圖8）。

圖6 位移變形數(shù)據(jù)趨勢

圖7 沉降變形數(shù)據(jù)趨勢

圖8 傾斜率數(shù)據(jù)趨勢

由數(shù)據(jù)趨勢可知，在南堂修繕工程中，位移變形、不均勻沉降、傾斜變形受內(nèi)部修繕及北堂基坑開挖影響均較小，整體趨勢變化均較小。位移變形受影響最大的點為WY3點，最大位移變形為3.5 mm；不均勻沉降受影響最大的點為CJ7點，最大相對變形為6 mm（以CJ6為參照不動點）；墻體及屋架傾斜變形受影響最大的點為QX1點，最大傾斜率為－0.07%。

5 結(jié)語

通過采用自動化監(jiān)測技術(shù)，實現(xiàn)了對建筑結(jié)構(gòu)的全天不間斷實時監(jiān)控，降低了人工成本及消除了人為誤差，大大提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、連續(xù)性。自動化監(jiān)測系統(tǒng)具有高度自動化以及網(wǎng)絡(luò)化功能，把各種類型的高精度精密傳感器通過通信及計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)手段，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，把數(shù)據(jù)實時顯示出來，使現(xiàn)場人員能夠通過互聯(lián)網(wǎng)實時查看結(jié)構(gòu)狀態(tài)數(shù)據(jù)，為施工安全提供有效保證。

監(jiān)控數(shù)據(jù)結(jié)果反映出南堂在修繕過程中結(jié)構(gòu)受施工影響的變化趨勢，通過對結(jié)構(gòu)位移、傾斜及沉降的實時數(shù)據(jù)結(jié)果分析，及時掌握了建筑結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，為后續(xù)施工提供了有力的數(shù)據(jù)支撐，保證了施工的穩(wěn)定安全。自動化監(jiān)測技術(shù)在工程施工中具有重大的意義，是新時代工程發(fā)展的必然趨勢。