胡維騰

舜元建設(shè)（集團(tuán)）有限公司 上海 200335

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷成熟與各類傳感器及無線傳輸技術(shù)的突破創(chuàng)新，建筑信息化應(yīng)用的手段也愈加豐富。建筑物的沉降、傾斜及位移觀測，也從以往的實(shí)測實(shí)量，逐漸朝著物聯(lián)、無線傳輸與信息化平臺數(shù)據(jù)自動收集的方向發(fā)展。目前大多數(shù)項(xiàng)目在使用的自動化位移觀測系統(tǒng)，可以通過相關(guān)技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時監(jiān)測與上傳，并形成一定周期內(nèi)的觀測報告。但此類方法收集的數(shù)據(jù)較為單一，且因數(shù)據(jù)之間的類型與觀測周期并不相同，所以無法進(jìn)行橫向比較。在復(fù)雜環(huán)境下的特殊建筑施工及使用過程中，有時要求對整個建筑物在同一周期內(nèi)的變形狀態(tài)進(jìn)行綜合分析，找出相互影響的共同因素以采取相應(yīng)措施，保證建筑物狀態(tài)穩(wěn)定，目前的常用方法并不適用。在該前提下，通過利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合各類先進(jìn)傳感器與無線傳輸手段，探究一種此類建筑變形觀測的新方法，通過觀測同一點(diǎn)的沉降、傾斜與位移數(shù)據(jù)并進(jìn)行綜合分析，得到影響建筑整體變形的關(guān)鍵因素，并采取措施進(jìn)行有效控制[1-5]。

1 常用建筑變形觀測的內(nèi)容及方法

1.1 建筑物變形觀測內(nèi)容

建筑物變形觀測是指在建造、使用、維護(hù)過程中對建筑物產(chǎn)生的相關(guān)變形數(shù)據(jù)進(jìn)行觀測與數(shù)據(jù)收集工作，主要內(nèi)容包括建筑日沉降、傾斜、位移等的觀測，在建筑物本身未發(fā)生可見裂縫的情況下，針對上述工作相關(guān)數(shù)據(jù)的收集、整理與統(tǒng)計，可有效幫助建設(shè)方及使用方掌握建筑物狀態(tài)，并根據(jù)評定結(jié)果采取相應(yīng)措施控制建筑物變形。

1.2 常用建筑物變形觀測方法

1）建筑物的沉降觀測：現(xiàn)有一般條件下，普通建筑的沉降觀測主要采用沉降針＋水準(zhǔn)觀測等方法，在觀測時，通過合理布設(shè)沉降觀測點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)，結(jié)合制定的周期，根據(jù)實(shí)際觀測時記錄的建筑物沉降針與基準(zhǔn)點(diǎn)的差值進(jìn)行計算，以確定沉降數(shù)值。

2）建筑物的傾斜觀測：正常情況下，建筑物的傾斜觀測方法主要包括經(jīng)緯儀觀測法與垂直儀觀測，少數(shù)情況下利用鉛錘觀測法，其原理是通過測量上層建筑物與下層建筑物間位移變化量，并經(jīng)過計算得出整個建筑物的傾斜角度，通過周期性觀測得出相應(yīng)的傾斜發(fā)生速率。

3）建筑物的位移觀測：在現(xiàn)有技術(shù)條件下，建筑物的位移觀測通常由硬件傳感器代替，且目前針對建筑物的位移觀測技術(shù)發(fā)展較快，亦有較多應(yīng)用基坑埋置式傳感器進(jìn)行自動觀測的案例，通過設(shè)定的基準(zhǔn)點(diǎn)與觀測點(diǎn)隨時間變化的數(shù)值來確定建筑物或具體建筑構(gòu)件的位移情況。

2 復(fù)雜環(huán)境下特殊建筑變形觀測新法

2.1 變形觀測新法應(yīng)用背景

在某些建筑物的施工過程中，由于新建建筑環(huán)境與周圍場地限制，加之施工場地與運(yùn)輸線路布置復(fù)雜，或者建筑物本身功能性要求特殊，造成此類環(huán)境下的特殊建筑物變形觀測時間及精度難以得到保證；又因常用建筑物變形觀測方法的局限性，一是觀測周期和方法各不相同，二是觀測點(diǎn)位置無法保證統(tǒng)一，所以導(dǎo)致在此類建筑的變形觀測工作中，對建筑沉降、傾斜及位移觀測的數(shù)據(jù)無法進(jìn)行橫向比較，從而對影響此類建筑變形的主要因素判斷不準(zhǔn)確。通過應(yīng)用“一種可顯數(shù)值的信息集成化沉降觀測系統(tǒng)”，對此類環(huán)境下的特殊建筑物進(jìn)行變形觀測發(fā)現(xiàn)，只需對觀測點(diǎn)進(jìn)行合理的布置，該新法可做到相關(guān)數(shù)值可視化，且能有效保證觀測精度，提高觀測數(shù)據(jù)時效性及有效性。與此同時，該方法將沉降、傾斜及位移觀測點(diǎn)位置進(jìn)行了統(tǒng)一，便于對同一觀測點(diǎn)位置及觀測周期下觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，從而可分析得出影響建筑整體變形的關(guān)鍵因素，并采取措施進(jìn)行有效控制，使變形觀測工作更加方便、有效。

2.2 變形觀測新法原理介紹

新法采用包括定位沉降測量前端、前端傳感器儲供液裝置、水平基準(zhǔn)控制點(diǎn)裝置、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)控制終端等設(shè)備，如圖1所示。

圖1 一種可顯數(shù)值的信息集成化沉降觀測系統(tǒng)示意

在上述類型建筑物的施工及使用過程中，通過將液壓式靜力水準(zhǔn)儀、GPS定位傳感器、傾角傳感器、數(shù)據(jù)處理模塊、無線數(shù)據(jù)發(fā)送器及用于顯示的液晶顯示屏等相關(guān)裝置置于沉降觀測前端內(nèi)，并整體與折疊式沉降測量針進(jìn)行固定連接，通過膨脹螺栓固定于建筑物主體結(jié)構(gòu)上，其在使用過程中仍具有常規(guī)人工觀測功能，具體構(gòu)成及安裝方式如圖2所示。

其內(nèi)置的液壓式靜力水準(zhǔn)儀通過建筑物觀測點(diǎn)與水平基準(zhǔn)控制點(diǎn)間的壓差計算建筑物的沉降狀態(tài)，可達(dá)到綜合接近0.2 mm的觀測精度，并根據(jù)建筑物本身環(huán)境適應(yīng)-40～85 ℃的環(huán)境溫度，滿足大部分建筑環(huán)境要求；通過內(nèi)置的傾角傳感器可在既定的x軸、y軸上進(jìn)行切換，量程精確至15°，滿足建筑物測量要求；同時，在沉降測量前端選擇高精度GPS定位傳感器，監(jiān)測精度滿足基坑監(jiān)測規(guī)范要求的0.25 mm/m，每500 mm范圍內(nèi)的分辨率高于0.02 mm；具體工作時，該定位沉降測量前端內(nèi)的GPS定位傳感器、傾角傳感器、液壓式靜力水準(zhǔn)儀采集的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)線傳輸至數(shù)據(jù)處理模塊，并通過數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行處理后，將數(shù)據(jù)通過無線數(shù)據(jù)發(fā)送器發(fā)送至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)控制終端進(jìn)行統(tǒng)計分析，同時可將數(shù)據(jù)在沉降觀測前端的顯示屏上顯示；遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)控制終端構(gòu)建的數(shù)據(jù)平臺對建筑物垂直傾斜情況及沉降數(shù)值進(jìn)行統(tǒng)計分析，并通過人工采取相應(yīng)調(diào)整手段，保證建筑的安全性、耐久性，其內(nèi)部具體構(gòu)造如圖3所示。

圖2 沉降測量前端整體構(gòu)造示意

圖3 沉降測量前端內(nèi)部示意

2.3 變形觀測新法具體實(shí)施方式

2.3.1 前期準(zhǔn)備

此法針對復(fù)雜環(huán)境下特殊建筑物的變形觀測，可先建立數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)，通過計算建筑物本身的單位受壓及傾斜、位移觀測精度要求，合理布置觀測前端，選擇準(zhǔn)確固定的水平基準(zhǔn)控制點(diǎn)，制定觀測周期及整改措施計劃，在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)控制終端中建立相應(yīng)數(shù)據(jù)觀測平臺，根據(jù)要求確定量值與限值。該系統(tǒng)中涉及裝置在安置沉降測量前端時，需要計算建筑沉降及變形受力點(diǎn)位置，根據(jù)計算結(jié)果進(jìn)行安置，一般安置于建筑基礎(chǔ)受力結(jié)構(gòu)上，以保證建筑基礎(chǔ)整體傾斜、位移數(shù)據(jù)與上部結(jié)構(gòu)一致。

2.3.2 具體實(shí)施方式

在對建筑物實(shí)施觀測時，具體方法如下：所述新法系統(tǒng)裝置中的沉降測量前端內(nèi)的折疊式沉降測量針，應(yīng)于建筑物主體受力結(jié)構(gòu)施工時進(jìn)行預(yù)埋，整體定位觀測前端的設(shè)置需滿足沿建筑四角、外墻每10～15 m或每隔2～3根樁基設(shè)置1個，且每側(cè)不少于3個的要求；擇優(yōu)布置在建筑外墻角、外墻中間部位的墻/柱及裂縫兩側(cè)與其他有代表性的部位。此外，在傾斜觀測時，應(yīng)滿足在建筑物角點(diǎn)、變形縫兩側(cè)的承重柱/墻上等布設(shè)要求，同時滿足沿主體頂部、底部、上下對應(yīng)布設(shè)，且在同一豎線上的布設(shè)要求。在沉降測量前端安裝完成后，需將沉降測量前端內(nèi)的液壓式靜力水準(zhǔn)儀通過液壓管與空壓管連接前端傳感器儲供液裝置，現(xiàn)場布線管時應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，選擇埋地或架空，保證前端傳感器供液裝置可有效供液；水平基準(zhǔn)控制點(diǎn)裝置在設(shè)置時，選擇較為安全且固定的位置并進(jìn)行物理保護(hù)，以確保變形觀測系統(tǒng)有效工作且提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)；遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)控制終端建立的數(shù)據(jù)觀測平臺通過接收前端數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并為施工及管理者做出控制措施計劃提供數(shù)據(jù)支撐；現(xiàn)場施工、管理人員同時可根據(jù)液晶顯示屏上顯示的沉降、傾斜、位移數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行現(xiàn)場觀測與記錄。

除此上述實(shí)施方式外，現(xiàn)場施工管理或運(yùn)行維護(hù)工作人員，可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行人工觀測，在該系統(tǒng)的沉降測量前段內(nèi)置折疊式沉降測量針，在有需要時，可通過旋轉(zhuǎn)折疊測量針，使用人工測量的方式進(jìn)行周期性觀測及與傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，以此校正相關(guān)參數(shù)的設(shè)置。

2.4 工程案例應(yīng)用效果

某地一新建生物質(zhì)發(fā)電廠建設(shè)環(huán)境條件復(fù)雜，在對其垃圾堆載、焚燒處理池的施工過程中，要求該處理池應(yīng)具有良好的抗浮、防傾效果，控制沉降及相對位移變化數(shù)值在設(shè)計范圍內(nèi)，并通過變形觀測掌握該處理池的底部受壓狀態(tài)及處理池的整體狀態(tài)。常用變形觀測方法在此工程中，因沉降、傾斜及位移觀測點(diǎn)分布并不能做到位于同一觀測位置，遂無法對具體觀測點(diǎn)位的三項(xiàng)數(shù)值進(jìn)行綜合分析，也無法針對同一點(diǎn)進(jìn)行狀態(tài)判斷，從而無法給出相對措施。在具體的施工過程中，該處理池應(yīng)用了本文提出的變形觀測新法，經(jīng)過整體建模計算受壓及變形狀態(tài)，在處理池基礎(chǔ)的關(guān)鍵受壓部位，如結(jié)構(gòu)角部位、集中堆載部位、運(yùn)輸通道及焚燒進(jìn)氣通道部位的底部及相對垂直部位安置了測量前端，具體布置效果如圖4所示。

圖4 某地生物質(zhì)發(fā)電廠應(yīng)用效果示意

在施工及維護(hù)的變形觀測中發(fā)現(xiàn)，此方法能有效地將觀測點(diǎn)的沉降、傾斜、位移3項(xiàng)觀測數(shù)據(jù)通過測量前端無線發(fā)送至遠(yuǎn)程控制終端，并在數(shù)據(jù)處理平臺中得到實(shí)時反饋。通過分析關(guān)鍵觀測點(diǎn)位得到的數(shù)據(jù)，可直觀了解到該點(diǎn)位在設(shè)定的觀測周期中產(chǎn)生的數(shù)值變化，并綜合三項(xiàng)數(shù)據(jù)判定該點(diǎn)位變形數(shù)值是否控制在有效范圍內(nèi)，從而為該處理池的施工及維護(hù)過程提供了良好的數(shù)據(jù)支撐，并為相關(guān)施工方案及對策措施的制定提供了一定幫助。

3 觀測方法對比分析

在復(fù)雜環(huán)境下的功能性特殊，有滲漏、傾覆危險等的特殊建筑物的建造過程中，或在復(fù)雜環(huán)境下的普通建筑的觀測工作中，常用的建筑變形觀測手段獲得數(shù)據(jù)的方式較為單一，且時效性及準(zhǔn)確度較差，數(shù)據(jù)離散現(xiàn)象較為明顯，雖然可通過人工制定觀測計劃并及時落實(shí)，但仍存在周期短、數(shù)據(jù)不全面等缺陷。本文所提出的觀測新法，通過物聯(lián)及數(shù)據(jù)平臺的搭建，集成了現(xiàn)階段可達(dá)到的高精度硬件傳感器并使其為建筑施工服務(wù)，達(dá)到一點(diǎn)多用的布設(shè)要求，且提供實(shí)時或周期性數(shù)據(jù)傳輸，保證了觀測工作的精確、有效。利用該方法，結(jié)合時下建模及有限元分析技術(shù)，可針對建筑物的整體狀態(tài)進(jìn)行分析，及時發(fā)現(xiàn)建筑物不利的變形狀態(tài)，從而采取有效防控措施，一定程度上對復(fù)雜環(huán)境下特殊建筑物的變形觀測具有積極的指導(dǎo)意義。

4 結(jié)語

采用新法進(jìn)行復(fù)雜環(huán)境下特殊建筑物沉降與傾斜位移觀測工作時，通過物聯(lián)技術(shù)與信息技術(shù)的應(yīng)用，達(dá)到了觀測數(shù)據(jù)的集成化收集與分析處理，減少了變形觀測工作中人為操作因素的誤差，提高了數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性及觀測效率。其該新法能做到在既定觀測周期內(nèi)針對同一觀測點(diǎn)進(jìn)行縱向比較，也可對不同觀測類型的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向比較，在建筑物的整體變形觀測中具有積極的應(yīng)用價值。目前，此項(xiàng)技術(shù)正處于發(fā)展階段，仍然面臨許多實(shí)際問題，如硬件標(biāo)準(zhǔn)及使用規(guī)范不統(tǒng)一，高精度傳感器及其使用成本相對較高，數(shù)據(jù)分析處理平臺不完善等，后期可根據(jù)建筑類型及功能性等要求對觀測所用硬件設(shè)備及規(guī)范進(jìn)行統(tǒng)一制定，對觀測數(shù)據(jù)分析規(guī)則的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)定并完善其綜合數(shù)據(jù)計算平臺的搭建。相信經(jīng)過后期的改進(jìn)與創(chuàng)新，及建筑工業(yè)化的不斷發(fā)展和相關(guān)高性能傳感器硬件的普及應(yīng)用，該新法能在大多數(shù)建筑物的施工、使用與維護(hù)中應(yīng)用。