魯玉芬，開 明，汪圣杰

(1.蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程學(xué)院， 安徽 蕪湖 241003；2.蕪湖市勘察測繪設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，安徽 蕪湖 241000)

隨著城市建設(shè)飛速發(fā)展，高層建筑物層出不窮。保障高層建筑物在建設(shè)和使用期間的安全，已成為相關(guān)專業(yè)人士關(guān)注的焦點。其中，最為突出的是建筑物沉降導(dǎo)致主體結(jié)構(gòu)破壞或產(chǎn)生沉降裂縫問題[1]。因此，對高層建筑物進(jìn)行變形監(jiān)測及預(yù)測，是保障建筑物在施工和使用期間安全性的重要手段。目前，發(fā)展較為成熟且運用較為廣泛的單一預(yù)測模型主要有灰色GM(1,1)模型[2]、時間序列模型[3]、線性擬合模型[4]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[5]等。建筑物的沉降受工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)、基礎(chǔ)形式、自身結(jié)構(gòu)荷載以及外在環(huán)境等多種因素的影響。單一的沉降預(yù)測模型都有不足之處，很難保證能夠得到具有較高精度的預(yù)測值。因此，為了提高建筑物沉降的預(yù)測精度，在充分發(fā)揮各單一預(yù)測模型優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，對各單一預(yù)測模型設(shè)置不同的權(quán)重，將其綜合起來形成組合預(yù)測模型，對建筑物未來的沉降變化規(guī)律及發(fā)展趨勢進(jìn)行預(yù)測，會使具體預(yù)測過程更加合理，預(yù)測結(jié)果更加可靠。

以蕪湖中建生活廣場4#樓第5～10期沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運用經(jīng)典定權(quán)法組合預(yù)測模型，對4#樓第11期的沉降變化規(guī)律及發(fā)展趨勢進(jìn)行預(yù)測，將其預(yù)測精度與線性擬合模型、灰色GM(1,1)模型、時間序列模型等單一預(yù)測模型進(jìn)行對比，以突出組合預(yù)測模型的先進(jìn)性。

1 單一預(yù)測模型不足之處

1.1 時間序列模型

運用時間序列模型進(jìn)行建筑物沉降預(yù)測時，在數(shù)據(jù)采集方面要求比較高。

1)要有足夠多的沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，這往往不是所有的建筑物沉降監(jiān)測都能達(dá)到的。

2)必須對原始沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)運用適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行處理后才能夠建模。如果數(shù)據(jù)處理不當(dāng)，所建模型將不能真實反映沉降情況。

3)難以確定引起建筑物沉降變形的隨機(jī)變量與其他變量之間的關(guān)系，導(dǎo)致該模型在建筑物沉降預(yù)測應(yīng)用方面存在較大的局限性[6-8]。

1.2 灰色 GM(1,1)模型

該模型通過理論計算得到的是一條平滑度很高的連續(xù)曲線，但原始監(jiān)測數(shù)據(jù)的波動性變化會大大降低模型的預(yù)測精度，難以較為真實地反映建筑物未來的沉降變化趨勢與規(guī)律；同時，如果在工程周期較長、原始沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)不充分的條件下，繼續(xù)采用前期的監(jiān)測數(shù)據(jù)對建筑物進(jìn)行沉降預(yù)測，其預(yù)測精度會隨著周期的延長逐漸降低[9-10]，預(yù)測結(jié)果不能反映真實的沉降情況。

1.3 線性擬合模型

導(dǎo)致建筑物沉降的因素比較多，利用該模型進(jìn)行建筑物沉降預(yù)測時，一旦考慮的因素不全面，尤其是建筑物荷載方面考慮不夠充分時，預(yù)測結(jié)果會產(chǎn)生較大偏差，建筑物沉降預(yù)測精度會降低，很難分析引起建筑物沉降的原因。

2 組合預(yù)測模型的工程應(yīng)用

2.1 組合預(yù)測模型的基本原理

組合模型是將2種或者多種單一模型用適當(dāng)?shù)姆绞浇⑵饋淼慕M合體模型。本文采用權(quán)重分配的方式發(fā)揮各單一預(yù)測模型的優(yōu)勢，將各單一預(yù)測模型在建筑物沉降預(yù)測中起主導(dǎo)作用的強(qiáng)項賦予較大的權(quán)重，其他的賦予較小的權(quán)重，再將這些單一預(yù)測模型進(jìn)行賦值組合，建立組合預(yù)測模型對建筑物沉降進(jìn)行預(yù)測。最常見的組合預(yù)測模型定義為：

(1)

式(1)中，ξ為組合預(yù)測模型的最終預(yù)測結(jié)果；fi(k)為同一時刻k各單一預(yù)測模型的預(yù)測結(jié)果；ψi為單一預(yù)測模型的分配權(quán)值(本工程采用的是經(jīng)典定權(quán)法)。

(2)

(3)

2.2 組合預(yù)測模型的優(yōu)點

建筑物沉降變形受多種因素的綜合影響，既有一定的規(guī)律性，又有較強(qiáng)的隨機(jī)性。采用不同類型的單一模型預(yù)測建筑物沉降，其預(yù)測結(jié)果也是參差不齊，難以確定建筑物的實際沉降情況，無法全面地反映建筑物沉降的變化規(guī)律和發(fā)展趨勢?？紤]到各變形因子對建筑物沉降變形產(chǎn)生的影響，根據(jù)各變形因子在不同單一預(yù)測模型中所占的比重，綜合考慮各單一預(yù)測模型的有用信息，采用組合預(yù)測模型將各影響因子進(jìn)行組合，不僅有助于提高預(yù)測精度，還能更好地反映建筑物的變形情況。

灰色線性回歸模型能夠滿足中、短期數(shù)據(jù)的擬合及預(yù)測，擬合精度高，具有明顯的優(yōu)勢，能較為準(zhǔn)確地預(yù)測建筑物前期的沉降發(fā)展趨勢；灰色GM(1，1)模型只需少量樣本數(shù)據(jù)即可建模；灰色時序組合模型可以將二者的優(yōu)勢結(jié)合，縮小單一預(yù)測模型應(yīng)用的局限性。本文將這3個單一預(yù)測模型的優(yōu)點綜合起來，建立的組合預(yù)測模型解決了單一預(yù)測模型穩(wěn)定性差和預(yù)測精度較低的問題，得到的預(yù)測值與實測值最為擬合，在建筑物沉降預(yù)測中具有一定的適用性和有效性。

2.3 組合預(yù)測模型的工程應(yīng)用實例

蕪湖中建生活廣場4#樓位于安徽省蕪湖市弋江區(qū)境內(nèi)，西至中建七局二公司住宅小區(qū)，北至九龍新村小區(qū)，東臨南塘湖路，擬建層高為22層。根據(jù)《建筑變形測量規(guī)范》(JGJ 8-2016)的有關(guān)要求和沉降觀測的需要，在4#樓外墻(柱子)上和房屋室外地坪±0.000以上布設(shè)6個沉降監(jiān)測點，編號為D1～D6。沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)采用徠卡DNA03電子水準(zhǔn)儀按二等水準(zhǔn)測量閉合路線要求進(jìn)行采集。采用相同的監(jiān)測網(wǎng)形、路線、方法和監(jiān)測人員，并使用同一測量儀器和設(shè)備對不同建設(shè)周期進(jìn)行監(jiān)測。外業(yè)監(jiān)測、原始數(shù)據(jù)記錄、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)嚴(yán)密平差計算等均按《建筑變形測量規(guī)范》(JGJ 8-2016)要求進(jìn)行。沉降監(jiān)測的閉合差不得大于 2 mm，如若超限則應(yīng)重測。

原始監(jiān)測數(shù)據(jù)為蕪湖中建生活廣場4#樓第5～10期沉降量，以此為基礎(chǔ)來預(yù)測4#樓第11期的沉降變化規(guī)律及其發(fā)展趨勢。原始監(jiān)測數(shù)據(jù)的預(yù)處理采用奇異值“3σ”準(zhǔn)則，對其中的奇異值進(jìn)行剔除，并檢核測量原始累計沉降數(shù)據(jù)。第 5～10 期D1～D6 監(jiān)測點累積沉降量見表1。結(jié)果顯示沒有出現(xiàn)粗差值，說明第5～10期采集的沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)較理想，可以作為組合預(yù)測模型的建模數(shù)據(jù)。

表1 第 5～10 期D1～D6 監(jiān)測點累積沉降量

以表1中第5～10期D1～D6 監(jiān)測點累積沉降量為組合預(yù)測模型數(shù)據(jù)，對4#樓第11期的沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測，并與各單一預(yù)測值進(jìn)行對比分析。第11期實測值與預(yù)測值沉降量見表2。

表2 第11期實測值與預(yù)測值沉降量 mm

由表2可以看出，各單一預(yù)測模型的預(yù)測結(jié)果均不是很理想，與實測值偏差較大，而組合預(yù)測模型的預(yù)測值與實測值相對比較接近，預(yù)測結(jié)果較為理想。為進(jìn)一步分析組合預(yù)測模型的預(yù)測精度，對組合預(yù)測模型和單一預(yù)測模型進(jìn)行殘差對比分析。第11期實測值與預(yù)測值沉降殘差見表3。

表3 第11期實測值與預(yù)測值沉降殘差 mm

由表3可以看出，利用組合預(yù)測模型對4#樓建筑物沉降進(jìn)行預(yù)測，總體殘差相對較小，其最大殘差值為0.10 mm，相對于單一時間序列模型、灰色GM(1，1)模型、線性一元與二元擬合模型，組合預(yù)測模型的殘差值均較小。由此可見，組合預(yù)測模型對建筑物沉降的預(yù)測精度更加準(zhǔn)確，與實測值較為接近。

3 結(jié)論

1)綜合單一時間序列模型、灰色GM(1，1)模型和線性擬合模型的優(yōu)點，挖掘了各單一預(yù)測模型的有效信息，運用經(jīng)典定權(quán)法建立了組合預(yù)測模型，對蕪湖中建生活廣場4#樓第11期建筑物沉降的變化規(guī)律及發(fā)展趨勢進(jìn)行了預(yù)測。預(yù)測結(jié)果表明，組合預(yù)測模型預(yù)測的建筑物沉降量與實測沉降量更為接近。

2)采用經(jīng)典定權(quán)法求解組合預(yù)測累計沉降量得到的預(yù)測模型沉降殘差在0.10 mm 以內(nèi)，相對于單一預(yù)測模型其預(yù)測沉降殘差值更小，預(yù)測精度更高。因此，在建筑物沉降預(yù)測中，組合預(yù)測模型具有一定的借鑒意義與應(yīng)用前景。